CN101287324B - 一种支持ZigBee的路灯照明遥测、遥信、遥控方法和电子镇流器 - Google Patents

Abstract

一种支持ZigBee的路灯照明遥测、遥信、遥控方法和电子镇流器，其特征在于：采用支持ZigBee的嵌入式处理器/控制器，设有通过SPI总线接口与微控制器相连的支持ZigBee的无线通信模块，支持ZigBee的无线通信模块通过ZigBee与组群控制器与管理监控中心相连，微控制器通过其接收管理监控中心的遥测、遥控指令，遥控单灯或组群路灯，测量路灯参数与状态，并通过其发送遥信、遥测报告至管理监控中心。由于网络节点设备硬件价格低廉，不仅最大程度地降低了网络维护成本、人力和时间，而且允许组建容纳多达六万五千个路灯的高冗余节点的网络，保证网络具有强大的数据采集能力和出错自恢复能力，在个别节点停止工作的情况下仍然可以正常运转。

Description

一种支持ZigBee的路灯照明遥测、遥信、遥控方法和电子镇流器

技术领域

本发明涉及一种支持ZigBee的电子镇流器及其路灯照明遥测、遥信、遥控方法。

背景技术

城市道路照明是城市建设的一个重要组成部分，它对于节约使用电力能源，加强城市管理水平，增强市民满意程度起着重要作用。而现有目前照明节能管理存在的问题包括：降低电压的节能方式造成电污染；无法实时有效地对照明网络***进行管理；半夜灯控制方式，易引发交通安全与治安问题；日趋庞大的管理维护费用。采用先进的电子镇流器的路灯照明三遥(遥测、遥信、遥控)技术是解决上述问题和提高电力***用电管理水平的有效途径之一，例如中国专利CN200410020437.8公告的《照明节电远程监控***》，但是，这种远程监控***受到GSM、CDMA网络蜂窝通信技术规模的限制，单位地域的用户数量不能太多，不适于大规模地同时遥测、遥信、遥控，而且，需要交纳网络运行费用，长年的运行费用，特别是在远程终端单元(Remote Terminal Unit，简称RTU)比较多时，运行费用往往难以被使用RTU的城市管理部门所接收。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提出一种支持ZigBee的路灯照明遥测、遥信、遥控方法。

本发明所要解决的另一个技术问题是提出一种实现上述方法的支持ZigBee的电子镇流器。

对于本发明支持ZigBee的电能数据采集方法来说，其技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种支持ZigBee的路灯照明遥测、遥信、遥控方法的特点是：

依次有以下步骤：

(1)每个支持ZigBee的电子镇流器通电后，启动建立支持ZigBee的自组织网络，包括每个支持ZigBee的电子镇流器建立至ZigBee组群控制器的路由，以及ZigBee组群控制器建立至ZigBee网络中每个电子镇流器的路由表；

(2)每个支持ZigBee的电子镇流器，通过其建立至ZigBee组群控制器的路由，将采集的各回路开关状态、开关“掉电”信息、门开告警信息、网络故障信息、电流、电压超上、下限告警信息等信息遥信至ZigBee与组群控制器；

(3)管理监控中心通过ZigBee组群控制器到ZigBee网络中每个电子镇流器的路由，向每个支持ZigBee的电子镇流器发送遥控指令，手动或根据预先的设定时间对全夜灯、半夜灯和夜景灯的支持ZigBee的电子镇流器进行分别控制，设定的时间可以按天、周、月、年为周期进行设置。

(4)管理监控中心通过ZigBee组群控制器到ZigBee网络中每个电子镇流器的路由，向每个支持ZigBee的电子镇流器发送遥测指令，测定进出线电压、各回路三相电流、功率因数、灯具温度、光敏等信息，支持ZigBee的电子镇流器把上述信息通过ZigBee网络的路由传送到ZigBee组群控制器，以至管理监控中心。

对于本发明的支持ZigBee的路灯照明遥测、遥信、遥控方法来说，其技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

