基于Si4463的道路照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄔志鋒 王貴恩

摘?要：針對(duì)當(dāng)前城市道路照中普遍存在的能耗過高、人力成本高、智能化程度低等不足，本文結(jié)合4G公眾網(wǎng)和無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)一套主要由上位機(jī)客戶端、4G/RF網(wǎng)關(guān)、LED單燈控制器成的道路照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了路燈的遠(yuǎn)程手動(dòng)或自動(dòng)控制、路燈狀態(tài)監(jiān)測(cè)、路燈—環(huán)境協(xié)同等功能。該系統(tǒng)已應(yīng)用于某市政工程，測(cè)試表明該系統(tǒng)響應(yīng)迅速，報(bào)障準(zhǔn)確，系統(tǒng)穩(wěn)定，降低了道路照明系統(tǒng)的維護(hù)成本，且該系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境的亮度、道路上汽車和行人的情況自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈狀態(tài)，保持汽車前方的照明范圍能完全覆蓋駕駛員的安全視距，實(shí)現(xiàn)路燈自適應(yīng)照明，提高了道路照明的智能化。

關(guān)鍵詞：道路照明;4G通信技術(shù);自組網(wǎng);智能化;路燈—環(huán)境協(xié)同

城市道路照明是社會(huì)公共設(shè)施的重要組成部分，但是目前路燈行業(yè)存在能源費(fèi)用高和運(yùn)維費(fèi)用高兩大痛點(diǎn)[1]，據(jù)統(tǒng)計(jì)“十二五”期間，我國1064個(gè)城市僅主干道照明路燈就新增833萬盞，交裝功率總計(jì)407萬千瓦，管理人員約5萬人[2]。為了解決這兩個(gè)痛點(diǎn)，提高路燈控制的自動(dòng)化智能化，近些年發(fā)展出了基于電力線通信、GPRS、Lora、NB-IOT、ZigBee等通信技術(shù)的路燈系統(tǒng)，但是在實(shí)際使用中存在諸如通信干擾較大、延遲較長(zhǎng)、易受天氣影響、無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)定位路燈故障、不能進(jìn)行精準(zhǔn)控制等弊端[3]，且無法實(shí)時(shí)根據(jù)路上行人、車輛情況實(shí)時(shí)調(diào)整路燈亮度，不能實(shí)現(xiàn)路燈的智能化控制。

針對(duì)當(dāng)前道路照明系統(tǒng)存在的以上不足，本系統(tǒng)融合4G通信技術(shù)、無線通信技術(shù)和智能傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新型智能道路控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制路燈開關(guān)、亮度，采集路燈電壓、電流、功率因子等狀態(tài);自動(dòng)巡檢，自動(dòng)識(shí)別路燈是否故障，并自動(dòng)告警;實(shí)時(shí)采集環(huán)境光亮度、車流信息、行人信息，并據(jù)此調(diào)整路燈的亮度等功能，有效解決了以上問題。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本道路照明系統(tǒng)自上而下由上位機(jī)客戶端、4G/RF網(wǎng)關(guān)、LED單燈控制器成三部分構(gòu)成。LED單燈控制器的主要作用輸出0～10V調(diào)光信號(hào)控制LED燈具的亮度，同時(shí)使用傳感器獲取路燈工作狀態(tài)、環(huán)境信息。4G/RF網(wǎng)關(guān)安裝在智能電表中，主要作用是獲取當(dāng)前配電箱的電流、電壓等信息，并為上位機(jī)客戶端和LED單燈控制器之間的通信提供中轉(zhuǎn)服務(wù)。上位機(jī)客戶端是為了完成相關(guān)管理工作設(shè)計(jì)的一套PC軟件，主要作用對(duì)LED路燈、配電箱的電流、電壓進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)合亮度信息識(shí)別LED路燈是否出現(xiàn)故障。

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)兩種控制方式：智能控制、手動(dòng)控制。智能控制主要是由智能路燈配電柜根據(jù)當(dāng)前時(shí)間、環(huán)境光亮度、路面車流量、人流等信息，進(jìn)行智能判斷，調(diào)節(jié)照明亮度，滿足路面實(shí)際照明需求。手動(dòng)控制主要用于突發(fā)狀況，可通過客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制路燈開關(guān)燈、調(diào)整亮度，也可以在智能路燈配電柜上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 LED單燈控制器設(shè)計(jì)

