隨著我國工業(yè)自動化的不斷發(fā)展和提高，工業(yè)自動化技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。采用工業(yè)自動化可以把人從繁重的體力勞動、腦力勞動及其惡劣、危險的工作環(huán)境中解放出來。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)的各大城市路燈控制系統(tǒng)能源利用率還是處于較低水平狀態(tài)，路燈電費和維護費占用了政府財政支出一大筆費用。目前大部分傳統(tǒng)的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)存在著智能化程度低、通訊穩(wěn)定程度差、路面照度分布不均、耗費大量人力物力等問題。本文是基于無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，設(shè)計了一套采用WBee/WCTU實現(xiàn)的路燈智能控制系統(tǒng)。
1、WCTU技術(shù)


1.1
什么是WCTU



WCTU（the wireless control collect transmission unit )全稱為無線控制采集傳輸單元，是專門用于將接口數(shù)據(jù)（RS232、RS485、RS422、TTL、A/D、I/O）轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)進行傳輸或者反向轉(zhuǎn)換把IP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為接口數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)臒o線終端設(shè)備。WCTU是廈門為那通信科技有限公司自主研發(fā)的綜合DTU、RTU及短信收發(fā)功能為一體的高性能工業(yè)級無線控制采集傳輸設(shè)備，是工控行業(yè)應(yīng)用中集控制、采集、傳輸、短信為一體的必備通信產(chǎn)品。

WCTU兼容多種網(wǎng)絡(luò)制式：支持LTE、HSPA+、HSPA、TD-SCDMA、EVDO、EDGE、CDMA、GPRS多種網(wǎng)絡(luò)制式；完美支持電信/移動/聯(lián)通國內(nèi)三大運營商2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)；支持2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)制式智能切換，保證設(shè)備工作在最好的網(wǎng)絡(luò)制式下，使設(shè)備處于高效、穩(wěn)定運行狀態(tài)。
1.2
WCTU工作過程描述




WCTU是一款主動發(fā)起與數(shù)據(jù)中心建立連接通信，并保持通信鏈路長久連接的無線控制采集傳輸設(shè)備。由于WCTU登陸網(wǎng)絡(luò)時，通過運營商網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證撥號成功后獲取到一個隨機分配的IP地址。因此，這就要求數(shù)據(jù)中心具備固定的公網(wǎng)IP地址或域名。數(shù)據(jù)中心的公網(wǎng)IP地址或域名作為參數(shù)存儲在WCTU內(nèi)，以便WCTU一旦上電撥號成功，就可以主動連接到數(shù)據(jù)中心。然后前端采集設(shè)備就可以通過WCTU的串口跟數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

WCTU還提供了網(wǎng)絡(luò)或短信的I/O報警和控制功能及其A/D采集功能。

I/O報警功能：WCTU監(jiān)測其引腳相接的電平變化。當(dāng)I/O電平變化符合預(yù)設(shè)的狀態(tài)時，WCTU會通過網(wǎng)絡(luò)或短信向服務(wù)器或指定的手機號上發(fā)送報警信息，從而達(dá)到報警功能，及時聯(lián)系相關(guān)人員處理，減少損失。

I/O控制功能：用戶可通過網(wǎng)絡(luò)或指定的手機號碼向WCTU發(fā)送控制命令，控制外部I/O引腳的電平變化。使與其引腳相接的下位機設(shè)備通過監(jiān)視引腳的變化來做相應(yīng)的動作，從而達(dá)到控制下位機的功能。

A/D采集功能：WCTU同時自帶A/D采集接口，能自定義采集周期，對前端傳感器模擬量數(shù)據(jù)進行實時采集，并轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量主動或被動的上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器上。


1.3
WCTU的優(yōu)勢




WCTU通信方式適合于野外、移動、較難或無法布線的環(huán)境下使用。目前，還存在很多監(jiān)測站與各采集點采用電話線傳送數(shù)據(jù)或使用人工抄錄方式，實時性差，費用也不便宜。然而WCTU完全的規(guī)避了這些缺點和不足，更加適合于野外、移動、較難或無法布線的環(huán)境下使用。

WCTU無線傳輸數(shù)據(jù)有以下優(yōu)勢：

1．WCTU用戶可隨意分布和移動自己的采集點，無須擔(dān)心線路的維護或有線在移機時導(dǎo)致的通訊中斷。建設(shè)新的采集點無需進行拉線，埋線等工作，較使用光纖或?qū)＞�安裝投資較少，設(shè)備安裝方便。

2．安裝價格低廉、節(jié)約成本，與拉線埋線相比較WCTU其終端價格比安裝有線的費用便宜很多。

3．雙向傳輸功能：WCTU通過無線方式與數(shù)據(jù)中心進行連接成功后，WCTU與數(shù)據(jù)中心就可以進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。