所述建立支持ZigBee的自组织网络是建立Ad hoc网络(Ad hocnetwork)，由每个设有支持ZigBee的无线通信模块的支持ZigBee的电子镇流器形成有组织、有结构、自形成、自恢复的多跳无线网络，支持ZigBee的无线通信模块具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，由网络中的节点本身与本节点周围的节点进行通信，即实现无线通信模块之间以及与管理监控中心之间的通信，这种网络可以独立工作，也可以与IP或GSM/CDMA无线等异构网络连接，在后一种情况中，Ad hoc网络通常是以末端子网即树状网络的形式接入异构网络。

所述支持ZigBee是支持ZigBee联盟(ZigBee Alliance)所主导的无线传感器网络标准，采用IEEE 802.15.4作为其物理层标准，在其之上开发网络层和应用接口协议，并提供产品测试和认证。

所述异构网络即通信信道，包括PSTN电话网络、GSM/CDMA/3G无线网络、IP网络、Wi-Fi、Wi-Max、UWB无线宽带网络，以及光纤、xDSL、ISDN有线宽带网络。

所述每个支持ZigBee的电子镇流器建立至ZigBee组群控制器的路由，包括经至少一个支持ZigBee的电子镇流器或支持ZigBee的中继器建立至ZigBee组群控制器的路由。

所述支持ZigBee的中继器是具备ZigBee网络路由功能，而不具备镇流功能的电子设备，在ZigBee网络中执行存储转发功能。

对于本发明支持ZigBee的电子镇流器来说，其技术问题通过以下技术方案予以解决。

所述支持ZigBee的电子镇流器，高强度气体放电(HID)灯的电源进线端，包括设置在输入端与输出端之间逐级连接的EMI滤波器、整流器、功率因数校正级、逆变级、谐振级、镇流输出级，以及镇流控制级测流、测压、测谐振、测温湿、测线路、测光敏单元、微控制器和支持ZigBee的无线通信模块组成。

所述支持ZigBee的电子镇流器的特点是：

所述微控制器是支持ZigBee的嵌入式处理器/控制器，固化的程序包括多线程实时操作***、ZigBee协议栈、数据安全层、应用支持子层和ZigBee设备管理，负责安全，可靠的信息交换。

设有支持ZigBee的无线通信模块，所述支持ZigBee的无线通信模块由所述微控制器控制，通过SPI总线接口与所述微控制器相连，即支持ZigBee的无线通信模块与镇流控制单元合用所述微控制器，以提高***稳定性，并显著降低***成本。

所述支持ZigBee的无线通信模块通过ZigBee与组群控制器与管理监控中心相连，微控制器通过支持ZigBee的无线通信模块接收管理监控中心的遥控、遥测指令，并将采集的数据遥信至管理监控中心汇整。

对于本发明的支持ZigBee的电子镇流器来说，其技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

所述支持ZigBee的无线通信模块是至少具有以下功能的无线通信模块：

(1)有2.4GHz直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，简称DSSS)通信方式；

(2)低功耗设计；

(3)有SPI接口；

(4)有接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication，简称RSSI)与链路质量指示(link quality indication，简称LQI)支持。

所述支持ZigBee的无线通信模块与微控制器可采用分立接插件结构通过SPI总线接口相连。在支持ZigBee的无线通信模块性能下降时，只要将其单独更换，而不必更换整个电子镇流器，明显延长电子镇流器的使用寿命。

所述支持ZigBee的嵌入式处理器/控制器是至少具有以下功能的嵌入式处理器/控制器：

(1)有足够容量存放ZigBee协议栈的RAM、且Flash程序区可自读写；

(2)固化有遥控、遥测指令接收，电流、电压、谐振、温\湿度、线路状态检测，时段切换，数据运行计算、存贮、发送，存储电子镇流器的地址信息，设定调光基准电平以及支持ZigBee组网通信程序，且有在线编程功能；

