?基于ZigBee网络的校园路灯控制系统

基于ZigBee网络的校园路灯控制系统

廖春成，李业伟，姚继良，姚念会

(北京师范大学 后勤管理处，北京 100875)

摘要：为了实现对高校路灯远程进行分时段间隔开启，以减少校园路灯电能消耗，考虑到高校路灯种类型号多，分布分散等特点，在校园内建立了基于无线传感器网络的路灯智能控制系统，通过ZigBee网络实现无线通信传输，使整个网络数据安全，用户节点扩展性强。以北师大校园路灯智能化控制改造为例，论证了此种方案能较经济地实现对校园所有路灯自动远程、实时监测与控制，并在较短时间内收回投资。

关键词：高校；无线传感器；ZigBee网络；智能路灯；远程监控

1　引言

高校作为国家公共建筑一部分，落实建筑节能降耗政策，对社会有着引领示范作用。为有效地降低校园内的电能消耗，不少教育工作者做出了很多努力。

传统校园路灯控制方式有多种。电力线载波进行信息传输(北师大路灯改造前就是这种方式)，GPRS和CDMA远程无线通信传输，是目前实现公共路灯远程控制的两种主要方式。虽然这两种方式能较好完成对路灯的远程智能控制，但在信息传输、节能环保和运行成本上有一定缺陷[1]。近年来随着技术更新，新的通信系统进入市场。无线网络也不例外，并且这些技术更多地出现在人们现实生活中。ZigBee无线传感网络，做为无线网络的一种新型网络，能低成本实现短距离无线通信，具有一定的工程价值。相对于其他无线网络(GPRS、WiMAX、ADSL)更合适多用户通信[2，6]。

构建基于ZigBee无线传感网络的校园路灯控制平台，将全校路灯无线连接在一起，可先前指定时间间隔地开启路灯，从而降低电能消耗，达到节能目的。北京师范大学路灯有6 m以上高杆道路灯、庭院灯、草坪灯大约750盏，通过网络构建形成的无线网络系统，可随时修改路灯控制方案。改造后平均每年可节省电量 11.2万kW·h，直接产生经济效益5.6万元。

2　平台构建

通过建立一个对校园路灯执行远程监控平台，提高自动化水平，减少管理人员运营支出，同时节省路灯电能损耗。平台运用无线网络进行访问，不需要在周围部署昂贵的有线基础设施，降低资源消耗。

2.1　特点和要求

基于无线传感器网络应用技术，来实现对校园路灯的智能化控制，从而满足对路灯分时段间隔开启。这种网络的建立有着一定的应用和技术要求。

2.1.1　应用要求

(1)节点识别。正确识别网络端点，并关联到一个特定用户。

(2)节点移动。一般无线传感器网络的一个重要特征。实际案例中大多是端点不动情形。

(3)能源消耗和电池寿命。无线传感器网络需要能源供给，才能保证传感器正常工作，特别是单元电池的供电寿命。

(4)可扩展性。未来随着路灯数目的增加，很可能需要新端点接入网络。因此应考虑不需要执行特定技术设计与改造情况下，自动加大网络。

(5)可靠性。平台的基本要求，网络受到攻击或意外掉网，数据信息不应丢失或被篡改。

2.1.2　技术要求

(1)识别设备。基于ZigBee技术的无线终端，有两种可能的设备地址：64位MAC预编码地址和16位网络地址。其中第一个是唯一的，通常当作一个设备加入ZigBee网络。第二个是一个很短的地址，用来进行网络路由。

(2)网络规模。ZigBee网络的大小，理论上是有确定的16位地址限制。然而，由于物理限制，该网络(ZigBee)设备最大数量是100，是一个小得多的量。

(3)传感器。传感器通过串行接口与路灯回路连接，无线设备内置于路灯杆内，减少装置所占空间。

(4)协调器限制。一个集线器最多只能与四个协调器直接连接。

2.2　构架

单灯控制器与传感器安装在每一个路灯杆里，控制器与一个传感器连接。传感器通过无线接口连接到协调器的专用设备，然后通过集线器将路灯控制信息传给校园路灯管理服务器(图1)。

如图1中，将整个路径分为两段，从端点到集线器作为短距离段，从集线器到管理服务器作为长距离段，整个网络包括四个部分，每个部分彼此间相互联系，分别扮演着不同的角色，组合完成自动控制的整个过程。