4．?dāng)?shù)據(jù)傳送可靠：WCTU適合頻繁的突發(fā)型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及其大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)，支持TCP/IP通信，通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

5．豐富的通信接口：支持RS232/RS485/RS422/TTL、支持六路IO報警控制功能、支持六路的A/D采集功能，為用戶提供多樣化通信接口。

6．支持短信控制、配置功能，相關(guān)管理人員可以通過指定的手機號碼實時的控制設(shè)備跟修改WCTU配置。

7．支持網(wǎng)絡(luò)控制、配置功能，管理人員可以通過監(jiān)控中心實時的控制設(shè)備跟修改WCTU配置

8．支持多種安全加密協(xié)議方式，WCTU支持AES、3DES、DES等加密方式，防止用戶信息泄露，保護用戶信息的安全。

9．支持LED燈查看設(shè)備的運行情況，可以快速判斷設(shè)備當(dāng)前運行狀態(tài)，方便管理人員快速處理。

10．支持在線遠(yuǎn)程升級，不用在擔(dān)心由于設(shè)備需要升級而跑到現(xiàn)場操作，浪費人力物力，減少企業(yè)開支。

11．支持通信串口和調(diào)試串口分離模式，設(shè)備調(diào)試期間，不影響正常的數(shù)據(jù)傳輸。

12．優(yōu)化了485的通信功能，485同時收發(fā)串口數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂碼的現(xiàn)象。

13．高性能多功能，WCTU是一款綜合DTU/RTU及短信收發(fā)功能為一體的工業(yè)級無線控制采集傳輸設(shè)備。




2、WBee技術(shù)



2.1
什么是WBee


WBee是廈門為那通信科技有限公司自主研發(fā)的一款物聯(lián)網(wǎng)無線短距離數(shù)據(jù)采集、傳輸設(shè)備，WBee這一名稱來源于蜜蜂（Bee）用八字舞與同伴傳遞花粉所在方位信息的交流方式。WBee是一款近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、小數(shù)據(jù)量、低成本，帶采集和控制功能的無線自組網(wǎng)采集控制終端。WBee發(fā)射功率達(dá)到業(yè)界最高值27dbm，接收靈敏度達(dá)到≤-126dbm，收發(fā)實測直線距離可以達(dá)到4000米，解決了一些短距離傳輸設(shè)備傳輸距離不足的問題。

圖2.1-1

2.2
WBee的工作原理



WBee是一種無線通訊技術(shù)，是由廈門為那通信科技有限公司自主研發(fā)的產(chǎn)品。WBee通信技術(shù)采用蜂窩式自組織網(wǎng)通信方式，點對點傳輸直線可視距離可達(dá)4KM（實測值）。了解無線通訊的人都知道，各種無線通訊技術(shù)，都是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進行信息交換的通信方式。WBee也不例外，它采用國際通用的315MHZ 、433MHZ、868MHZ 、915MHZ 、2.4GHZ 、5.8GHZ 六種免申請頻段來進行無線通訊。

WBee通信到底是怎么回事呢？簡單的舉一個例子就可以說明這個問題。當(dāng)一隊特警人員在執(zhí)行任務(wù)時，每人持有一個WBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過彼此自動尋找并組網(wǎng)，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的WBee網(wǎng)絡(luò)。而且隨著人員的移動，彼此間的位置還會發(fā)生變化。因而，WBee可以自動的通過重新搜索到其它各個設(shè)備的路由通道來更新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的通信。

圖2.2-1

2.3
WBee的優(yōu)勢



WBee的自組網(wǎng)絡(luò)主要特點是低功耗、低成本、短距離、短延時、支持大量節(jié)點、支持中繼、支持加密、速度快等特點。同時WBee是工作于免申請執(zhí)照頻段，且網(wǎng)絡(luò)搭建便捷，因此WBee作為一款短距離無線通信設(shè)備，在短距離傳輸領(lǐng)域中具有非常強的可應(yīng)用性。


2.3.1
網(wǎng)狀優(yōu)勢



1、具有強大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，WBee自組網(wǎng)絡(luò)可以通過多級中繼路由的方式進行更遠(yuǎn)距離傳輸，通信距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過ZigBee、WIFI、藍(lán)牙的傳輸距離。

2、是一種特殊的點對點、點對多點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其路由可自動建立和維護，具備自組織、自愈功能。

3、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀等多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有很大的路由深度和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點規(guī)模，一個協(xié)調(diào)節(jié)點最多可以管理達(dá)到65534個節(jié)點的大網(wǎng)。

