基于GTiBee技术的智慧照明路灯高效节能管理系统及方法

摘要

公开了一种基于GTiBee技术的智慧照明路灯高效节能管理系统及方法，利用无线传感网通讯技术将服务器与路灯监测终端连接起来，既实现了路灯所有参数的一体化监测，又实现路灯能耗的精细化管理、路灯故障的预诊断，以及城市路灯系统的低成本、高可靠的集中管理。

说明书

技术领域

本发明属于射频技术领域，具体地涉及一种基于GTiBee技术的智慧 照明路灯高效节能管理系统及方法。

背景技术

路灯是人们日常生活不可或缺的基础性公共设施，随着经济的快速 发展，道路负荷的增大，道路安全引起人们越来越多的关注，城市中的 道路照明快速发展，相应电力消耗也大幅度攀升。而另一方面，随着城 市的发展，城市公共照明中海油景观照明一部分，虽然可以使城市更加 美观，但却是额外的一部分电力消耗。目前，城市照明系统采用传统的 光控或时控的控制方式，整夜运行且以恒光照强度照明，既与实际路况 信息脱节，又浪费了电能，还给管理和维护带来不便。

物联网是指通过传感器、射频识别(RFID)、全球定位系统、二码等 信息感知设备，按约定的协议连接起来，通过有线或无线网络进行信息 交换和通信，以实现智能化识别、数据采集、智能控制、定位、跟踪、 监控和管理的一种网络，如今传感器、网络传输、全球定位技术的成熟， 促进了“物联网”在生活中的应用。

为了确保系统稳定高效且有效节电，城市照明系统与物联网技术结 合。目前，城市照明系统采用无线传感网技术或GPRS技术等进行信息 交换和通信。然而传统的无线传感网技术其组网规模一般在100个点左 右，因此不适用于路灯的无线通讯；GPRS等移动通信技术也可应用在 路灯的无线通讯上，但是当路灯数量较大时，其月租费较高，且每个路 灯均需占用一定的带宽，当成千上万个路灯都在工作时，移动基站将出 现严重的信道阻塞，影响正常的语音通话。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于GTiBee技术的智慧照明路灯高效 节能管理系统及方法。

根据本发明的一方面，提供一种基于GTiBee技术的智慧照明路灯 高效节能管理系统，包括至少一个路灯监测终端、至少一个无线通信装 置和服务器，

所述路灯监测终端设置于城市路灯上，用于采集路灯的工作参数以 及路灯周围区域的光照度、流量信息，生成路灯状态信号，并通过无线 通信装置发送至所述服务器；

所述无线通信装置分别与所述路灯监测终端以及服务器连接，用于 所述路灯监测终端与服务器之间的信号传输；

所述服务器用于接收所述路灯状态信号，并根据所述路灯状态信号 以及预设阈值生成第一控制信号，并通过无线通信装置发送至路灯监测 终端；

其中，所述路灯监测终端还用于根据所述第一控制信号开启或者关 闭路灯，或者调节路灯的亮度；

所述路灯监测终端与所述无线通信装置以及所述服务器之间均通过 无线传感网进行信号传输。

优选地，所述智慧照明路灯高效节能管理系统还包括用户控制终端， 用于设置路灯开关时间、预设路灯工作参数、预设阈值以及红外传感器 的关联关系。

优选地，所述服务器还用于分析所有路灯的历史工作参数及工作曲 线以生成第二控制信号以及故障指示信号，并将所述第二控制信号发送 至所述路灯监测终端，以及将所述故障指示信号发送至用户控制终端进 行故障报警。

优选地，所述服务器还用于统计路灯的工作参数以生成路灯的工作 老化曲线，并根据所述工作老化曲线判断是否达到工作性能拐点，并在 路灯的工作参数达到工作性能拐点时向所述用户控制终端发送路灯故障 预警信号。

优选地，所述服务器还在路灯的工作参数达到工作性能拐点时生成 路灯超出正常耗能部分的用电费用与路灯更换成本之间的关系曲线，根 据所述关系曲线判断路灯超出正常耗能部分的用电费用是否超过路灯更 换成本，并在路灯超出正常耗能部分的用电费用超过路灯更换成本时向 所述用户控制终端发送路灯更换信号。

