关键词 ZigBee技术 RFID技术 城市照明智能无线监控网 单灯监控 节能防盗
一、城市照明监控系统现状及问题随着无线通信技术和计算机技术的飞速发展，起源于上个世纪90年代初的城市照明监控技术也有了长足的发展，城市照明监控网俗称“三遥”系统，其主要功能有：
1.遥控:对远端的研究对象和目标进行控制，系统按照控制中心主控机上的各项参数和控制目标对远端执行机构进行控制。
2.遥测:对被测对象的参数进行远距离的间接测量，也就是系统具有实时获取远程现场的各项模拟量参数的功能。
3.遥信:把被控对象的动作结果和故障信息送回到控制端，也就是系统具有实时获取远程现场的各项开关量参数的功能。
4.数据处理:系统具有将RTU(Remote TerminalUnit远程控制终端)采集到的实时数据处理加工成相应的报表，提交给系统管理人员或上级管理机构的能力。
5.报警处理:系统具有根据RTU的采集量进行声光报警的功能。
根据近年来数字化城市建设和节能需求，城市照明监控网又增加了“遥调”、“遥视”的新功能，俗称“四遥”或“五遥”。 “遥调”就是根据城市照明电网的实际情况和各时间段不同的照明要求，自动调整电压、电流等开关量，以达到既节能又保证照明功效的目的。而“遥视”则是通过安装现场视频监视系统的手段，以达到更直观地监控目标、防盗、展示城市形象的目的。
目前国内应用的城市照明监控系统主要有南京理工科技系统有限公司开发的SCADA-LD2000城市路灯亮化无线监控系统、山东泰安地天泰新技术开发有限公司开发的LDWSC城市路灯智能监控系统、中国电子科技集团第五十研究所开发的WJ系列无线多媒体路灯监控系统、辽宁丹东三安技术发展有限公司开发的SA路灯监控管理系统等，归纳起来，这些系统存在的主要问题在于：
1．精度不高。
只能达到基站级别（路灯控制箱），最多到回路，精度不高，还远未达到单灯监控的水平，更不能体现智能化。虽说可根据所测电流量与数据库中所存标准值进行比较，从而计算出亮灯率、功率因素等参数，但由于现场状况多变，监控手段所限，仍然停留在估算的水平上，根据回路电流估值本身并不精确，参考价值也就大打折扣。而要达到单灯监控，采用怎样的通讯手段和方案、如何控制成本，都将是困扰其实现的难题。
2．不能适应节能及监控新光源要求。
近年来，能源问题日趋紧张，国家大力宣传在城市照明行业发展节能新技术，采用节能新光源，倡导“绿色照明”新观念。为顺应国家能源战略的总体要求，各种路灯节能设备在城市照明行业得到普遍应用，但目前采用的节能器，大多设置在控制箱端，体积庞大，控制线路长、设备多，因而节能效果也受到一定限制。尤其引人注目的是，大批光伏照明产品在各大中城市陆续登场，太阳能路灯、太阳能景观灯在生活中已习以常见。而如何对呈分散分布的太阳能灯实施监控，达到“分散测控，集中管理”的要求，也已成为新光源推广使用中的迫切难题。
3．盗失严重，管理乏术。
随着城市建设规模的迅速扩展，市政公用设施的管理已成为一个老大难问题。仅在如何防止盗失方面，各地方各行业就此想了很多办法，比如加固设施，派专人巡查，加大处罚力度，甚至组建机构、招募人员，可以说不遗余力，想尽了方法。但道高一尺，“盗”高一丈，公用设施被盗事件仍层出不穷，防范效果并不显著。原因主要是监控周期长，监控范围大而目标分散，单纯依靠人力毕竟不是科学和长久之计。
现代信息技术的飞速发展，给提高城市的管理水平提供了新的机遇，GIS（地理信息系统）技术已在“数字化”城市的许多领域大显身手。而城市照明作为城市市政公用设施的一个子项，其线路复杂、节点众多、分布范围广而变化频繁的特点也迫切需要新信息技术的支持。
笔者就以上的问题进行思考，参考现代信息技术中的热点：ZigBee技术、RFID（无线射频识别）技术、GIS技术，设想在有机结合这些新技术的基础上，仍然利用城市公用数据网（一级主干网，VPN公网）作为现场基站和监控中心的信息传输途径，在照明现场组建微型无线监控网（二级子网，无线局域网），采用“接力”方式构建整个城市照明监控网，从而克服由于现场环境（地理位置、供电条件、节点状况）变化对监控效果的干扰，达到：一、迅速而精确地采集现场数据；二、动态监测现场设备运行状况；三、全面了解、及时更新照明设施数据库（局部和全局）的三重目标。彻底解决“最后1公里、甚至100米、10米”的数据通信问题。