(3)有包括中断、复位的异常控制功能；

(4)有EMS电磁防护功能。

所述ZigBee协议栈，包括提供MAC层和网络层的服务、自动形成多跳网络路由和可自主控制的网络拓扑结构，同时在个别节点失效的情况下快速自适应恢复，以实现网络的自组织、自冗余、自恢复、自动睡眠与苏醒，保持电子镇流器极低的能耗，安全层提供***的整体安全机制.保护MAC层、网络或应用层，为了降低存储要求，它们可以分享安全钥匙，应用支持子层通过网络层和安全层与端点相接，并为数据传送、安全和绑定提供服务。

所述ZigBee安全层提供DES、AES、ECC、SSF33空中加密算法，通过编写ZigBee安全层协议方法，分别对MAC，NWK，APL层数据包进行加密处理和解密处理。

所述管理监控中心包括网络监控***、数据库和HTTP服务器，所述网络监控***基于Web数据管理方式，监控ZigBee网络拓扑结构、路由状态、支持ZigBee的电子镇流器的数据、状态信息，并作出及时处置；所述数据库接收各个电子镇流器采集的数据，并对数据进行统计、运算、处理，完成分类、筛选和综合分析，自动生成各种报表；所述HTTP服务器接收来自远程网络浏览器的连接请求，并以客户/服务器的方式向管理部门提供标准的HTTP服务。

本发明与现有技术相比具有以下的优点和有益效果：

本发明方法采用Ad hoc自动组网技术，任何支持ZigBee电子镇流器只要处于无线通信范围内，无须任何安装配置，即可自动加入已有网络，并自动形成信息路由路径，免除了传统抄表网络的烦琐的配置过程，由于网络节点设备硬件价格低廉，不仅最大程度地降低了网络维护成本、人力和时间，而且允许组建容纳多达六万五千个电子镇流器的高冗余节点的网络，保证网络具有强大的数据采集能力和出错自恢复能力，在个别节点停止工作的情况下仍然可以正常运转。此外，本发明方法采用2.4GHz工控频段无线通信，无需国家无线电管理机关批准，不必缴纳频谱占用费用，也不必租用公网，不用缴纳通信费用，可以显著降低运行成本，而且支持ZigBee的无线通信模块是硬币大小的低功耗智能设备，其微小的体积可以降低安装和维护的要求与成本，还可以在特殊环境下应用。

本发明的支持ZigBee的电子镇流器可以取代现有电感或常规电子镇流器，照明管理部门可以利用支持ZigBee的电子镇流器实现照明精细化管理，智能化的检测单灯电流、电压、功率、功率因数、谐振、灯温、灯湿、光敏、线路状态、是否存在窃电等实时信息；调整单灯发光亮度，定时巡检灯负载工作状态；组成群控、组控、点控的照明控制，有效根据环境亮度和节能模式调整单灯负载功率，进一步提高照明节能管理管理水平，实习绿色照明和智能无线控制。

附图说明

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明方法的路灯照明遥测、遥信、遥控方法组成示意图；

图2为本发明的电子镇流器具体实施方式电路组成方框图；

图3为本发明方法的具体实施方式的路灯照明遥信过程示意图；

图4为本发明方法的具体实施方式的路灯照明遥控过程示意图；

图5为本发明方法的具体实施方式的路灯照明遥测过程示意图。

具体实施方式

如图1所示的支持ZigBee路灯照明遥测、遥信、遥控***由支持ZigBee的电子镇流器1、ZigBee组群控制器2和管理监控中心3组成。

支持ZigBee的电子镇流器1，通电后，启动建立支持ZigBee的自组织网络，包括每个支持ZigBee的电子镇流器建立至ZigBee组群控制器2的路由，ZigBee组群控制器2建立至ZigBee网络中每个电子镇流器的路由表。

每个支持ZigBee的电子镇流器1，通过其建立至ZigBee组群控制器2的路由，将采集的常规数据、异常状态数据遥信至ZigBee组群控制器2，由ZigBee组群控制器2再传输至管理监控中心3，同时接收来自管理监控中心3的遥测、遥控指令。