优选地，所述路灯监测终端包括：

路灯监测装置，用于采集路灯的工作参数，所述工作参数包括温度、 电压、电流、有用功率、无用功率；

光照度传感器，用于采集路灯周围区域的光照度；

红外传感器，用于采集路灯周围区域的人流量以及车流量；

射频单元，用于收发信号；

微处理器，用于产生所述路灯状态信号；

路灯开关装置，用于根据所述第一控制信号开启或者关闭路灯；

路灯亮度调节装置，用于根据所述第一控制信号调节路灯的亮度。

根据本发明的另一方面，提供一种基于GTiBee技术的智慧照明路 灯高效节能管理方法，包括：路灯监测终端采集路灯的工作参数以及路 灯周围区域的光照度、流量信息，生成路灯状态信号，并通过无线通信 装置发送至所述服务器；服务器接收所述路灯状态信号，并根据所述路 灯状态信号以及预设阈值生成第一控制信号，并通过无线通信装置发送 至路灯监测终端；路灯监测终端根据所述第一控制信号开启或者关闭路 灯，或者调节路灯的亮度。

优选地，所述智慧照明路灯高效节能管理方法还包括：用户控制终 端设置路灯开关时间、预设阈值以及红外传感器的关联关系。

优选地，所述智慧照明路灯高效节能管理方法还包括：服务器分析 所有路灯的历史工作参数及工作曲线以生成第二控制信号以及故障指示 信号；服务器将所述第二控制信号发送至所述路灯监测终端，以及将所 述故障指示信号发送至用户控制终端进行故障报警。

优选地，所述智慧照明路灯高效节能管理方法还包括：

服务器统计路灯的工作参数以生成路灯的工作老化曲线；

服务器根据所述工作老化曲线判断是否达到工作性能拐点；

当路灯的工作参数达到工作性能拐点时，服务器向所述用户控制终 端发送路灯故障预警信号，同时生成路灯超出正常耗能部分的用电费用 与路灯更换成本之间的关系曲线；

服务器根据所述关系曲线判断路灯超出正常耗能部分的用电费用是 否超过路灯更换成本；

当路灯超出正常耗能部分的用电费用超过路灯更换成本时，服务器 向所述用户控制终端发送路灯更换信号。

本发明提供的基于无线传感网络的智慧照明路灯高效节能管理系统 和方法实现了路灯所有参数的一体化监测，采用手机APP报警、短信报 警，邮件报警等多种报警方式，保障了系统应急报警的及时性；实现了 路灯能耗的精细化管理、路灯故障的预诊断，还可以实现路灯附近所有 基础设施的组网通讯，可极大提高城市管理的精细化程度，提升城市安 全管理水平，助力智慧城市建设。

附图说明

图1示出了根据本发明的基于GTiBee技术的智慧照明路灯高效节 能管理系统的结构框图；

图2示出了GTiBee无线传感网网络结构图；

图3示出了根据本发明的基于GTiBee技术的智慧照明路灯高效节 能管理系统中的路灯监测终端的结构图；

图4示出了根据本发明的基于GTiBee技术的智慧照明路灯高效节 能管理方法的流程图；

图5示出了根据本发明的基于GTiBee技术的智慧照明路灯高效节 能管理方法中通过故障报警得知故障路灯的实施例的流程图；

图6示出了根据本发明的基于GTiBee技术的智慧照明路灯高效节 能管理方法中通过计算路灯性能帮助管理人员确认是否更换路灯的实施 例的流程图。

具体实施方式

以下公开为实施本申请的不同特征提供了许多不同的实施方式或实 例。下面描述了部件或者布置的具体实施例以简化本发明。当然，这些 仅仅是实例并不旨在限制本发明。

在本说明书通篇中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该 实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。 由此，在说明书的各处出现的短语“在一个实施例中”或者“在实施例中” 不一定都指同一实施例，但是可能如此。此外，根据本发明公开对本领 域技术人员而言显而易见的是，在一个或多个实施例中，特定特征、结 构或特性可以任何合适的方式组合。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案 进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实 施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术 人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本 发明保护的范围。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1示出了根据本发明的基于无线传感网的智慧照明路灯高效节能 管理系统的结构框图。如图1所示，所述智慧照明路灯高效节能管理系 统包括至少一个路灯监测终端100、至少一个无线通信装置200和服务 器300，路灯监测终端100与所述无线通信装置200以及所述服务器300 之间均通过无线传感网进行信号传输。