二、新一代无线通讯技术背景：
1．ZigBee技术RFID技术ZigBee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。而这两项技术都使用电波的方式作无线信息传输，二者之间有着紧密的联系，前者是复数节点互连互通的网络系统，而后者是一种标示和对个体的识别。把后者的电子标签设在前者的节点上可以进行数据传输和控制，使两者有机地结合在一起，可以派生出无穷的应用来。
ZigBee是个仿生学名词，来源于蜂群中蜜蜂相互通讯时的螺旋形“Z”字舞蹈。ZigBee伴随着短距离无线通信技术、即无线个人局域网（WPAN）的应用需求而迅速发展，使用免费的工业、科学、医疗专用频段（2.4G-ISM），它是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率（20～250KB/s）、低成本、高可靠性、高容量、高安全的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。其主要特点可以概括为“三低两高”：
（1）近距离：传输范围一般在10～100m之间，在增加RF发射功率后，也可增加到1-3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远（2）低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比之下蓝牙只可以工作数周、WiFi只能工作数小时；（3）低成本：通过大幅简化协议使成本很低（不足蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee的协议专利免费（4）高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点（设备）管理若干子节点（设备），最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网；（5）高可靠性：ZigBee技术中，由于采用网状网拓扑结构，自动路由，动态组网，直序扩频（DSSS）的方式。因而抗干扰性强，能够很好适应工业自动化控制现场的复杂状况。
通常，符合如下条件之一的短距离通信就可以考虑应用ZigBee：
（1）需要数据采集或监控的网点多；（2）要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；（3）要求数据传输可靠性高，安全性高；（4）要求设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；（5）可以用电池供电；（6）地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；（7）对于那些现有的移动网络的盲区进行覆盖；（8）已经使用了现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。
相比其它无线技术：ZigBee的系统复杂性要远小于蓝牙等其它无线通讯系统。这可以从它的协议栈的参考模型 （图1）中看出。ZigBee协议栈简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ZigBee需要系统资源约28Kb；蓝牙协议栈相对复杂，它需要系统资源约为250Kb。因此网络的整体成本比较低。从这一点来说，ZigBee非常适合有大量终端设备的网络，如传感网络、楼宇自动化等。
2．GIS技术近年来，“数字城市”的概念愈来愈为人们所瞩目，而“GIS”技术在这一领域的应用可谓已呈星火燎原之势。
