隨著我國工業(yè)自動化的不斷發(fā)展和提高，工業(yè)自動化技術廣泛應用于各個領域。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。據統(tǒng)計，國內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。本文是基于無線網絡通信技術，設計了一套采用WBee/WCTU實現(xiàn)的路燈智能控制系統(tǒng)。
1、WCTU技術


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（RS232、RS485、RS422、TTL、A/D、I/O）轉換為IP數(shù)據進行傳輸或者反向轉換把IP數(shù)據轉為接口數(shù)據進行傳輸?shù)臒o線終端設備。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備，是工控行業(yè)應用中集控制、采集、傳輸、短信為一體的必備通信產品。

WCTU兼容多種網絡制式：支持LTE、HSPA+、HSPA、TD-SCDMA、EVDO、EDGE、CDMA、GPRS多種網絡制式；完美支持電信/移動/聯(lián)通國內三大運營商2G/3G/4G網絡；支持2G/3G/4G網絡制式智能切換，保證設備工作在最好的網絡制式下，使設備處于高效、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備。由于WCTU登陸網絡時，通過運營商網絡認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)據中心具備固定的公網IP地址或域名。數(shù)據中心的公網IP地址或域名作為參數(shù)存儲在WCTU內，以便WCTU一旦上電撥號成功，就可以主動連接到數(shù)據中心。然后前端采集設備就可以通過WCTU的串口跟數(shù)據中心進行數(shù)據交互，實現(xiàn)數(shù)據中心遠程監(jiān)控的功能。

WCTU還提供了網絡或短信的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I/O電平變化符合預設的狀態(tài)時，WCTU會通過網絡或短信向服務器或指定的手機號上發(fā)送報警信息，從而達到報警功能，及時聯(lián)系相關人員處理，減少損失。

I/O控制功能：用戶可通過網絡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備通過監(jiān)視引腳的變化來做相應的動作，從而達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)據進行實時采集，并轉換成數(shù)據量主動或被動的上傳到遠程服務器上。


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，無須擔心線路的維護或有線在移機時導致的通訊中斷。建設新的采集點無需進行拉線，埋線等工作，較使用光纖或專線安裝投資較少，設備安裝方便。

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)據中心進行連接成功后，WCTU與數(shù)據中心就可以進行雙向數(shù)據傳輸。

4．數(shù)據傳送可靠：WCTU適合頻繁的突發(fā)型數(shù)據業(yè)務及其大量的數(shù)據轉發(fā)業(yè)務，支持TCP/IP通信，通信質量穩(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，相關管理人員可以通過指定的手機號碼實時的控制設備跟修改WCTU配置。

7．支持網絡控制、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燈查看設備的運行情況，可以快速判斷設備當前運行狀態(tài)，方便管理人員快速處理。

10．支持在線遠程升級，不用在擔心由于設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．支持通信串口和調試串口分離模式，設備調試期間，不影響正常的數(shù)據傳輸。

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




2、WBee技術



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)網無線短距離數(shù)據采集、傳輸設備，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、低復雜度、自組織、低功耗、小數(shù)據量、低成本，帶采集和控制功能的無線自組網采集控制終端。WBee發(fā)射功率達到業(yè)界最高值27dbm，接收靈敏度達到≤-126dbm，收發(fā)實測直線距離可以達到4000米，解決了一些短距離傳輸設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，是由廈門為那通信科技有限公司自主研發(fā)的產品。WBee通信技術采用蜂窩式自組織網通信方式，點對點傳輸直線可視距離可達4KM（實測值）。了解無線通訊的人都知道，各種無線通訊技術，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。當一隊特警人員在執(zhí)行任務時，每人持有一個WBee網絡模塊終端，只要他們彼此間在網絡模塊的通信范圍內，通過彼此自動尋找并組網，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的WBee網絡。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備的路由通道來更新網絡結構，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的自組網絡主要特點是低功耗、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，且網絡搭建便捷，因此WBee作為一款短距離無線通信設備，在短距離傳輸領域中具有非常強的可應用性。


2.3.1
網狀優(yōu)勢



1、具有強大的網絡結構，WBee自組網絡可以通過多級中繼路由的方式進行更遠距離傳輸，通信距離遠遠超過ZigBee、WIFI、藍牙的傳輸距離。

2、是一種特殊的點對點、點對多點的網絡結構，其路由可自動建立和維護，具備自組織、自愈功能。

3、網絡結構還可以組成極為復雜的網絡，可采用星狀、片狀和網狀等多種網絡結構，具有很大的路由深度和網絡節(jié)點規(guī)模，一個協(xié)調節(jié)點最多可以管理達到65534個節(jié)點的大網。