管理监控中心3通过ZigBee组群控制器2到ZigBee网络中每个电子镇流器的路由，向每个支持ZigBee的电子镇流器1发送遥测、遥控指令，在汇整电子镇流器的常规数据、异常状态后，对指定的电子镇流器操作指令。

如图2所示的支持ZigBee的电子镇流器，直接安装于高强度气体放电(HID)灯的电源进线前端10，包括设置在输入端与输出端之间逐级连接的EMI滤波器11、全桥整流器12、PFC功率因数校正级13、逆变器14、谐振电路15、HID灯16，以及输入\出及线路检测电路17、高压触发电路18、逆变驱动电路19、谐振信号测量20、峰值电压测量21、负载电流测量22、温\湿测量25、光敏测量26、微控制器24、支持ZigBee的无线通信模块23和其它通信模块27组成。内部电源电路为本领域熟练的技术人员公识，故不在图2标注。

支持ZigBee的电子镇流器有三个部分构成：常规电子镇流器、微处理器控制和通信模块。

在输入端与输出端之间逐级连接的EMI滤波器11、全桥整流器12、PFC功率因数校正级13、逆变器14、谐振电路15、HID灯16，为本领域熟练的技术人员公识的常规电子镇流器的组成模块。

本发明中的微控制器24是Freescale公司出品的型号为MC68HC908LJ24的支持ZigBee的嵌入式微控制器，8MHZ内部总线频率，768字节片内RAM，24K片内FLASH程序存储器，具有在线编程能力和保密功能，运行电压比较低，功耗小，使用电池即可完成供电，其自带实时时钟模块和LCD驱动模块，特别适用于智能仪表。

微控制器24固化的程序包括多线程实时操作***、ZigBee协议栈、数据安全层、应用支持子层、ZigBee设备管理和照明控制程序(存储电子镇流器的地址信息、设定调光基准电平、接受组群控制器指令、接受并发送电子镇流器检测的信息到组群控制器)，负责整个完全、精确的照明环境控制和安全、可靠的信息交换。

输入\出及线路检测电路17受微处理器24所控制，通过EMI滤波器11检测线路状态、同时向EMI滤波器11发送开\关信号。

功率因数测量28可编程采集功率因数，并传送到微处理器24。

高压触发电路18受微处理器24所控制，向逆变器14发送点火高压脉冲控制信号。

谐振信号测量20提供谐振电路15中电流信号，微处理器24接收并处理该信号，并通过逆变驱动电路19控制逆变器14的工作模式。

微处理器24产生基准调光电平，通过逆变驱动电路19控制逆变器14的负载功率。

峰值电压测量21受微处理器24所控制，由隔离、滤波、限幅几部分组成，A/D转换传送到微处理器24。

负载电流测量22受微处理器24所控制，电流采样电路与电压采样电路结构类似，只是将电压信号通过电阻转化为电流信号后进行采集。

温\湿测量25可编程采集温度\湿度信号，经放大、滤波和A/D转换并送到微处理器24。

光敏测量26可编程采集光敏信号，经放大、滤波和A/D转换并送到微处理器24。

设有由微控制器24控制的支持ZigBee的无线通信模块23，它通过SPI总线接口与微控制器24相连，并通过ZigBee组群控制器2与管理监控中心3相连，微控制器24通过支持ZigBee的无线通信模块23接收管理监控中心3的遥测、遥控指令，并将采集的数据遥信至管理监控中心3汇整。

支持ZigBee的无线通信模块23包括Freescale公司出品的型号为MC13192/1的双向2.4GHz射频数据调制解调器、时钟电路，平衡与非平衡电路和天线，所述射频数据调制解调器根据IEEE 802.15.4标准设计，采用ZigBee技术，具有优化的数字核心，有助于降低处理功率，缩短执行周期，使用电池即可完成供电。

其它通信模块27包括RS232/485，与PLC通信，人工手动控制接口等本领域熟练的技术人员公识的其他通信模式的模块。

固化的程序包括提供电子镇流器高压触发、测流、测压、测谐振、测温湿、测线路、测光敏、调光管理等服务的应用程序，提供其它通信服务的通信应用程序，提供对网络层参数进行配置和访问的ZigBee设备***程序，它们共同使用802.15.4和ZigBee协议栈提供的服务。

