无线技术在市政路灯项目的应用

       随着我国工业自动化的不断发展和提高，工业自动化技术广泛应用于各个领域。采用工业自动化可以把人从繁重的体力劳动、脑力劳动及其恶劣、危险的工作环境中解放出来。据统计，国内的各大城市路灯控制系统能源利用率还是处于较低水平状态，路灯电费和维护费占用了政府财政支出一大笔费用。目前大部分传统的路灯节能控制系统存在着智能化程度低、通讯稳定程度差、路面照度分布不均、耗费大量人力物力等问题。本文是基于无线网络通信技术，设计了一套采用WBee/WCTU实现的路灯智能控制系统。

1、WCTU技术

1.1 什么是WCTU

        WCTU（the wireless control collecttransmission unit )全称为无线控制采集传输单元，是专门用于将接口数据（RS232、RS485、RS422、TTL、A/D、I/O）转换为IP数据进行传输或者反向转换把IP数据转为接口数据进行传输的无线终端设备。WCTU是厦门为那通信科技有限公司自主研发的综合DTU、RTU及短信收发功能为一体的高性能工业级无线控制采集传输设备，是工控行业应用中集控制、采集、传输、短信为一体的必备通信产品。

        WCTU兼容多种网络制式：支持LTE、HSPA+、HSPA、TD-SCDMA、EVDO、EDGE、CDMA、GPRS多种网络制式；完美支持电信/移动/联通国内三大运营商2G/3G/4G网络；支持2G/3G/4G网络制式智能切换，保证设备工作在最好的网络制式下，使设备处于高效、稳定运行状态。

1.2 WCTU工作过程描述

        WCTU是一款主动发起与数据中心建立连接通信，并保持通信链路长久连接的无线控制采集传输设备。由于WCTU登陆网络时，通过运营商网络认证拨号成功后获取到一个随机分配的IP地址。因此，这就要求数据中心具备固定的公网IP地址或域名。数据中心的公网IP地址或域名作为参数存储在WCTU内，以便WCTU一旦上电拨号成功，就可以主动连接到数据中心。然后前端采集设备就可以通过WCTU的串口跟数据中心进行数据交互，实现数据中心远程监控的功能。

        WCTU还提供了网络或短信的I/O报警和控制功能及其A/D采集功能。

        I/O报警功能：WCTU监测其引脚相接的电平变化。当I/O电平变化符合预设的状态时，WCTU会通过网络或短信向服务器或指定的手机号上发送报警信息，从而达到报警功能，及时联系相关人员处理，减少损失。

        I/O控制功能：用户可通过网络或指定的手机号码向WCTU发送控制命令，控制外部I/O引脚的电平变化。使与其引脚相接的下位机设备通过监视引脚的变化来做相应的动作，从而达到控制下位机的功能。

        A/D采集功能：WCTU同时自带A/D采集接口，能自定义采集周期，对前端传感器模拟量数据进行实时采集，并转换成数据量主动或被动的上传到远程服务器上。

1.3 WCTU的优势

        WCTU通信方式适合于野外、移动、较难或无法布线的环境下使用。目前，还存在很多监测站与各采集点采用电话线传送数据或使用人工抄录方式，实时性差，费用也不便宜。然而WCTU完全的规避了这些缺点和不足，更加适合于野外、移动、较难或无法布线的环境下使用。

        WCTU无线传输数据有以下优势：

        1．WCTU用户可随意分布和移动自己的采集点，无须担心线路的维护或有线在移机时导致的通讯中断。建设新的采集点无需进行拉线，埋线等工作，较使用光纤或专线安装投资较少，设备安装方便。

