基于物聯(lián)網(wǎng)的無線照明控制系統(tǒng)

浦敏 李云飛 王宜懷

(1.蘇州市華工照明科技有限公司，江蘇蘇州 215021;2.蘇州大學計算機科學與技術(shù)學院，江蘇蘇州 215006)

1 引言

隨著城市經(jīng)濟和規(guī)模的發(fā)展，各種類型的道路越來越長，機動車數(shù)量迅速增加，夜間交通流量也越來越大，道路照明質(zhì)量直接影響交通安全和城市發(fā)展［1，2］。如何提高道路照明質(zhì)量、降低能耗、實現(xiàn)綠色照明已成為城市照明的關(guān)鍵問題。道路照明的首要任務(wù)是在節(jié)約公共能源的基礎(chǔ)上，提供安全和舒適的照明亮度，達到減少交通事故，提升交通運輸效率的目的。由于基礎(chǔ)設(shè)施的條件所限，目前普遍缺少路燈級的通信鏈路，路燈控制方式一般只能對整條道路統(tǒng)一控制，無法測量和控制到每一盞燈［3］。本文基于物聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計了一種嵌入式無線路燈控制模塊，實現(xiàn)了每盞路燈的無線自主組網(wǎng)，使每一盞路燈都能遙測和遙控，與路燈設(shè)施中的一些單元 (如電子鎮(zhèn)流器等)連接，達到路燈的亮度(或照度)在30% ～100%無級可調(diào)，在保證道路照明質(zhì)量、改善辨認可靠和視覺舒適情況下，根據(jù)環(huán)境光強度和時段，節(jié)約電能20～30%。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)道路照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過在每盞路燈嵌入一個無線通信模塊，使它們自組網(wǎng)絡(luò)，接受控制中心的命令并將路燈的狀態(tài)反饋給控制中心;HG－2控制箱采用ZigBee技術(shù)與所管轄道路的所有路燈通信，采用GPRS與控制中心通信，根據(jù)控制中心的指令或時間和日照亮度對每盞路燈發(fā)出控制命令 (路燈開啟、關(guān)閉、照明度 (功率大小)等)，自動調(diào)節(jié)整條道路的功率平衡;控制中心由服務(wù)器、大屏顯示、Center View中央控制系統(tǒng)軟件平臺等組成，Center View中央控制系統(tǒng)軟件平臺采用3D設(shè)計，通過縮放變換以俯視的角度觀察和控制到整個城市、一個街道、一條道路、甚至一盞路燈的照明情況;移動計算工具 (筆記本電腦、PDA、手機)和路燈維護車也能通過控制中心進行遠程遙測和遙控。

圖1 無線控制路燈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 無線通信模塊

3.1 模塊設(shè)計

無線通信模塊的 MCU為 Freesclae公司MC13213［4］，MC13213采用 SiP 技術(shù)在 9 ×9mm 的LGA封裝內(nèi)集成了MC9S08GT主控MCU和MC1320x射頻收發(fā)器。MC13213擁有4KB的RAM、60KB的 FLASH，具有1個串行外設(shè)接口 (Serial Peripheral Interface，SPI)，2個異步串行通信接口(Serial Communications Interface，SCI)，1個鍵盤中斷模塊 (Keyboard Interrupt，KBI)，2個定時器/脈寬調(diào)制模塊 (Timer/PWM，TPM)，1個 8通道10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (Analog/Digital Converter，ADC)，以及多達32個的GPIO口等。如圖2所示。

圖2 無線采集模塊的結(jié)構(gòu)

無線通信模塊采用ZigBee技術(shù)、IEEE802.15.4協(xié)議［5］，通信覆蓋半徑可達150m，能與在其覆蓋范圍內(nèi)的任何路燈節(jié)點自組網(wǎng)絡(luò)和進行通信，除了實現(xiàn)路燈的物物相聯(lián)以外，還具有調(diào)節(jié)電子鎮(zhèn)流器的功率輸出 (30% ～100%)，實現(xiàn)節(jié)能和綠色照明，檢測供電線路的電流、電壓、功率因數(shù)以及、每一盞燈的工作狀態(tài)，當發(fā)生故障 (如燈具損壞、燈桿撞擊、人為破壞)時，實時向監(jiān)控中心和相關(guān)部門報警等功能。