4、利用WBee自組網(wǎng)特性，設(shè)備的增加或者減少不影響整個WBee通信結(jié)構(gòu)，具備通信穩(wěn)定及其安裝便捷的特性。


2.3.2
抗干擾性能強



1、WBee 在低信噪比的環(huán)境下，具有很強的抗干擾性能；

2、WBee 技術(shù)在相同的環(huán)境中，抗干擾性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于ZigBee、藍(lán)牙和WIFI。

3、WBee的抗干擾性能在相同的環(huán)境中是藍(lán)牙和WIFI的1000倍。



2.3.3
數(shù)據(jù)安全性



WBee支持完善三級安全模式，包括無安全設(shè)定（廣播）、使用訪問控制（指定目的地址） 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)的加密方式，包括AES、3DES、DES等加密方式。WBee以多種加密方式，靈活的確保其數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩�，防止�?shù)據(jù)在傳輸中被截取或篡改。
一、系統(tǒng)項目設(shè)計


本系統(tǒng)設(shè)計采用的是WBee和WCTU兩種無線傳輸設(shè)備，分別采用WBee自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與GPRS（2G/3G/4G）網(wǎng)絡(luò)。
WBee自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是通過WBee協(xié)調(diào)器節(jié)點與各個WBee路由節(jié)點兩者構(gòu)成。其中WBee協(xié)調(diào)器節(jié)點一邊連接本地控制中心，方便現(xiàn)場工作人員及時了解和控制路燈系統(tǒng)，另一邊連接WCTU，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)把WBee自組網(wǎng)與遠(yuǎn)程控制中心連接起來，形成遠(yuǎn)程控制功能；從而起到組建和管理自組網(wǎng)功能。WBee路由節(jié)點主要是用于自身數(shù)據(jù)收發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)其他路由節(jié)點的數(shù)據(jù)，起到自主轉(zhuǎn)發(fā)，自主修復(fù)功能。所以WBee自組網(wǎng)在通信傳輸過程中是不需要無線通信費用，且可以利用WBee的I/O跟A/D腳實時的采集路燈的工作狀態(tài)，方便管理人員維護。
GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)主要作用是與遠(yuǎn)程服務(wù)器進行無線通信使用，通過移動運營商（移動、聯(lián)通、電信）無線網(wǎng)絡(luò)基站跟數(shù)據(jù)中心聯(lián)網(wǎng)通信，對路燈進行數(shù)據(jù)采集及其控制的作用，所以這部分的數(shù)據(jù)傳輸會產(chǎn)生一部分的費用，路燈管理部門需要支付移動運營商流量費用。

圖1-1

圖1-2

二、系統(tǒng)功能



2.1

路燈控制系統(tǒng)