        2．安装价格低廉、节约成本，与拉线埋线相比较WCTU其终端价格比安装有线的费用便宜很多。

        3．双向传输功能：WCTU通过无线方式与数据中心进行连接成功后，WCTU与数据中心就可以进行双向数据传输。

        4．数据传送可靠：WCTU适合频繁的突发型数据业务及其大量的数据转发业务，支持TCP/IP通信，通信质量稳定可靠。

        5．丰富的通信接口：支持RS232/RS485/RS422/TTL、支持六路IO报警控制功能、支持六路的A/D采集功能，为用户提供多样化通信接口。

        6．支持短信控制、配置功能，相关管理人员可以通过指定的手机号码实时的控制设备跟修改WCTU配置。

        7．支持网络控制、配置功能，管理人员可以通过监控中心实时的控制设备跟修改WCTU配置

        8．支持多种安全加密协议方式，WCTU支持AES、3DES、DES等加密方式，防止用户信息泄露，保护用户信息的安全。

        9．支持LED灯查看设备的运行情况，可以快速判断设备当前运行状态，方便管理人员快速处理。

        10．支持在线远程升级，不用在担心由于设备需要升级而跑到现场操作，浪费人力物力，减少企业开支。

        11．支持通信串口和调试串口分离模式，设备调试期间，不影响正常的数据传输。

        12．优化了485的通信功能，485同时收发串口数据不会出现数据乱码的现象。

        13．高性能多功能，WCTU是一款综合DTU/RTU及短信收发功能为一体的工业级无线控制采集传输设备。

2、WBee技术

2.1 什么是WBee

        WBee是厦门为那通信科技有限公司自主研发的一款物联网无线短距离数据采集、传输设备，WBee这一名称来源于蜜蜂（Bee）用八字舞与同伴传递花粉所在方位信息的交流方式。WBee是一款近距离、低复杂度、自组织、低功耗、小数据量、低成本，带采集和控制功能的无线自组网采集控制终端。WBee发射功率达到业界最高值27dbm，接收灵敏度达到≤-126dbm，收发实测直线距离可以达到4000米，解决了一些短距离传输设备传输距离不足的问题。

2.2 WBee的工作原理

        WBee是一种无线通讯技术，是由厦门为那通信科技有限公司自主研发的产品。WBee通信技术采用蜂窝式自组织网通信方式，点对点传输直线可视距离可达4KM（实测值）。了解无线通讯的人都知道，各种无线通讯技术，都是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的通信方式。WBee也不例外，它采用国际通用的315MHZ 、433MHZ、868MHZ 、915MHZ 、2.4GHZ 、5.8GHZ 六种免申请频段来进行无线通讯。

        WBee通信到底是怎么回事呢?简单的举一个例子就可以说明这个问题。当一队特警人员在执行任务时，每人持有一个WBee网络模块终端，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找并组网，很快就可以形成一个互联互通的WBee网络。而且随着人员的移动，彼此间的位置还会发生变化。因而，WBee可以自动的通过重新搜索到其它各个设备的路由通道来更新网络结构，从而实现可靠、稳定的通信。

2.3 WBee的优势

        WBee的自组网络主要特点是低功耗、低成本、短距离、短延时、支持大量节点、支持中继、支持加密、速度快等特点。同时WBee是工作于免申请执照频段，且网络搭建便捷，因此WBee作为一款短距离无线通信设备，在短距离传输领域中具有非常强的可应用性。

2.3.1 网状优势

        1、具有强大的网络结构，WBee自组网络可以通过多级中继路由的方式进行更远距离传输，通信距离远远超过ZigBee、WIFI、蓝牙的传输距离。

        2、是一种特殊的点对点、点对多点的网络结构，其路由可自动建立和维护，具备自组织、自愈功能。

        3、网络结构还可以组成极为复杂的网络，可采用星状、片状和网状等多种网络结构，具有很大的路由深度和网络节点规模，一个协调节点最多可以管理达到65534个节点的大网。

        4、利用WBee自组网特性，设备的增加或者减少不影响整个WBee通信结构，具备通信稳定及其安装便捷的特性。

2.3.2 抗干扰性能强

       1、WBee 在低信噪比的环境下，具有很强的抗干扰性能；   

        2、WBee 技术在相同的环境中，抗干扰性能远远好于ZigBee、蓝牙和WIFI。   

        3、WBee的抗干扰性能在相同的环境中是蓝牙和WIFI的1000倍。

2.3.3 数据安全性

       WBee支持完善三级安全模式，包括无安全设定（广播）、使用访问控制（指定目的地址） 防止非法获取数据以及采用高级加密标准的加密方式，包括AES、3DES、DES等加密方式。WBee以多种加密方式，灵活的确保其数据传输的安全，防止数据在传输中被截取或篡改。

一、系统项目设计

       本系统设计采用的是WBee和WCTU两种无线传输设备，分别采用WBee自组网网络与GPRS（2G/3G/4G）网络。

       WBee自组网网络是通过WBee协调器节点与各个WBee路由节点两者构成。其中WBee协调器节点一边连接本地控制中心，方便现场工作人员及时了解和控制路灯系统，另一边连接WCTU，通过GPRS网络把WBee自组网与远程控制中心连接起来，形成远程控制功能；从而起到组建和管理自组网功能。WBee路由节点主要是用于自身数据收发和转发其他路由节点的数据，起到自主转发，自主修复功能。所以WBee自组网在通信传输过程中是不需要无线通信费用，且可以利用WBee的I/O跟A/D脚实时的采集路灯的工作状态，方便管理人员维护。

       GPRS/CDMA网络主要作用是与远程服务器进行无线通信使用，通过移动运营商（移动、联通、电信）无线网络基站跟数据中心联网通信，对路灯进行数据采集及其控制的作用，所以这部分的数据传输会产生一部分的费用，路灯管理部门需要支付移动运营商流量费用。