GIS（Geographic Information System）即地理信息系统是在计算机软硬件支持下，以采集、存贮、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题等为主的计算机系统。GIS在市政工程基础设施方面可为政府和企业提供极为有力的管理、规划和决策工具，主要用于公共供应网络（水、电、气）、电信、交通、道路配套设施等方面。GIS技术通过与网络技术（Web GIS）和工业控制技术（移动和嵌入式GIS）的紧密配合，可以实现宏观和微观的沟通，对日新月异的城市建设提供数字化管理的强大支持。其意义无庸赘述。
国内将GIS系统应用于城市照明管理的单位并不多，目前比较成功的只有常州市，常州市路灯地理信息系统由常州市城市照明管理处与武汉中地数码联合开发，能实现照明线路、设施与现场实物一一对应，并在此基础上进行查询、定位、统计、报表输出等一系列活动。但也仅限于静态管理，如何与监控系统有机结合，以至能够动态更新设备数据库，仍存在较大困难。
3．RFID技术RFID是射频识别技术的英文(radio frequencyidentification)的缩写，射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。
RFID的工作原理是：标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(即passive tag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(即active tag，有源标签或主动标签)，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
RFID技术由auto-id中心开发，其应用形式为标记(tag)、卡和标签(label)设备。 标记设备由RFID芯片和天线组成，标记类型分为三种：自动式，半被动式和被动式。现在市场上开发的基本上是被动式RFID标记，因为这类设备造价较低，且易于配置。
被动标记设备运用无线电波进行操作和通信，信号必须在识别器允许的范围内，通常是10英尺(约3米)。
RFID芯片可以是只读的，也可是读/写方式，依据应用需求决定。被动式标记设备采用e2prom(电擦写可编程只读存储器)，便于运用特定电子处理设备往上面写数据。一般标记设备在出厂时都设定为只读方式。auto-id规范中还包含有死锁命令，以在适当情形下阻止跟踪进程。
设想以单杆路灯为单位设立一张标签，一项工程竣工后，汇总数据将被保存在路由节点或协调器节点中。必要时，启动节点中的读取程序，可在瞬时完成统计，更新数据。
三、基于新一代无线通信技术的城市照明智能监控方案考虑到城市照明的具体实施条件，可以设想：城市照明智能监控网由“中心——子站——路由——终端”四层结构组成，其中中心为城市照明监控中心机房，子站为协调器节点，即局域网中心，子站、路由为全功能器件（FFD）担当，终端为单个照明点，由简化功能器件（RFD）担当。
控制中心为城市照明控制的心脏，应考虑中心机房的建设，并配有光纤宽带专线接入和大屏幕显示设备。
子站应考虑配备功能较强的微处理器终端，以承担组织子网、数据初步处理及存贮、转发的任务。
路由的设置完全依据照明现场需要，如信息传输路径单一，结构简单，完全可与普通终端等同。
鉴于此，可做两套方案选择：
方案一完全以ZigBee组网，以城市道路为经纬设置路由。
集成监控与管理的软件平台。
方案二以GSM/GPRS为主干网。
以ZigBee为二级子网。
集成监控与管理的软件平台。
对于方案一，可结合城市管理的其它行业，有效整合资源，在试点成功的基础上，选择成熟的产品和方案，再做全面推行，从而取得最好效益。在此不作深入讨论。现仅就城市照明监控的现状，在现有监控 一、城市照明监控系统现状及问题随着无线通信技术和计算机技术的飞速发展，起源于上个世纪90年代初的城市照明监控技术也有了长足的发展，城市照明监控网俗称“三遥”系统，其主要功能有：
1.遥控:对远端的研究对象和目标进行控制，系统按照控制中心主控机上的各项参数和控制目标对远端执行机构进行控制。