本发明方法的路灯照明遥测、遥信、遥控方法包括路灯照明遥信方法、路灯照明遥控方法、路灯照明遥测方法(1)、路灯照明遥测方法(2)。

如图3所示的路灯照明遥信方法，依次有以下步骤：

(1)每个支持ZigBee的电子镇流器1将采集的信息存储在缓冲器内等待发送；

(2)在下一发送时隙前，如果有相同目标地址的数据，就汇聚成数据包，按照自组织网络的路由，将数据包发送到下一个支持ZigBee的电子镇流器1；

如果到达的不是ZigBee组群控制器2，就按照路由表将数据包发送到下一个支持ZigBee的电子镇流器1；

如果到达的是ZigBee组群控制器2，就由ZigBee组群控制器2将数据包通过异构网络发送到管理监控中心3。

如图4所示的路灯照明遥控方法过程，依次有以下步骤：

(1)管理监控中心3通过异构网络发送遥控(群控、组控、点控)指令给ZigBee组群控制器2；

(2)ZigBee组群控制器2检查遥控指令是否是对本身的群控或组控，如果不是对本组群的群控、组控、点控，结束；如果是对本群组的群控、组控、点控，执行(3)。

(3)检查是对本组群控制器的点控，如果是，执行控制指令，结束；如果否，执行(4)

(4)按照自组织网络的路由，由ZigBee组群控制器2中继将遥控指令发送到下一个支持ZigBee的节点；

(5)如果下一个支持ZigBee的节点是目标节点，执行控制指令；

如果下一个支持ZigBee的节点不是目标节点，按照自组织网络的路由，继续将遥控指令发送到再下一个支持ZigBee的节点，直至发送到目标节点。

如图5所示的路灯照明遥测方法过程，依次有以下步骤：

(1)管理监控中心3通过异构网络发送遥测(群测、组测、点测)指令给ZigBee组群控制器2；

(2)ZigBee组群控制器2检查遥测指令是否是对本身的群测或组测，如果不是对本组群的群测、组测、点测，结束；如果是对本群组的群测、组测、点测，执行(3)。

(3)检查是对本组群控制器的点测，如果是，执行控制指令，发送报告回传数据监控中心，结束；如果否，执行(4)

(4)按照自组织网络的路由，由ZigBee组群控制器2中继将遥测指令发送到下一个支持ZigBee的节点；

(5)如果下一个支持ZigBee的节点是目标节点，执行测量指令，发送报告回传数据监控中心；

如果下一个支持ZigBee的节点不是目标节点，按照自组织网络的路由，继续将遥测指令发送到再下一个支持ZigBee的节点，直至发送到目标节点。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的熟练的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种支持ZigBee的电子镇流器，直接安装于高强度气体放电(HID)灯的电源进线端，包括设置在输入端与输出端之间逐级连接的EMI滤波器、整流器、功率因数校正级、逆变级、谐振级、镇流输出级，以及镇流控制级测流、测压、测功率因数、测谐振、测温湿、测线路、测光敏单元、微控制器和支持ZigBee的无线通信模块组成；

所述支持ZigBee的电子镇流器的特点是：

所述微控制器是支持ZigBee的嵌入式处理器/控制器，固化的程序包括多线程实时操作***、ZigBee协议栈、数据安全层、应用支持子层和ZigBee设备管理和照明控制程序；

设有支持ZigBee的无线通信模块，所述支持ZigBee的无线通信模块由所述微控制器控制，通过SPI总线接口与所述微控制器相连，即支持ZigBee的无线通信模块与镇流控制单元合用所述微控制器；

所述支持ZigBee的无线通信模块通过ZigBee与组群控制器与管理监控中心相连，微控制器通过支持ZigBee的无线通信模块接收管理监控中心的遥控、遥测指令，并将采集的数据遥信至管理监控中心汇整；