LED單燈控制器是本系統(tǒng)的控制終端，LED單燈控制器終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)使用傳感器采集路燈的電壓、電流、功率因子，環(huán)境光亮度、車流人流信息，并將這些信息通過Si4463無線通信模塊上傳到智能路燈配電柜，同時(shí)輸出0～10V調(diào)光信號(hào)控制LED燈具的亮度，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1.1 微控制器選型

根據(jù)LED單燈控制器的功能要求，考慮實(shí)現(xiàn)時(shí)需要用到的通信接口等功能組件、開發(fā)成本、穩(wěn)定性因素，本系統(tǒng)選用意法公司的STM32F103C8T6作為主控芯片，STM32F103系列微控制器采用3.3V工作電壓，內(nèi)部包含了PWM發(fā)生器、USART通信接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器等模塊，同時(shí)具有高性能、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)[4]。STM32F103C8微控制器使用其SPI1口與RF芯片Si4463進(jìn)行通信，使用USART2與電能計(jì)量芯片HT7017通信，使用內(nèi)部ADC的輸入通道7采集環(huán)境光亮度傳感器的模擬信號(hào)量，使用IO口PA6獲取微波傳感器的狀態(tài)。

2.1.2 Si4463通信模塊

無線通信是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和測(cè)量的基礎(chǔ)，無線通信頻率的選擇是本系統(tǒng)的一個(gè)難點(diǎn)，首先由于一個(gè)網(wǎng)關(guān)所控制的LED單燈控制器最多可達(dá)256臺(tái)，所以無線通信速度不能太低;其次公路是一種非常特殊的通信場(chǎng)景，汽車點(diǎn)火裝置會(huì)在7～300MHz這個(gè)頻率段上產(chǎn)生大量的輻射干擾[5];第三，除了道路主干道外，路燈還會(huì)安裝在背街小巷中，此時(shí)路燈會(huì)被周邊大量較高的建筑物所遮擋，所以要求無線通信的繞射能力要比較強(qiáng)[6]。根據(jù)路燈無線通信的以上三個(gè)特點(diǎn)，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)證明，433MHz這個(gè)頻率最適合用于LED單燈控制器與智能路燈配電柜之間的無線通信。根據(jù)工作頻率和通信功率要求，本系統(tǒng)選擇了Silicon Labs公司的Si4463通信模塊。Si4463通信模塊工作在119～1050MHz頻率段，最大輸出功率20dBm，接收靈敏度高達(dá)-126dBm，領(lǐng)道選擇性-60dB，最大傳輸速度1000kbps[7]。

2.1.3 電能計(jì)量電路

電能計(jì)量電路的作用是測(cè)量路燈燈具實(shí)際的工作電壓、電流和功率因子，同時(shí)LED單燈控制器根據(jù)電能計(jì)量的結(jié)果和實(shí)際控制輸出的功率進(jìn)行比較，判斷燈具是否出現(xiàn)故障，電路如圖2所示。

本系統(tǒng)使用的是鉅泉光電科技（上海）有限公司HT7017單相電能計(jì)量芯片，HT7017是一顆帶UART通訊接口的高精度單相多功能計(jì)量芯片，內(nèi)部含有三路22位Sigma-Delta ADC，不經(jīng)能測(cè)量電流、電壓，還可以測(cè)量有功功率、無功功率。如圖2所示，220V交流電壓通過P1端子送入互感器L1中，經(jīng)過互感器轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)由HT7017進(jìn)行測(cè)量，同理電流互感器通過P2端子送入HT7017進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的電流、電壓、有功功率、無功功率等電能參數(shù)通過UART接口發(fā)送給微控制器。

2.1.4 PWM/電壓轉(zhuǎn)換電路

目前大多數(shù)LED燈具使用的是0～10V模擬直流電壓調(diào)光，同時(shí)考慮到本系統(tǒng)的LED單燈控制器需要同時(shí)控制兩個(gè)LED燈具和STM32F103C內(nèi)部沒有DAC等原因，本系統(tǒng)使用了PWM通過RC低通濾波器模擬DAC的方式產(chǎn)生0～10V的直流電壓[8]，電路如圖3所示。