路灯监测终端100设置于城市路灯上，用于采集路灯的工作参数以 及路灯周围区域的光照度、流量信息，生成路灯状态信号，并通过无线 通信装置200发送至所述服务器300。其中，所述流量信息包括路灯周 围区域的人流量以及车流量。

在本实施例中，路灯监测终端100可以通过作为无线传感网一个节 点的无线通信装置200连接到服务器300。无线通信装置200采用GTiBee 技术来实现双向数据通信。其中，GTiBee技术是一种基于云服务器路由 的无线传感网技术。基于其构建的无线传感网系统可以包括多个无线设 备，无线设备包括至少一个节点，至少一个中继器，至少一个基站或者 至少一个数据中心，多个无线设备通过无线传感协议方法相互无线连通， 还包括通过以太网络与无线传感网的无线设备连接的云端服务器；云端 服务器用于根据无线传感网的无线设备的请求，利用通讯路径存储表和 接收信号强度表进行无线设备传输路径查找，并根据查找结果生成无线 设备的通讯路径指令反馈给无线设备，所述无线设备，用于通过以太网 向云端服务器发出无线设备传输路径请求；并根据接收到的无线设备的 通讯路径指令，进行信息传输。路灯监测终端100可以设置为基于GTiBee 的无线传感网中的无线设备。

无线通信装置200分别与所述路灯监测终端100以及服务器300连 接，用于所述路灯监测终端100与服务器300之间的信号传输。

在本实施例中，路灯监测终端100和无线通信装置200均包括无线 传感网通信模块，路灯监测终端100通过该无线传感网通信模块与无线 通信装置200进行数据通信。无线通信装置200和服务器300均包括以 太网通信模块，如有线、WiFi、GPRS或3G等，无线通信装置200通过 该以太网通信模块与服务器300进行数据通信。

图2为GTiBee无线传感网网络结构图。如图2所示，GTiBee技术 将网络层和部分链路层实现在云服务器端。由于服务器端的硬件能力是 无线传感网设备端的一百万倍以上，通讯路径的设置和维护功得到了跨 越性的突破，使无线设备稳定性方面得到了很大的提高。同时由于无线 传感网设备里的功能需求大大降低，因此很大程度上也降低了无线传感 网节点设备硬件的技术要求和成本，也同时缩减了嵌入式软件开发的需 求和时间。GTiBee OS操作系统在“系统便捷使用性”方面也达到了跨 越性的突破。由于服务器中的通讯协议使用的是传统式软件，而不是嵌 入式软件，软件开发的速度和质量得到了大幅度的提高。基于强大的云 计算服务器开发的“无线云传感网通讯管理云平台”、“CWSN无线云传 感网数据管理云平台”和CWSN云服务版客户端通讯管理软件让使用者 可以在世界上任何地方启动通讯管理软件，监测无线传感器网络的通讯 过程和数据结果。GTiBee OS操作系统包含一套完整的跨平台软件API， 客户可以通过API对通讯管理软件进行操纵，对无线设备进行控制，对 通讯协议进行针对性的修改。因此，GTiBee不仅仅是一个通讯协议，它 同时是一个物联网应用开发平台，可以让客户简单方便的开发应用项目。

基于GTiBee的物联网系统采用崭新的网络层，链路层，和物理层 设计理念，在云端实现先进的无线通信协议，以云计算技术为基础，将 比较复杂的通讯协议实施在计算和存储资源丰富的云端，减低了节点对 硬件资源的要求，减少了嵌入式软件程序的复杂性。由于云端承担了主 要的计算任务，节点的通讯协议得到了简单化，而系统可靠性得到了大 幅度的提高。此技术可以较好地解决系统扩张的问题，适用于大规模高 密度高可靠性物联网系统应用，对物联网技术的发展有着较深远的影响。