2.遥测:对被测对象的参数进行远距离的间接测量，也就是系统具有实时获取远程现场的各项模拟量参数的功能。
3.遥信:把被控对象的动作结果和故障信息送回到控制端，也就是系统具有实时获取远程现场的各项开关量参数的功能。
4.数据处理:系统具有将RTU(Remote TerminalUnit远程控制终端)采集到的实时数据处理加工成相应的报表，提交给系统管理人员或上级管理机构的能力。
5.报警处理:系统具有根据RTU的采集量进行声光报警的功能。
根据近年来数字化城市建设和节能需求，城市照明监控网又增加了“遥调”、“遥视”的新功能，俗称“四遥”或“五遥”。 “遥调”就是根据城市照明电网的实际情况和各时间段不同的照明要求，自动调整电压、电流等开关量，以达到既节能又保证照明功效的目的。而“遥视”则是通过安装现场视频监视系统的手段，以达到更直观地监控目标、防盗、展示城市形象的目的。
目前国内应用的城市照明监控系统主要有南京理工科技系统有限公司开发的SCADA-LD2000城市路灯亮化无线监控系统、山东泰安地天泰新技术开发有限公司开发的LDWSC城市路灯智能监控系统、中国电子科技集团第五十研究所开发的WJ系列无线多媒体路灯监控系统、辽宁丹东三安技术发展有限公司开发的SA路灯监控管理系统等，归纳起来，这些系统存在的主要问题在于：
1．精度不高。
只能达到基站级别（路灯控制箱），最多到回路，精度不高，还远未达到单灯监控的水平，更不能体现智能化。虽说可根据所测电流量与数据库中所存标准值进行比较，从而计算出亮灯率、功率因素等参数，但由于现场状况多变，监控手段所限，仍然停留在估算的水平上，根据回路电流估值本身并不精确，参考价值也就大打折扣。而要达到单灯监控，采用怎样的通讯手段和方案、如何控制成本，都将是困扰其实现的难题。
2．不能适应节能及监控新光源要求。
近年来，能源问题日趋紧张，国家大力宣传在城市照明行业发展节能新技术，采用节能新光源，倡导“绿色照明”新观念。为顺应国家能源战略的总体要求，各种路灯节能设备在城市照明行业得到普遍应用，但目前采用的节能器，大多设置在控制箱端，体积庞大，控制线路长、设备多，因而节能效果也受到一定限制。尤其引人注目的是，大批光伏照明产品在各大中城市陆续登场，太阳能路灯、太阳能景观灯在生活中已习以常见。而如何对呈分散分布的太阳能灯实施监控，达到“分散测控，集中管理”的要求，也已成为新光源推广使用中的迫切难题。
系统的基础上，重点探讨方案二的实施步骤：
1．利用ZigBee技术组建照明现场无线监控二级网根据以上所述可以看出，ZigBee的最大特点就是高度的灵活性和低成本。城市照明监控网所要求的多节点、低数据流量、体积小、成本低、高可靠性、网络覆盖广等特点，ZigBee系统都能予以满足。
首先，通过使用覆盖距离不同、功能不同的Zigbee网络节点，以及其它非ZigBee系统的低成本的无线收发模块，建立起一个Zigbee局部自动化控制网，（这个网络可以是星型，树状，网状及其共同组成的复合网结构），再通过互联网或移动网与远端的计算机相连，从而实现低成本，高效率的工业自动化遥测遥控。其次，IEEE802.15.4低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。在802.15.4中定义了14个物理层基本参数和35个媒体接入控制层基本参数，总共为49个，仅为蓝牙的三分之一。这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。在802.15.4中定义了两种器件：全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)。
所谓全功能器件，就是指其具备ZigBee协议所要求的49个基本参数。所以，根据需要，可以将一个全功能器件配置成任意功能的ZigBee节点。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持ZigBee协议中的38个基本参数，在一个ZigBee网络中，其只能起部分功能。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按3种方式工作，分别为：局域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。