所述支持ZigBee的无线通信模块是至少具有以下功能的无线通信模块：

(1)有2.4GHz直接序列扩频通信方式；

(2)低功耗设计；

(3)有SPI接口；

(4)有接收信号强度指示与链路质量指示支持；

所述支持ZigBee的嵌入式处理器/控制器是至少具有以下功能的嵌入式处理器/控制器：

(1)有足够容量存放ZigBee协议栈的RAM、且Flash程序区可自读写；

(2)固化有遥控、遥测指令接收，电流、电压、谐振、温\湿度、线路状态检测，时段切换，数据运行计算、存贮、发送，存储电子镇流器的地址信息，设定调光基准电平以及支持ZigBee组网通信程序，且有在线编程功能；

(3)有包括中断、复位的异常控制功能；

(4)有EMS电磁防护功能。

2.根据权利要求1所述的支持ZigBee的电子镇流器，其特征在于：

所述ZigBee协议栈，包括提供MAC层和网络层的服务、自动形成多跳网络路由和可自主控制的网络拓扑结构，安全层提供***的整体安全机制，保护MAC层、网络或应用层，应用支持子层通过网络层和安全层与端点相接，并为数据传送、安全和绑定提供服务。

3.根据权利要求2所述的支持ZigBee的电子镇流器，其特征在于：

所述ZigBee安全层提供DES、AES、ECC、SSF33空中加密算法，通过编写ZigBee安全层协议方法，分别对MAC，NWK，APL层数据包进行加密处理和解密处理。

4.一种使用如权利要求3所述电子镇流器的支持ZigBee的路灯照明遥测、遥信、遥控方法，其特征在于：

依次有以下步骤：

(1)每个支持ZigBee的电子镇流器通电后，启动建立支持ZigBee的自组织网络，包括每个支持ZigBee的电子镇流器建立至ZigBee组群控制器的路由，以及ZigBee组群控制器建立至ZigBee网络中每个电子镇流器的路由表；

(2)每个支持ZigBee的电子镇流器，通过其建立至ZigBee组群控制器的路由，将采集的各回路开关状态、开关“掉电”信息、门开告警信息、网络故障信息、电流、电压超上下限告警信息遥信至ZigBee组群控制器；

(3)管理监控中心通过ZigBee组群控制器到ZigBee网络中每个电子镇流器的路由，向每个支持ZigBee的电子镇流器发送遥控指令，手动或根据预先的设定时间对全夜灯、半夜灯和夜景灯的支持ZigBee的电子镇流器进行分别控制，设定的时间按天、周、月或年为周期进行设置；

(4)管理监控中心通过ZigBee组群控制器到ZigBee网络中每个电子镇流器的路由，向每个支持ZigBee的电子镇流器发送遥测指令，测定进出线电压、各回路三相电流、功率因数、灯具温度、光敏信息，支持ZigBee的电子镇流器把上述信息通过ZigBee网络的路由传送到ZigBee组群控制器，以至管理监控中心。

5.根据权利要求4所述的支持ZigBee的路灯照明遥测、遥信、遥控方法，其特征在于：

所述建立支持ZigBee的自组织网络是建立Ad hoc网络，由每个设有支持ZigBee的无线通信模块的电子镇流器形成有组织、有结构、自形成、自恢复的多跳无线网络，支持ZigBee的无线通信模块具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，由网络中的节点本身与本节点周围的节点进行通信。

6.根据权利要求4或5所述的支持ZigBee的路灯照明遥测、遥信、遥控方法，其特征在于：

所述支持ZigBee是支持ZigBee联盟所主导的无线传感器网络标准，采用IEEE 802.15.4作为其物理层标准，在其之上开发网络层和应用接口协议，并提供产品测试和认证。

7.根据权利要求6所述的支持ZigBee的路灯照明遥测、遥信、遥控方法，其特征在于：

所述每个支持ZigBee的电子镇流器建立至ZigBee组群控制器的路由，包括经至少一个支持ZigBee的电子镇流器或支持ZigBee的中继器建立至ZigBee组群控制器的路由。

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