基于GTiBee的物联网系统具有以下优点：1、超长传送距离(相对 ZigBee等其他短距离通讯方式)，采用无线传感网能量优化技术减低节 点耗能(超低功耗、超长待机)，最高传送速度支持256kbps(下一代产 品可支持到1Mbps)。2、GTiBee技术将网络层和部分链路层功能实现在 服务器端，通讯路径的设置和维护功能得到了跨越性的突破，可以直接 采用已在现有软件中实现的成熟的通讯路径优化算法。降低了无线节点 设备硬件的要求和成本。3、智能调控系统通讯：根据具体物联网系统应 用要求智能调整无线系统的传送距离和传送速度。4、系统采用崭新的网 络层、链路层和物理层设计理念，在云端实现先进的无线通信协议，全 新的的MAC子层和物理层设计，以强大的云计算技术为基础大大提高 无线传感网的性能并减低传感网内组网硬件的成本。5、系统将无线传感 网通讯“云端管理、云端计算、云端分布式存储数据、云端大数据智能 挖掘”，采用先进的通讯理论提高整个通讯系统的性能(距离，速度，系 统容量等)，从而达到长距离、高容量、低碰撞和低耗能的先进功能。6、 适用于物联网高可靠性、大规模、高密度的物联网组网应用，相比目前 的主流传感网协议ZigBee等，GTiBee在系统可靠性、系统稳定性、系 统扩展能力和传送距离及系统耗能等方面均有大幅度的性能改进。

服务器300用于接收所述路灯状态信号，并根据所述路灯状态信号 以及预设阈值生成第一控制信号，并通过无线通信装置200发送至路灯 监测终端100。

服务器300可以是设置于市政部门的高性能的计算机也可以是云服 务器。服务器300在接收到路灯状态信号时，与存储在服务器内的各参 数的阈值进行比较，如：当光照度低于与之对应的预设阈值时，将生成 开启或调光命令，并发送至路灯监测终端100，将附件的路灯调至适当 亮度；当人流量及车流量低于与之对应的预设阈值时，将生成开启或调 光命令，并发送至路灯监测终端100，将附近路灯亮度降低以减少路灯 能耗。

路灯监测终端100还用于根据所述第一控制信号开启或者关闭路 灯，或者调节路灯的亮度。

作为优选的，智慧照明路灯高效节能管理系统还包括用户控制终端 400，用于设置路灯开关时间、预设路灯工作参数、预设阈值以及红外传 感器的关联关系。

如图3所示，路灯监测终端100包括：微处理器101、路灯监测装 置102、光照度传感器103、红外传感器104、射频单元105、路灯开关 装置106以及路灯亮度调节装置107。

其中，路灯监测装置102用于采集路灯的工作参数。工作参数包括 温度、电压、电流、有用功率、无用功率。路灯监测装置102将采集到 的路灯工作参数发送至微处理器101。

光照度传感器103用于采集路灯周围区域的光照度，并将所述光照 度发送至微处理器101。

红外传感器104用于采集路灯周围区域的人流量以及车流量，并将 所述人流量以及车流量发送至微处理器101。

射频单元105连接于微处理器101，用于为路灯监测终端100收发 信号。连接

微处理器101路灯监测装置102、光照度传感器103、红外传感器 104、射频单元105、路灯开关装置106以及路灯亮度调节装置107。微 处理器101根据各传感器数据产生路灯状态信号。所述路灯状态信号包 括路灯的温度、电压、电流、有用功率、无用功率、路灯周围区域的光 照度以及人流量、车流量。当微处理器101接收到各传感器发来的路灯 的工作参数以及路灯周围区域的光照度、人流量及车流量后，生成路灯 状态信号，并通过射频单元105经无线通信装置200将所述路灯状态信 号发送至服务器300。

