隨著我國工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展和提高，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。采用工業(yè)自動(dòng)化可以把人從繁重的體力勞動(dòng)、腦力勞動(dòng)及其惡劣、危險(xiǎn)的工作環(huán)境中解放出來。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(fèi)和維護(hù)費(fèi)占用了政府財(cái)政支出一大筆費(fèi)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(fèi)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(jì)了一套采用WBee/WCTU實(shí)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(jìn)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(jìn)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(dòng)/聯(lián)通國內(nèi)三大運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)。
1.2
WCTU工作過程描述




WCTU是一款主動(dòng)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(shí)，通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證撥號成功后獲取到一個(gè)隨機(jī)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(chǔ)在WCTU內(nèi)，以便WCTU一旦上電撥號成功，就可以主動(dòng)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)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(bào)警和控制功能及其A/D采集功能。

I/O報(bào)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(shí)，WCTU會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)或短信向服務(wù)器或指定的手機(jī)號上發(fā)送報(bào)警信息，從而達(dá)到報(bào)警功能，及時(shí)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(jī)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(jī)設(shè)備通過監(jiān)視引腳的變化來做相應(yīng)的動(dòng)作，從而達(dá)到控制下位機(jī)的功能。

A/D采集功能：WCTU同時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量主動(dòng)或被動(dòng)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(dòng)、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(diǎn)采用電話線傳送數(shù)據(jù)或使用人工抄錄方式，實(shí)時(shí)性差，費(fèi)用也不便宜。然而WCTU完全的規(guī)避了這些缺點(diǎn)和不足，更加適合于野外、移動(dòng)、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(dòng)自己的采集點(diǎn)，無須擔(dān)心線路的維護(hù)或有線在移機(jī)時(shí)導(dǎo)致的通訊中斷。建設(shè)新的采集點(diǎn)無需進(jìn)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(jià)格低廉、節(jié)約成本，與拉線埋線相比較WCTU其終端價(jià)格比安裝有線的費(fèi)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(jìn)行連接成功后，WCTU與數(shù)據(jù)中心就可以進(jìn)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(bào)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(jī)號碼實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(hù)用戶信息的安全。

9．支持LED燈查看設(shè)備的運(yùn)行情況，可以快速判斷設(shè)備當(dāng)前運(yùn)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(fèi)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(shí)收發(fā)串口數(shù)據(jù)不會(huì)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(shí)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(diǎn)對點(diǎn)傳輸直線可視距離可達(dá)4KM（實(shí)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(jìn)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(jìn)行無線通訊。

WBee通信到底是怎么回事呢？簡單的舉一個(gè)例子就可以說明這個(gè)問題。當(dāng)一隊(duì)特警人員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，每人持有一個(gè)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(dòng)尋找并組網(wǎng)，很快就可以形成一個(gè)互聯(lián)互通的WBee網(wǎng)絡(luò)。而且隨著人員的移動(dòng)，彼此間的位置還會(huì)發(fā)生變化。因而，WBee可以自動(dòng)的通過重新搜索到其它各個(gè)設(shè)備的路由通道來更新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)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(diǎn)是低功耗、低成本、短距離、短延時(shí)、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持中繼、支持加密、速度快等特點(diǎn)。同時(shí)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(qiáng)的可應(yīng)用性。


2.3.1
網(wǎng)狀優(yōu)勢



1、具有強(qiáng)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(jìn)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(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其路由可自動(dòng)建立和維護(hù)，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(diǎn)規(guī)模，一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)最多可以管理達(dá)到65534個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)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(qiáng)



1、WBee 在低信噪比的環(huán)境下，具有很強(qiáng)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(xiàng)目設(shè)計(jì)


本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)與各個(gè)WBee路由節(jié)點(diǎn)兩者構(gòu)成。其中WBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)一邊連接本地控制中心，方便現(xiàn)場工作人員及時(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(fèi)用，且可以利用WBee的I/O跟A/D腳實(shí)時(shí)的采集路燈的工作狀態(tài)，方便管理人員維護(hù)。
GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)主要作用是與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行無線通信使用，通過移動(dòng)運(yùn)營商（移動(dòng)、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(jìn)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(huì)產(chǎn)生一部分的費(fèi)用，路燈管理部門需要支付移動(dòng)運(yùn)營商流量費(fèi)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(gè)遠(yuǎn)程控制中心跟多個(gè)本地控制中心組成：遠(yuǎn)程控制中心通過營運(yùn)商的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)籌管理多個(gè)路燈子系統(tǒng)（一個(gè)WBee自組網(wǎng)），主要的功能是匯集各個(gè)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(gè)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(jìn)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(gè)遠(yuǎn)程控制中心對所有路燈進(jìn)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(shí)也可以根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，進(jìn)行特殊控制，雙中心的兩級控制保證了整個(gè)路由系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。
路燈控制中心實(shí)現(xiàn)的功能是利用運(yùn)營提供的網(wǎng)絡(luò)和WBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，對整個(gè)WBee子網(wǎng)下的路燈控制器進(jìn)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(bào)警、計(jì)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(shí)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(bào)警等信息。可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)度事件、讀取數(shù)據(jù)記錄、監(jiān)視事件和報(bào)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(shí)時(shí)采集太陽能電池板在充電和膠體蓄電池在放電時(shí)，路燈系統(tǒng)電流、電壓、功率因素等數(shù)據(jù)變化，實(shí)時(shí)檢測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
2、電路過載保護(hù)：路燈控制系統(tǒng)提供了電路過載保護(hù)系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)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(dòng)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(jì)好的時(shí)間計(jì)劃自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈開關(guān)時(shí)間。
5、巡檢功能：采集數(shù)據(jù)中心可以自動(dòng)巡測每路路燈的開關(guān)狀態(tài)，出現(xiàn)異常發(fā)送報(bào)警信息，并把異常信息進(jìn)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(shí)開關(guān)路燈。
7、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：強(qiáng)大的Oracle數(shù)據(jù)庫，可以對路燈安裝時(shí)間、地點(diǎn)（坐標(biāo)）、運(yùn)行參數(shù)、工作時(shí)間、功耗等用戶關(guān)心的信息進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，對路燈的異常情況和路燈的處理信息進(jìn)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(jī)或者電腦）查詢?nèi)我鈺r(shí)間段每路路燈數(shù)據(jù)信息，及其運(yùn)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(hù)：可以進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，模塊具備遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和維護(hù)功能，可以對控制器、WBee等控制設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程升級。
10、報(bào)警功能：通過WBee的I/O腳實(shí)時(shí)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(shí)間內(nèi)趕到現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)。通過實(shí)時(shí)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(jìn)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(shí)間段內(nèi)和允許的調(diào)亮范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對路燈功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，通過單片機(jī)控制可控硅的導(dǎo)通腳，對路燈的功率進(jìn)行自動(dòng)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(shí)路燈自動(dòng)關(guān)燈；當(dāng)晚上時(shí)有人或車輛經(jīng)過（移動(dòng)物體）時(shí)，自動(dòng)打開路燈或者增強(qiáng)路燈的亮度；而在一段時(shí)間內(nèi)沒有人或車輛經(jīng)過，自動(dòng)延時(shí)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(cái)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(shí)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(fèi)、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(fèi)用投入巨大，還存在布線麻煩，后期設(shè)備故障維護(hù)困難及費(fèi)用極高等等問題。因此需要尋找一種在社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)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(diǎn)設(shè)計(jì)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(shí)間控制、光照控制的優(yōu)點(diǎn)，無疑是實(shí)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)。