(1)端点。作为网络的基础元，实现了用户定点的物理逻辑转换，从而与单灯控制器进行数据的现场交互。

图1　路灯控制系统构架

(2)协调器。负责ZigBee网络协调，给结点成员按照一定规则分配网络地址，负责创建并维护一个局域网并实现路由功能。

(3)集线器。负责收集和汇总几个ZigBee网络内所有端点信息。为端点和服务器平台的通讯，提供逻辑接口。

(4)管理服务器。作为服务器平台，负责储存结点开关数据，路灯开启时间及方案设计，实现智能化管理的数据平台。

短距离段通常对应于一个或多个ZigBee网络，通过串行或通过Wi-Fi直接连接到一个集线器。集线器收集所有区域内路灯开关信息，再通过长距离段将数据反馈给服务器。ZigBee是一种低成本、低功耗的无线技术，在定位和流量使用上非常适合这个网络要求。若集线器距离ZigBee网络终端较远时，可以用Wi-Fi来实现集线器与ZigBee网络终端间的数据传递。

长距离段是集线器与服务器之间数据桥梁，一般可由GPRS?、UMTS、 Wi-Fi、WiMAX通信技术组成。它将所有信息汇总，传给管理服务器。

当然目前还有一些其他的通信方式来实现上述数据的传递，比如在短距离段用PLC(线载通信)代替ZigBee，或使用GPRS直接连接到每个端点。直接使用GPRS连接每一端点，特别是规模宏大的时成本比较高[7]。PLC具有一定带宽的限制使用不够灵活，同时还需要有线来支持，材料使用和改造及其不方便。

3　组网关键

要能够成功地获得所有的路灯开关信息，并能使系统的成本、可靠性、可扩展性和其他都具有相对的优越性。关键主要集中在三个方面：传感器的识别是否正确。让管理服务器能正确识别到每一个网络节点；网络是否安全。建立一定的认证机制，确保数据保密、完整、可利用；容量规划是否合理，根据网络规模设计一定数量的集线器、协调器、传感器等。

3.1　传感器的识别、寻址和命名

当对每一个传感器结点进行访问时，ZigBee通过搜索所有路径，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径与该传感器结点进行数据传输。当一条路径发生拥挤或者是断开时，立刻分析下一条路径，直到搜索到相应的传感器结点。

这种搜索的方法存在一些潜在的问题，随着网络规模的增大，数据访问效率会降低。每次管理服务器要与客户结点建立联络时，它首先必须查阅数据库获取相应设备的MAC地址。这样当管理平台为了与某个端点建立联系，首先必须发送请求到每一个集线器，一旦一个集线器接收请求时，通过与相应协调器的接口建立连接获得MAC地址。相反，使用MAC地址在ZigBee网络中轮流搜索相应设备。这样增加了搜索过程的复杂性。

为解决上述问题，提出了基于IP的虚拟网络地址，主要思想是建立一个完整的IP网络，通过不同的网段来有针对性地访问各个传感器结点，从而节省搜索时间。

3.2　网络和数据的安全

该AMR平台主要是基于无线网络，这种网络与有线网络相比面临诸多漏洞[8]。比如只要范围内和知道传输频率的任何人都可以直接访问网络，而形成攻击，常见的攻击类型有：拒绝服务造成干扰，利用在无线网络中特别是ZigBee和Wi-Fi网络，CSMA/CA协议(载波侦听多路访问/碰撞检测)的脆弱性[9]；攻击数据保密性；重复攻击；取代端点。

在自动的背景下，取代的端点是最有可能发生的攻击，因此，必须要建立一定的认证机制，来确保数据的保密性、完整性、可利用性。

3.3　认证

短距离段的通信一般是ZigBee或Wi-Fi网络。ZigBee技术在数据加密过程中，可以使用三种基本密钥，分别是主密钥、链接密钥和网络密钥[10]。主密钥是两个设备长期安全通信的基础，也可以作为一般的链接密钥使用。所以必须维护主密钥的保密性和正确性。当在网络传输过程中，采用主密钥可以阻止窃听[11]。在CCM*(counter with cipher block chain-ing-message authentication code)加密模式下执AES-128加密算法，保证了通信的安全。在这种模式下，所有的信息都是加密的，两个点之间的握手，是建立在由一个主密钥生成的点对点之间。提供了加密、数据完整性检查和鉴权功能，有较高的安全性，同时避免了内部攻击。

当使用Wi-Fi时，可以利用目前被认为是安全的Wi-Fi安全标准802.11i(WPA/WPA2)与802.1x认证(EAP)，为加强其安全性，还可以考虑多种机制： IPSec VPN：用以提供公用和专用网络的端对端加密和验证；MAC地址过滤：只有经过授权的设备允许访问网络，有效控制用户上网权限；隐藏：隐藏访问接入点。

3.4　网络容量规划

网络容量规划，根据网络实际的限制和约束，合理地规划设备数量、带宽、网段，使系统在最佳条件下工作，设计过程中主要考虑的参数有：节点数、ZigBee协调器数、集线器数、在每一个网络段的端点数、每一个ZigBee网络节点的最大数量、传感器数目、采样时间间隔等。