路灯开关装置106连接于微处理器101，用于根据所述第一控制信 号开启或者关闭路灯；

路灯亮度调节装置107用于根据所述第一控制信号调节路灯的亮 度。

此外，服务器300还具有报警服务单元还用于分析所有路灯的历史 工作参数及工作曲线以生成第二控制信号以及故障指示信号，并将所述 第二控制信号发送至所述路灯监测终端100。服务器300还具有报警服 务单元，当服务器300生成故障指示信号后，将所述故障指示信号发送 至用户控制终端400进行故障报警。所述报警信号可以采用手机APP报 警、短信报警，邮件报警等多种方式。

此外，服务器300还包括故障预诊断单元，用于统计路灯的工作参 数以生成路灯的工作老化曲线，并根据所述工作老化曲线判断是否达到 工作性能拐点，并在路灯的工作参数达到工作性能拐点时向所述用户控 制终端400发送路灯故障预警信号。服务器300在路灯的工作参数达到 工作性能拐点时生成路灯超出正常耗能部分的用电费用与路灯更换成本 之间的关系曲线，根据所述关系曲线判断路灯超出正常耗能部分的用电 费用是否超过路灯更换成本，并在路灯超出正常耗能部分的用电费用超 过路灯更换成本时向所述用户控制终端400发送路灯更换信号。

图4为根据本发明的基于GTiBee的智慧照明路灯高效节能管理方 法的流程图。如图4所示，一种智慧照明路灯高效节能管理方法，包括：

步骤S01、路灯监测终端100采集路灯的工作参数以及路灯周围区 域的光照度、人流量及车流量，生成路灯状态信号，并通过无线通信装 置200发送至所述服务器300。

步骤S02、服务器300接收所述路灯状态信号，并根据所述路灯状 态信号以及预设阈值生成第一控制信号，并通过无线通信装置200发送 至路灯监测终端100。

步骤S03、路灯监测终端100根据所述第一控制信号开启或者关闭 路灯，或者调节路灯的亮度。

优选地，所述智慧照明路灯高效节能管理方法在步骤S01之前还包 括：用户控制终端400设置路灯开关时间、预设阈值以及红外传感器的 关联关系。

为了使管理人员能够尽快得知故障路灯并进行更换，本发明提出的 智慧照明路灯高效节能管理方法还包括故障报警帮助管理人员得知故障 路灯。图5为本发明的智慧照明路灯高效节能管理方法中通过故障报警 得知故障路灯的实施例的流程图。如图5所示，所述方法包括：

步骤S04、服务器300分析所有路灯的历史工作参数及工作曲线以 生成第二控制信号以及故障指示信号；

步骤S05、服务器300将所述第二控制信号发送至所述路灯监测终 端，以及将所述故障指示信号发送至用户控制终端400进行故障报警。

为了节省路灯耗能，本发明提出的智慧照明路灯高效节能管理方法 还包括计算路灯性能帮助管理人员确认是否更换路灯。图6为本发明的 智慧照明路灯高效节能管理方法中通过计算路灯性能帮助管理人员确认 是否更换路灯的实施例的流程图。如图5所示，所述方法包括：

步骤S06、服务器统计路灯的工作参数以生成路灯的工作老化曲线。

步骤S07、服务器根据所述工作老化曲线判断是否达到工作性能拐 点。

步骤S08、当路灯的工作参数达到工作性能拐点时，服务器向所述 用户控制终端发送路灯故障预警信号。

步骤S09、服务器在路灯的工作参数达到工作性能拐点时生成路灯 超出正常耗能部分的用电费用与路灯更换成本之间的关系曲线；

步骤S10、服务器根据所述关系曲线判断路灯超出正常耗能部分的 用电费用是否超过路灯更换成本；

步骤S11、当路灯超出正常耗能部分的用电费用超过路灯更换成本 时，服务器向所述用户控制终端发送路灯更换信号。

本发明提供的基于无线传感网络的智慧照明路灯高效节能管理系统 和方法实现了路灯所有参数的一体化监测，采用手机APP报警、短信报 警，邮件报警等多种报警方式，保障了系统应急报警的及时性；实现了 路灯能耗的精细化管理、路灯故障的预诊断，还可以实现路灯附近所有 基础设施的组网通讯，可极大提高城市管理的精细化程度，提升城市安 全管理水平，助力智慧城市建设。

上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的实 施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附 的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此， 本发明不应局限于实施例和附图所公开的内容。