無線通信模塊還進行了防雨、防潮、防雷電、防電磁干擾設(shè)計，并充分考慮了安裝方便、維護簡單和可恢復(fù)性 (接入兩根線就實現(xiàn)了路燈級的無線控制，拆除兩根線又恢復(fù)到原來的狀態(tài))，可以嵌入在路燈的不同位置 (燈桿底部、燈桿內(nèi)、燈罩內(nèi))。

3.2 通信協(xié)議

無線通信模塊的通信協(xié)議如下:對照明實施按路段順序編號，通過命令轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)返回實現(xiàn)節(jié)點之間“手拉手”的通信。命令轉(zhuǎn)發(fā)機制:每個節(jié)點通過一個位示圖結(jié)構(gòu)來記錄哪些幀已經(jīng)被轉(zhuǎn)發(fā) (位示圖最多可以表示256幀)，如果節(jié)點接收到命令幀后，判斷該幀是否已經(jīng)被該節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，如已轉(zhuǎn)發(fā)則丟棄該幀 (節(jié)點只對收到的命令幀進行轉(zhuǎn)發(fā)，對幀的內(nèi)容不做修改)，從而保證了以最快的速度控制一條線路，并且有效防止了某個節(jié)點故障影響整條線路的工作;狀態(tài)返回機制:命令幀發(fā)送到達指定節(jié)點后，該指定節(jié)點則接收該命令并立即返回狀態(tài);轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則:只有節(jié)點號比目標節(jié)點號小才轉(zhuǎn)發(fā)，狀態(tài)返回過程則相反。

3.3 與中央監(jiān)控的連接

一條傳輸通信鏈路由若干個ZigBee節(jié)點組成，在這些節(jié)點的中間設(shè)置一個簇節(jié)點 (一條道路可以設(shè)置1個或多個簇節(jié)點)，其作用是以GPRS的方式與控制中心通信 (命令接受和狀態(tài)返回)，簇節(jié)點采用Freescale公司32位CodeFire系列MCF52223芯片作為控制單元，GTM900B(華為 GPRS通訊模塊)和EM770W(華為WCDMA的3G通訊模塊)作為遠距離無線通信模。MCF5222x系列利用常用的V2 ColdFire內(nèi)核構(gòu)建而成，在80MHz的頻率下性能高達76MIPS(Dhrystone 2.1)，接口功能包括:1個 Mini USB接口，支持 USB OTG功能，3個2線串口，1個麥克風輸入接口，1個HEADSET輸入/出接口，1個 HANDSET輸入/出接口，1個8Ω/16Ω揚聲器輸出接口，1個 132*96點陣LED，1個 5*5按鍵鍵盤，支持 RTC、ADC、PIT＆GPT、PWM等;GTM900B和 EM770W 則完成遠距離的GPRS通信。

4 控制中心軟件設(shè)計

控制中心的軟件設(shè)計平臺為Windows 2003，開發(fā)工具是微軟 Visual Studio 2005，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2005，與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，在獲取了街道、建筑物以及路燈的位置、形狀等特征信息后，設(shè)計以路燈為主體的3維虛擬城市，在控制中心大屏幕上動態(tài)顯示道路的照明效果，并可以通過平移，放大，縮小等幾何變換，觀察整個城市、街道甚至每一盞路燈的照明情況。該軟件主要有5個功能模塊:系統(tǒng)設(shè)置、智能控制、電量核算、故障處理和緊急預(yù)案。系統(tǒng)設(shè)置中的區(qū)域設(shè)置有市，區(qū)，街道和電控箱4種;路燈設(shè)置有路燈的位置、型號、生產(chǎn)單位、施工單位、維護責任人，安裝日期、清洗維護日期等;亮燈方式設(shè)置有全開，全關(guān)，單號路燈開，單號路燈關(guān)，雙號路燈開，雙號路燈關(guān)，1/3路燈開，1/3路燈關(guān)，1/4路燈開，1/4路燈關(guān)，智能控制等11種控制方式;時段設(shè)置可根據(jù)不同的城市不同的季節(jié)設(shè)置不同時段的亮燈方式;智能控制有兩方面內(nèi)容:［1］針對安裝了電子型路燈的路段，根據(jù)季節(jié)變化和天氣狀況，通過實時采樣環(huán)境光強度，對路燈的照明亮度進行智能調(diào)節(jié);［2］在夜間，特別是深夜當檢測到汽車和行人的流量十分稀少時，在不影響辨認可靠的情況下，適當降低道路的照明亮度，節(jié)約電耗;電量核算能對市，區(qū)，街道、電控箱甚至每盞路燈進行用電量的統(tǒng)計和核算;故障處理是對燈具損壞、斷電、斷相、過流、過壓、三相不平衡以及人為破壞等情況，在第一時間向監(jiān)控中心報警后迅速生成故障報告;故障處理的另一個功能是按路段和時段 (年、季度、月)統(tǒng)計亮燈率、故障率、每次故障處理的效率 (平均修理時間);緊急預(yù)案是對一些突發(fā)事件制定度緊急預(yù)案，在特殊情況下，盡可能提供合適的道路照明，保證人民生命財產(chǎn)的安全。圖3是控制中心軟件的運行界面之一。