协调器节点(Coordinator)负责建立ZigBee网络，之后，它的作用就和路由节点(Router)一样，负责路由和转发数据，并且维持ZigBee网络。每个节点，不论是传感器节点(SensorPoint)、路由节点(Router)还是协调器节点(Coordinator)都具有传感、信号处理和无线通信功能，它们既是数据的发起者，也是数据的转发者。通过网络自组织和多跳路由，将数据向协调器节点发送。协调器节点既可以使用RS232方式亦可以使用无线方式与外部通信，大规模的应用可使用多个协调器节点即多个ZigBee网络。
每个ZigBee网络由不同的标识符标识，网络之间可以通过协调器节点进行通讯。
2．利用监控与GIS技术的结合构建城市智能照明监控网的动态数据管理系统城市照明涉及到的数据主要有两类：一为静态的，即设施库，如线路长度、灯盏数、控制箱等。二是动态的，即工作参数：如电流、电压、亮灯率、功率因素等。静态数据也可能发生动态变化，如工程改造，发生盗失等。常见的信息管理系统比较擅长静态数据的处理，如GIS。而监控系统则主要用于对动态变化的对象进行管理。
设想为每个监控对象（如一盏路灯）建立现场档案（RFID标签），既存贮静态数据、也存贮动态数据，工程竣工或改造完成后，对现场数据进行读写并保存于各自的存储器中（也可存放于各中心节点）。
当监控中心需更新数据库时，通过网络调用各个节点的现场数据，并与中心原始数据进行对照，即可得到最新结果。
3．利用ZigBee技术与RFID技术结合建立防盗报警网ZigBee网络的及时通信功能结合RFID标签的识别存储功能相结合，能迅速建立起现场工作数据库，从而为故障报警、防止偷盗创造条件。被动式标签平时不工作，无需额外电源，需要查询时由ZigBee提供识别读写信号，并最终通过ZigBee网络、GPRS网络进行数据传送。
当监控网巡检发现异常时，考察上述动、静态数据的变化，可以较方便地判断出是设备故障还是人为偷盗，从而为维护管理人员进行远程预判，进而为迅速排除故障，最大限度挽回破坏损失创造条件。
四、城市照明智能监控网方案分析目前，无线网络技术和GIS技术的应用在城市照明行业方兴未艾，但前者主要作为信息传输主干网，难以精确监控；后者主要处理静态数据，不具实时监控能力。二者都分属独立的系统，无法集成。尤其不足之处，主要表现在防盗和节能方面。而综上所述，为适应数字化城市管理的要求，利用迅猛发展的无线通信新技术，构建城市照明智能监控网，高起点、高要求，全面促进城市照明事业的发展，提高工作效率，实现绿色照明。下面主要从三个方面分析城市照明智能监控网的方案特性：
1．单灯监控以前国内有应用电力载波方式进行单灯监控，但由于室外电网及用电状况复杂，干扰严重，效果并不理想。若将监控终端（ZigBee+RFID）安装于单灯，直接摆脱了电网干扰，而且有利于对单灯进行节能调控，更方便对偷盗进行监控，一举多得。
根据城市照明的不同地域特点，网络拓扑可采用星型与树型相结合的形式，单个区域内设中心节点，根据路径的长度，分置必要的路由（如1公里设1～2个）。城市道路呈长链状，可采用树型结构，小区或公园呈块状，可进行网格化处理后，设计成星型结构。而对于重点亮化街区或风光带，可设计成链状多星型结构。如下图所示：
2．节能首先，由于采用无线监控系统，无需铺设专用线缆，在城市管网日益拥挤、金属材料价格日益昂贵的今天，一方面减少施工难度，另一方面节省人力、物力，将有效地降低工程成本，同时有利于长期的管理维护。
其次，在节能控制方面，根据电功率计算公式：
P=U2/R，实际功率与电压存在如下关系：