路燈控制系統(tǒng)是由一個遠(yuǎn)程控制中心跟多個本地控制中心組成：遠(yuǎn)程控制中心通過營運商的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)籌管理多個路燈子系統(tǒng)（一個WBee自組網(wǎng)），主要的功能是匯集各個WBee子系統(tǒng)采集的路燈相關(guān)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應(yīng)的控制指令。另外一個是本地控制中心（WBee自主網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)），主要是采集WBee子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析及其控制。路由控制系統(tǒng)使用本地控制跟遠(yuǎn)程控制的方式。保證了通過一個遠(yuǎn)程控制中心對所有路燈進行統(tǒng)一管理及其統(tǒng)一控制，減少了人力物力的開支，達(dá)到路燈管理的高度集中化跟智能化。同時也可以根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，進行特殊控制，雙中心的兩級控制保證了整個路由系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行。
路燈控制中心實現(xiàn)的功能是利用運營提供的網(wǎng)絡(luò)和WBee協(xié)調(diào)節(jié)點，對整個WBee子網(wǎng)下的路燈控制器進行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制，包括路燈參數(shù)配置、控制路燈開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)、蓄電池充電、電流采集、電壓采集、LED故障檢測、LED故障報警、計算功率以及功率因數(shù)等。利用電壓電流傳感器連接WBee的A/D腳和I/O腳，能夠?qū)崟r的顯示路燈各種狀態(tài)包括：亮度、電壓、電流、功率、功率因數(shù)和路燈電路故障報警等信息。可以實現(xiàn)實時調(diào)度事件、讀取數(shù)據(jù)記錄、監(jiān)視事件和報警應(yīng)答等操作。
1、數(shù)據(jù)采集功能：利用WBee的A/D采集腳連接電壓或者電流傳感器，實時采集太陽能電池板在充電和膠體蓄電池在放電時，路燈系統(tǒng)電流、電壓、功率因素等數(shù)據(jù)變化，實時檢測設(shè)備的運行狀態(tài)。
2、電路過載保護：路燈控制系統(tǒng)提供了電路過載保護系統(tǒng)，通過實時采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，保證負(fù)載處于合理范圍內(nèi)，防止由于過高電壓或者電流照成了整個路燈系統(tǒng)故障。
3、遠(yuǎn)程配置功能：可以通過WBee連接路燈的智能控制器，通過本地控制中心或者遠(yuǎn)程控制中心修改智能控制器參數(shù)跟WBee參數(shù)。
4、自動控制功能：在本地路燈控制系統(tǒng)，通過智能控制器設(shè)置的參數(shù)，讓路燈按預(yù)先設(shè)計好的時間計劃自動調(diào)節(jié)路燈開關(guān)時間。
5、巡檢功能：采集數(shù)據(jù)中心可以自動巡測每路路燈的開關(guān)狀態(tài)，出現(xiàn)異常發(fā)送報警信息，并把異常信息進行記錄。
6、控制功能：遠(yuǎn)程控制中心可以隨意開關(guān)任何一盞路燈并可以支持全開或者全關(guān)路燈，可以設(shè)置定時開關(guān)路燈。
7、數(shù)據(jù)存儲：強大的Oracle數(shù)據(jù)庫，可以對路燈安裝時間、地點（坐標(biāo)）、運行參數(shù)、工作時間、功耗等用戶關(guān)心的信息進行記錄存儲，對路燈的異常情況和路燈的處理信息進行保存。
8、數(shù)據(jù)查詢：遠(yuǎn)程控制中心可以通過互聯(lián)網(wǎng)（手機或者電腦）查詢?nèi)我鈺r間段每路路燈數(shù)據(jù)信息，及其運行狀態(tài)，并可以對路燈路的歷史數(shù)據(jù)查詢。
9、遠(yuǎn)程維護：可以進行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)維護，模塊具備遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和維護功能，可以對控制器、WBee等控制設(shè)備進行遠(yuǎn)程升級。
10、報警功能：通過WBee的I/O腳實時監(jiān)測路燈的電路工作情況，出現(xiàn)路燈故障后，遠(yuǎn)程控制中心可以準(zhǔn)確獲取故障燈的位置信息，并通過控制中心的短信服務(wù)器發(fā)送短信告訴相關(guān)工作人員。工作人員可以在最短時間內(nèi)趕到現(xiàn)場進行維護。通過實時采集電力線的電流、電壓狀況，通知采集數(shù)據(jù)中心，從而可以進行防盜。



2.2

節(jié)能策略系統(tǒng)


智能節(jié)能控制系統(tǒng)，在限定的時間段內(nèi)和允許的調(diào)亮范圍內(nèi)實現(xiàn)對路燈功率的自動調(diào)節(jié)功能，通過單片機控制可控硅的導(dǎo)通腳，對路燈的功率進行自動調(diào)節(jié)。智能感應(yīng)功能，當(dāng)白天出現(xiàn)光線達(dá)到預(yù)期要求時路燈自動關(guān)燈；當(dāng)晚上時有人或車輛經(jīng)過（移動物體）時，自動打開路燈或者增強路燈的亮度；而在一段時間內(nèi)沒有人或車輛經(jīng)過，自動延時后關(guān)閉路燈或者減弱路燈亮度。已到達(dá)到減少電力的功耗，對節(jié)能減排起到一定的作用，也可以減少市政財政支出。


三、遠(yuǎn)程路燈控制系統(tǒng)優(yōu)勢


現(xiàn)在比較常用的路燈控制系統(tǒng)是：時間控制、光照控制等比較傳統(tǒng)的路燈照明控制系統(tǒng)。上述的兩種控制方式存在著管理開銷大、電能浪費、無法遠(yuǎn)程監(jiān)控以及故障維修反應(yīng)效率低等現(xiàn)象。如果使用布線的方式達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的，不僅設(shè)備和施工費用投入巨大，還存在布線麻煩，后期設(shè)備故障維護困難及費用極高等等問題。因此需要尋找一種在社會效益、經(jīng)濟效益上均有顯著效果的管理監(jiān)控系統(tǒng)是城市道路照明發(fā)展的必然方向。從路燈控制系統(tǒng)的成本、可靠性、信息化、應(yīng)用前景等方面考慮�；�于無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，利用WBee/WCTU無線通信技術(shù)特點設(shè)計一套無線自組織蜂窩型網(wǎng)絡(luò)路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，然后在結(jié)合傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)的時間控制、光照控制的優(yōu)點，無疑是實現(xiàn)路燈節(jié)能控制系統(tǒng)智能化、信息化、可靠性、低成本的理想目標(biāo)。