圖3 運行界面

5 實際應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)的道路照明系統(tǒng)自2009年5月以來，在某國家級工業(yè)園區(qū)進行了安裝和測試，安裝環(huán)境為同一條道路兩邊的各100盞路燈，道路左邊的100盞路燈采用無線傳感智能控制，共增加成本24600.00元人民幣，道路右邊的100盞路燈采用常規(guī)的控制方式 (半夜后單雙號間隔開燈18:30～6:30)，測試結(jié)果如表1所示。

表1 應(yīng)用效果對比

從表1中可以看出，采用物聯(lián)網(wǎng)的智能控制，通過實際測試，物聯(lián)網(wǎng)控制的100盞路燈在91天中，節(jié)約電能15925度，一般情況下在產(chǎn)品投入的半年內(nèi)就可以收回全部投資。電耗降低有以下幾個方面因素:開啟關(guān)閉時間的調(diào)整，道路右邊的路燈控制方式是根據(jù)季節(jié)設(shè)定開閉時間 (定時控制)并且是全功率開全功率閉，道路右邊的路燈控制方式是環(huán)境光強度和季節(jié)自動控制開閉時間，開啟時，由于路面上尚有較強的環(huán)境光，路燈以補光的方式工作，逐漸增加照明強度，路燈關(guān)閉控制類似;深夜控制模式，由于深夜時企業(yè)與居民用電負荷減少，低壓電網(wǎng)電壓升高，常規(guī)控制方式下的路燈 (道路右邊)異常明亮、眩目，往往造成過度照明，不僅大大增加耗電，同時也導(dǎo)致燈具、電器實際使用壽命迅速下降，大量增加維護量和維護費用，深夜控制模式 (道路左邊)，采用降功率照明，不但降低耗電，還能改善道路照明質(zhì)量和視覺舒適度，延長燈具、電器的實際使用壽命;道路照明的智能控制，對有學校、居民密集的小區(qū)、道路轉(zhuǎn)彎處、事故多發(fā)地帶等特殊路段，適當提高照明亮度，其余路段則適當降低照明亮度。

采用物聯(lián)網(wǎng)智能路燈控制后對故障自動偵測、報警具有實時性好、可靠性強各項優(yōu)點，極大地縮短了由人工定期巡查檢測的時間和勞動強度。

6 結(jié)論

先進的道路照明不但可以提升城市的形象、提高交通運輸效率，減少交通事故，還能節(jié)約大量的公共電能消耗。但對于大多數(shù)城市，由于缺少的必需基礎(chǔ)設(shè)施 (路燈級的通信鏈路)，無法實現(xiàn)先進控制方法，物聯(lián)網(wǎng) (物聯(lián)網(wǎng))出現(xiàn)和應(yīng)用，有效地解決以上問題，本文基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，選擇Freesclae公司MC13213芯片，設(shè)計了一種嵌入式無線通信模塊，使整條道路的每一盞路燈自主聯(lián)網(wǎng)，使用Freescale公司的MCF52223芯片、華為公司的GTM900B和EM770W作為遠程通信模模塊，實現(xiàn)了路燈的遙測、遙控，對節(jié)約公共資源，建設(shè)數(shù)字化和節(jié)約型城市有較高的實際應(yīng)用價值。

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［5］Reese R.A Zigbee-subset/IEEE 802.15.4 Multi-platform Protocol Stack［EB/OL］.http:∥www.ece.msstate.edu/reese/msstatePAN/，2009.