我国现有的路灯70%以上是高压钠灯，其设计寿命为24000小时，但是由于我国城市电网技术落后，线路的电压波动大大超过国际标准，有时甚至超过额定电压的15%以上，特别是午夜以后，许多城市为节能普遍实行“半夜灯”制度，一条路关掉三分之一至一半的路灯，电负荷的减少使得电网电压接近250V，以致路灯灯泡的实际寿命平均不到一年。因此，适当进行的调压既可以提高路灯光源寿命，同时根据上表，可减少电能的无谓损耗，是一举两得的好事。[4]
应用ZigBee技术，通过网络将终端的电压、电流数据传送到控制中心进行调控，也可在节点通过软件进行程序自动控制，从而达到监控和调整的目的。
再其次， 在标准统一和节约信道资源方面，Zi g B ee通讯使用国际上统一的免费公共频段（ISM）。我国和世界上大多数其他国家一样，使用无线电设备都是要付频率使用费的，包括手机通信，只不过移动运营商已经向国家支付了这笔费用，并通过号码占用费等方式向用户收取了这笔费用。在使用其它无线设备时，你首先要向国家相关部门申请频率使用许可，然后根据你的无线设备所使用的频率功率大小和数量收取费用。这是一笔不小的费用，一般设备一年往往要交纳几千元的费用。而免费频段，是指各个国家根据各自的实际情况，并考虑尽可能与世界其他国家规定的一致性而划分出来的一个频段，专门用于工业，医疗以及科学研究使用（ISM频段），不需申请而可以免费使用的频段。我们国家的2.4G频段，就是这样一个频段。然而，为了保证大家都可以合理使用，国家对该频段内的无线收发设备，在不同环境下的使用功率做了相应的限制。例如在城市环境下，发射功率不能超过100mW。
3．防盗防盗功能主要由RFID标签和读写器负责，正常情况下不工作，处于休眠状态。而一旦现场设备发生异常（断电、位移等）时，就将激活巡检模块，对局域网内的设备进行检查，确认人为偷盗故障后，迅速向中心控制室报警（如有条件，可启动现场摄像系统）。
RFID标签的布置应选择被盗价值和概率大的部件，还需注意RFID读写器的有效监控范围，比如对于地下管线，可考虑在管线显露出地面的位置（灯座内引上、控制箱内引上部分）设置。
RFID读写器的电源可以和ZigBee合二为一，配备必要的备用电源（UPS），以保证系统在掉电时也能正常工作。
归纳起来，符合绿色照明规范的城市照明智能监控网至少应该具备以下三个特点：
精确化其一，以ZigBee为代表的短距离无线通信技术与以GPRS为代表的公网无线通信技术的结合，使得对整个照明设施的控制精确到单灯（杆），从而彻底摆脱电网及其它监控对象对监控目标的影响。
其二，RFID和GIS技术的结合，使得对于管理随时间动态变化的市政公用设施（比如灯盏数），各专业部门能够快速统计，摸清家底，从而做到心中有数。对于令人头痛的盗失问题，具体监管部门也能迅速做出反应，在使用较少的人力物力基础上，尽可能减少由此造成的损失，从而获得良好的管理效益。
其三，消除由于以太阳能、风能等可再生性能源为动力的新兴照明光源的产生，而出现的城市照明监控盲区，提供对面广量大的市政设施进行有效化管理的新思路。
节约化其一，采用无线监控，直接免除了铺设控制线缆的费用。
其二，实现单灯监控，可以极大提高节能效率，避免节能设备对电网造成二次污染，降低节能成本。
其三，RFID和GIS技术的介入，将使管理者全面准确地掌控设备运行及故障情况，预防或减少各种事故所造成的损失。
智能化适应数字化城市的要求，现代城市照明监控网如何做到智能化，主要体现在以下三方面:
首先，在网络组建和初始化阶段，它应该能够自发现、自组织，而ZigBee恰恰支持这样的网络协议。
其次，在网络运行阶段，它应该能自检测、自调节，在一系列软硬件的配合下，维持网络正常工作状态，实现故障预警、节能等目的。
最后，它还应该能自适应、自修复，这点要求较高，也是其高级阶段。
参考文献：
[1]ZigBee基本技术问答 RFID技术与应用 2008年第1期[2]ZigBee Alliance，ZigBee Specification2006，ZigBee Document，053474r17，January 17，2008 11:09 am[3]RFID基础知识问答 RFID技术与应用 2006年第3期[4]关耀宗 胥布工 基于ZigBee网络的道路照明监控及节能系统 2007年第4期自动化与信息工程