在实际情况下，合理配置上述参数，对网络的稳定、有效性具有一定的意义。当然还要结合其他参数，如与建筑物间距离，地区通信条件和信号覆盖等环境条件限制情况等。

4　效益分析

北师大校园路灯总计750盏，改造前路灯夜间的12 h全开启，改造后全校路灯按照18：00～23：00期间路灯全部开启，23：00到次日2：00路灯隔一亮一，2：00到6：00隔二亮一的分时段间隔开启运行方案。每盏灯按150 W功率，100盏路灯计算，每日运行12 h，电费按0.5元/kW·h收费，两种路灯运行方式能耗比较如表1。

表1　百盏路灯运行方式能耗比较

运行方式日耗电量/kW·h年耗电量/kW·h年节电/kW·h每年电费/元年节省电费/元节电率/%全时段全启分时段间隔180102.7565700374122828832850187061414342

按照上述分时段方案，按照节电率42%，学校路灯750盏节电估算如表2。

表2　全校路灯节能估算

路灯型号节电率数量日耗电/kW·h年耗电/(万kW·h)年节电/(万kW·h)年节省电费/万元150W20737213.65.72.8575W2262037.43.11.5550W42%1691013.71.60.8036W102441.60.70.3513W4670.30.10.05合计75072726.611.25.60

预计可日节电306余kW·h，年节电11.2万余kW·h。

根据估算，对全校750盏路灯进行分时段开启投资总额需68余万元，按照年节省电费5.6万元(年节电11.2万余kW·h)计算，投资回收期在13年。

5　结语

通过基于无线传感网络智能路灯控制平台构建，分析平台组网结构、容量规划、安全与扩展性。建立全校范围内校园路灯智能化远程控制方案是可行并经济的。组网中，传感器将路灯开关信息采集通过ZigBee网络将数据传递给协调器，协调器再将数据传递给集线器，再通过远距离段无线技术，如Wi-Fi、WiMAX、3G、GPRS将数据传到数据中心，形成了一个完整的远程控制系统。该系统能实现路灯分时段间隔开启，路灯节电率达42%，节省了校园公共照明设施对电能的消耗，经济效益可观。

参考文献：

[1]刘铁超.基于ZigBee的校园路灯控制系统的设计与实现[D].大连：大连海事大学，2014.

[2]于海斌，等.智能无线传感器网络系统[M].北京:科学出版社，2006.

[3]金海红.基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计及其通信的研究[D].合肥：合肥工业大学，2007.

[4]刘紫燕，罗　超，等.智能路灯控制系统设计实现[J].微型机与应用，2015,34(6):19～22.

[5]刘　颖.基于ZigBee和GPRS的远程无线抄表系统设计与实现[J].科学技术与工程，2012,30(12):8058～8062.

[6]刘建峰.基于ZigBee与GPRS双网的无线太阳能路灯控制系统[J].仪表技术，2015,3(3):14～17.

[7]成小良,邓志东.基于ZigBee规范构建大规模无线传感器网络[J].通信学报，2008,29(11):158～164，158～164.

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[9]彭　瑜.低功耗、低成本、高可靠性、低复杂度的无线电通信协议Zigbee[J].自动化仪表，2005,5(26):1～4.

[10]杨　斌.基于TC和AES的ZigBee标准安全性分析[J].计算机工程与设计,2010,31(11):2439～2441.

[11]ZigBee Alliance document[EB/OL].http://www. zigbee.Org.

Campus Street Light Control System Based on ZigBeeNetwork

Liao Chuncheng,Li Yawei,Yao Jiliang,Yao Nianhui

(Department of Logistics Management,Beijing Normal University,Beijing100875,China)

Abstract: To reduce the power consumption of campus street lamp,it designs the remote control of opening street lampsin differentperiods of time in colleges and universities.The article has considered the fact that there are varioustypes of street lamps and the scattered distribution of lamps.The article designsan intelligent control system of campus street lamp based on wireless sensor network.Through the ZigBee network,the system realizesthewireless communication,assurance of data security and strong extensibility of user node.Takingintelligent control reformationof campus street lamp in Beijing normal university for example,the result shows that the reasonable planning can realize the automatic remote control ofall street lamps on campus,real-time monitoring and control,and to the planning can recoup its investment in a relatively short time.

Key words: university; wireless sensor;ZigBee network;intelligent streetlight;remote monitoring and control

文章编号：1674-9944(2016)02-0159-03

中图分类号：TM925

文献标识码：A

作者简介：廖春成(1987—)，男，硕士，助理工程师，主要从事建筑电气及智能化、电力电子技术、轨道交通电源系统的研究。

收稿日期：2015-12-04