图1-1

图1-2

二、系统功能

2.1     路灯控制系统

        路灯控制系统是由一个远程控制中心跟多个本地控制中心组成：远程控制中心通过营运商的网络统筹管理多个路灯子系统（一个WBee自组网），主要的功能是汇集各个WBee子系统采集的路灯相关数据，并执行相应的控制指令。另外一个是本地控制中心（WBee自主网网络），主要是采集WBee子系统的数据，并对数据进行分析及其控制。路由控制系统使用本地控制跟远程控制的方式。保证了通过一个远程控制中心对所有路灯进行统一管理及其统一控制，减少了人力物力的开支，达到路灯管理的高度集中化跟智能化。同时也可以根据现场的实际情况，进行特殊控制，双中心的两级控制保证了整个路由系统稳定可靠地运行。

       路灯控制中心实现的功能是利用运营提供的网络和WBee协调节点，对整个WBee子网下的路灯控制器进行远程数据采集和控制，包括路灯参数配置、控制路灯开关、亮度调节、蓄电池充电、电流采集、电压采集、LED故障检测、LED故障报警、计算功率以及功率因数等。利用电压电流传感器连接WBee的A/D脚和I/O脚，能够实时的显示路灯各种状态包括：亮度、电压、电流、功率、功率因数和路灯电路故障报警等信息。可以实现实时调度事件、读取数据记录、监视事件和报警应答等操作。

       1、数据采集功能：利用WBee的A/D采集脚连接电压或者电流传感器，实时采集太阳能电池板在充电和胶体蓄电池在放电时，路灯系统电流、电压、功率因素等数据变化，实时检测设备的运行状态。

       2、电路过载保护：路灯控制系统提供了电路过载保护系统，通过实时采集到的数据进行分析处理，保证负载处于合理范围内，防止由于过高电压或者电流照成了整个路灯系统故障。

       3、远程配置功能：可以通过WBee连接路灯的智能控制器，通过本地控制中心或者远程控制中心修改智能控制器参数跟WBee参数。

       4、自动控制功能：在本地路灯控制系统，通过智能控制器设置的参数，让路灯按预先设计好的时间计划自动调节路灯开关时间。

       5、巡检功能：采集数据中心可以自动巡测每路路灯的开关状态，出现异常发送报警信息，并把异常信息进行记录。

       6、控制功能：远程控制中心可以随意开关任何一盏路灯并可以支持全开或者全关路灯，可以设置定时开关路灯。

       7、数据存储：强大的Oracle数据库，可以对路灯安装时间、地点（坐标）、运行参数、工作时间、功耗等用户关心的信息进行记录存储，对路灯的异常情况和路灯的处理信息进行保存。  

       8、数据查询：远程控制中心可以通过互联网（手机或者电脑）查询任意时间段每路路灯数据信息，及其运行状态，并可以对路灯路的历史数据查询。

       9、远程维护：可以进行远程网络维护，模块具备远程参数设置和维护功能，可以对控制器、WBee等控制设备进行远程升级。

       10、报警功能：通过WBee的I/O脚实时监测路灯的电路工作情况，出现路灯故障后，远程控制中心可以准确获取故障灯的位置信息，并通过控制中心的短信服务器发送短信告诉相关工作人员。工作人员可以在最短时间内赶到现场进行维护。通过实时采集电力线的电流、电压状况，通知采集数据中心，从而可以进行防盗。

2.2     节能策略系统

       智能节能控制系统，在限定的时间段内和允许的调亮范围内实现对路灯功率的自动调节功能，通过单片机控制可控硅的导通脚，对路灯的功率进行自动调节。智能感应功能，当白天出现光线达到预期要求时路灯自动关灯；当晚上时有人或车辆经过（移动物体）时，自动打开路灯或者增强路灯的亮度；而在一段时间内没有人或车辆经过，自动延时后关闭路灯或者减弱路灯亮度。已到达到减少电力的功耗，对节能减排起到一定的作用，也可以减少市政财政支出。

三、远程路灯控制系统优势

        现在比较常用的路灯控制系统是：时间控制、光照控制等比较传统的路灯照明控制系统。上述的两种控制方式存在着管理开销大、电能浪费、无法远程监控以及故障维修反应效率低等现象。如果使用布线的方式达到远程控制的目的，不仅设备和施工费用投入巨大，还存在布线麻烦，后期设备故障维护困难及费用极高等等问题。因此需要寻找一种在社会效益、经济效益上均有显著效果的管理监控系统是城市道路照明发展的必然方向。从路灯控制系统的成本、可靠性、信息化、应用前景等方面考虑。基于无线网络传输技术，利用WBee/WCTU无线通信技术特点设计一套无线自组织蜂窝型网络路灯远程控制系统，然后在结合传统路灯控制系统的时间控制、光照控制的优点，无疑是实现路灯节能控制系统智能化、信息化、可靠性、低成本的理想目标。