微控制器使用定時(shí)器TIM2產(chǎn)生頻率為150Hz的PWM信號(hào)，經(jīng)過R3、C2構(gòu)成的低通濾波器濾波后得到平均值電壓V，設(shè)PWM信號(hào)的高電平為Vh，占空比為η，則平均值電壓V為：

運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)同相比例放大電路對(duì)V進(jìn)行放大，輸出到LED燈具的調(diào)光電壓為：

所以，只要按照要求調(diào)整占空比為η即可以調(diào)節(jié)LED燈具調(diào)光電壓在0～10V之間變化，同時(shí)由于R3和C2構(gòu)成的濾波電路截止頻率遠(yuǎn)小于PWM頻率，所以有效抑制了輸出端電壓的突變，避免了LED燈具亮度的突變，使LED燈具的亮度調(diào)節(jié)自然柔和。

2.2 4G/RF網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

4G/RF網(wǎng)關(guān)是現(xiàn)場(chǎng)控制核心，主要作用是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)客戶端與LED單燈控制器通信，并將智能電表的電能數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等狀態(tài)信息上傳到上位機(jī)客戶端。4G/RF網(wǎng)關(guān)在結(jié)構(gòu)上由上行DTU、主控電路板和電能表、水浸傳感器、開箱傳感器等傳感器組成，主控電路板和傳感器通過RS485總線相連。主控電路板主要由微控制器和無線通信模塊構(gòu)成。

2.2.1 微控制器選型

由于微控制器需要使用4G模塊、無線通信模塊和RS485接口進(jìn)行大量的通信，同時(shí)還要進(jìn)行LED單燈控制器的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，所以其運(yùn)算量較大，本系統(tǒng)采用了STM32F205R作為控制核心。STM32F205R是基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，工作頻率高達(dá)120MHz，具有150DMIPS的執(zhí)行速度，同時(shí)具有SPI、USART等豐富的外部接口[9]，如圖4所示，微控制器使用其USART3接成RS485接口與4G通信模塊E20通信，使用USART1接口接成RS485接口與外部的傳感器通信，使用SPI1接口與無線通信模塊Si4463進(jìn)行通信，使用SPI2把相關(guān)的配置、狀態(tài)信息存在外部的W25Q16中。

2.2.2 上行DTU選型

目前數(shù)路燈控制器數(shù)據(jù)上行到控制平臺(tái)主要使用的是GPRS和NB-IOT兩種方式，但是這兩種方式的通信速度都較低，沒辦法滿足智能路燈配電柜大量數(shù)據(jù)上傳的速度要求，同時(shí)考慮到目前2G網(wǎng)絡(luò)正在關(guān)停，所以本系統(tǒng)選擇了4G數(shù)據(jù)終端，該DTU使用RS485接口與微控制器的USART3連接。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括LED單燈控制器程序設(shè)計(jì)、4G/RF網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)、PC端程序設(shè)計(jì)。

3.1 LED單燈控制器程序設(shè)計(jì)

LED單燈控制器程序的主要功能接收、處理4G/RF網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的指令和臨近LED單燈控制器的傳感器數(shù)據(jù)，采集傳感器的數(shù)據(jù)并廣播給臨近控制器，智能調(diào)光燈。

LED單燈控制器在接收到數(shù)據(jù)包后首先使用CRC判斷接收到的數(shù)據(jù)包是否正確，對(duì)于正確的數(shù)據(jù)包主要是要判斷本機(jī)控制器是否要執(zhí)行該數(shù)據(jù)包的指令和是否要轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包，程序流程圖如圖5所示。

是否需要執(zhí)行該數(shù)據(jù)包的指令的方法：如果接收到是廣播型數(shù)據(jù)包，LED單燈控制器通過包號(hào)判斷該數(shù)據(jù)包是否被接收處理過，如果包號(hào)不同說明該數(shù)據(jù)包是第一次被接收，需要被處理，如果本地地址在廣播數(shù)據(jù)包的執(zhí)行列表中，LED單燈控制器就要分析、執(zhí)行該數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的指令，否則不處理。對(duì)于單播型數(shù)據(jù)包，如果本機(jī)地址是路由列表的最后一跳，則說明本機(jī)是該命令的目的地址，單燈控制器需要執(zhí)行并應(yīng)答該指令。應(yīng)答的方法是：講需要返回的數(shù)據(jù)裝入數(shù)據(jù)包的參數(shù)區(qū)，然后將路由表倒置，使數(shù)據(jù)包可以從發(fā)送路徑原路返回，同時(shí)將本機(jī)的RSSI裝入數(shù)據(jù)包中，告知智能路燈配電柜本機(jī)與上一跳之間的通信質(zhì)量，以便其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。