4、利用WBee自組網特性，設備的增加或者減少不影響整個WBee通信結構，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 技術在相同的環(huán)境中，抗干擾性能遠遠好于ZigBee、藍牙和WIFI。

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



2.3.3
數(shù)據安全性



WBee支持完善三級安全模式，包括無安全設定（廣播）、使用訪問控制（指定目的地址） 防止非法獲取數(shù)據以及采用高級加密標準的加密方式，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)據傳輸?shù)陌踩�，防止�?shù)據在傳輸中被截取或篡改。
一、系統(tǒng)項目設計


本系統(tǒng)設計采用的是WBee和WCTU兩種無線傳輸設備，分別采用WBee自組網網絡與GPRS（2G/3G/4G）網絡。
WBee自組網網絡是通過WBee協(xié)調器節(jié)點與各個WBee路由節(jié)點兩者構成。其中WBee協(xié)調器節(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網絡把WBee自組網與遠程控制中心連接起來，形成遠程控制功能；從而起到組建和管理自組網功能。WBee路由節(jié)點主要是用于自身數(shù)據收發(fā)和轉發(fā)其他路由節(jié)點的數(shù)據，起到自主轉發(fā)，自主修復功能。所以WBee自組網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網絡主要作用是與遠程服務器進行無線通信使用，通過移動運營商（移動、聯(lián)通、電信）無線網絡基站跟數(shù)據中心聯(lián)網通信，對路燈進行數(shù)據采集及其控制的作用，所以這部分的數(shù)據傳輸會產生一部分的費用，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)是由一個遠程控制中心跟多個本地控制中心組成：遠程控制中心通過營運商的網絡統(tǒng)籌管理多個路燈子系統(tǒng)（一個WBee自組網），主要的功能是匯集各個WBee子系統(tǒng)采集的路燈相關數(shù)據，并執(zhí)行相應的控制指令。另外一個是本地控制中心（WBee自主網網絡），主要是采集WBee子系統(tǒng)的數(shù)據，并對數(shù)據進行分析及其控制。路由控制系統(tǒng)使用本地控制跟遠程控制的方式。保證了通過一個遠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，達到路燈管理的高度集中化跟智能化。同時也可以根據現(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絡和WBee協(xié)調節(jié)點，對整個WBee子網下的路燈控制器進行遠程數(shù)據采集和控制，包括路燈參數(shù)配置、控制路燈開關、亮度調節(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，能夠實時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)實時調度事件、讀取數(shù)據記錄、監(jiān)視事件和報警應答等操作。
1、數(shù)據采集功能：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)據變化，實時檢測設備的運行狀態(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)據進行分析處理，保證負載處于合理范圍內，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)，通過智能控制器設置的參數(shù)，讓路燈按預先設計好的時間計劃自動調節(jié)路燈開關時間。
5、巡檢功能：采集數(shù)據中心可以自動巡測每路路燈的開關狀態(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：遠程控制中心可以隨意開關任何一盞路燈并可以支持全開或者全關路燈，可以設置定時開關路燈。
7、數(shù)據存儲：強大的Oracle數(shù)據庫，可以對路燈安裝時間、地點（坐標）、運行參數(shù)、工作時間、功耗等用戶關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)據查詢：遠程控制中心可以通過互聯(lián)網（手機或者電腦）查詢任意時間段每路路燈數(shù)據信息，及其運行狀態(tài)，并可以對路燈路的歷史數(shù)據查詢。
9、遠程維護：可以進行遠程網絡維護，模塊具備遠程參數(shù)設置和維護功能，可以對控制器、WBee等控制設備進行遠程升級。
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，遠程控制中心可以準確獲取故障燈的位置信息，并通過控制中心的短信服務器發(fā)送短信告訴相關工作人員。工作人員可以在最短時間內趕到現(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)，在限定的時間段內和允許的調亮范圍內實現(xiàn)對路燈功率的自動調節(jié)功能，通過單片機控制可控硅的導通腳，對路燈的功率進行自動調節(jié)。智能感應功能，當白天出現(xiàn)光線達到預期要求時路燈自動關燈；當晚上時有人或車輛經過（移動物體）時，自動打開路燈或者增強路燈的亮度；而在一段時間內沒有人或車輛經過，自動延時后關閉路燈或者減弱路燈亮度。已到達到減少電力的功耗，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、無法遠程監(jiān)控以及故障維修反應效率低等現(xiàn)象。如果使用布線的方式達到遠程控制的目的，不僅設備和施工費用投入巨大，還存在布線麻煩，后期設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、應用前景等方面考慮�；�于無線網絡傳輸技術，利用WBee/WCTU無線通信技術特點設計一套無線自組織蜂窩型網絡路燈遠程控制系統(tǒng)，然后在結合傳統(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。