是否轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的判斷方法：對(duì)于第一次接收到的廣播數(shù)據(jù)包，LED單燈控制器判斷本機(jī)是否在路由列表之中，如果在，則將路由指針加1使數(shù)據(jù)包指向下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)地址，然后將該數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。對(duì)于單播數(shù)據(jù)包，如果本機(jī)不是最后一跳則說明本機(jī)是路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，LED單燈控制器將路由指針加1后再將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

針對(duì)傳統(tǒng)路燈只能定時(shí)開關(guān)燈或者遠(yuǎn)程控制的不足，本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的這兩個(gè)功能之上設(shè)計(jì)根據(jù)環(huán)境智能開關(guān)燈、調(diào)光的功能，實(shí)現(xiàn)了道路照明與環(huán)境的協(xié)同。各LED單燈控制器利用微波傳感器獲取路面的實(shí)際車輛通行情況和接收臨近LED單燈控制器發(fā)送出來的車輛通行信息，預(yù)測(cè)照亮范圍內(nèi)的車輛情況并根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)CJJ45-2015》計(jì)算路燈亮度，然后以計(jì)算結(jié)果為輸入、以實(shí)際亮度為反饋，使用PID算法進(jìn)行柔性調(diào)光，保持司機(jī)視野內(nèi)的亮度穩(wěn)定，滿足《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)CJJ45-2015》的要求，在車輛通過后迅速減低亮度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

3.2 4G/RF網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

4G/RF網(wǎng)關(guān)程序的主要功能是轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)客戶端下發(fā)的數(shù)據(jù)包、采集上傳各傳感器的數(shù)據(jù)和LED單燈控制器自組網(wǎng)的維護(hù)。

根據(jù)路燈帶狀分布的特點(diǎn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以智能配電柜為中心的有中心多跳自組網(wǎng)，所以組網(wǎng)的關(guān)鍵是根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度（Received Signal Strength Indication，RSSI）尋找能穩(wěn)定通信到的最遠(yuǎn)的LED單燈控制器作為路由節(jié)點(diǎn)，RSSI反映的是接收方接收到的無線信號(hào)強(qiáng)度，其值越大說明通知質(zhì)量越好，一般來說是隨著距離增大而降低，也會(huì)收到周圍環(huán)境遮蔽的影響[10]。組網(wǎng)的程序流程如圖6所示。

4G/RF網(wǎng)關(guān)上電后首先清除原有的路由表，然后根據(jù)PC端下傳的LED單燈控制器列表下發(fā)LED單燈控制器的短地址，使各單燈控制器能使用短地址運(yùn)行。4G/RF網(wǎng)關(guān)依次采集路由節(jié)點(diǎn)后面的每一個(gè)LED單燈控制器的電參數(shù)，依據(jù)通信協(xié)議，控制器在返回電能參數(shù)的同時(shí)會(huì)返回最后一次通信的RSSI，即路由節(jié)點(diǎn)與其通信的RSSI，如果RSSI大于設(shè)定的閾值，則說明可以繼續(xù)增加通信的距離，則通信短地址加1，與下一個(gè)LED單燈控制器通信，如此經(jīng)過多次迭代，直到找出第一個(gè)RSSI小于閾值的LED單燈控制器為止，該控制器即為當(dāng)前路由節(jié)點(diǎn)能穩(wěn)定通信到的下一個(gè)最遠(yuǎn)LED單燈控制器，所以其作為下一跳的路由節(jié)點(diǎn)。4G/RF網(wǎng)關(guān)執(zhí)行多次嘗試，直至找出6個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，完成自組網(wǎng)為止。

大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在公路這種特殊場(chǎng)景下進(jìn)行的無線通信容易受到車流量、天氣等因素影響，所以必須對(duì)于已經(jīng)形成的自組網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)維護(hù)，確保通信的可靠性。如圖6所示，根據(jù)組網(wǎng)方法本系統(tǒng)是以采集LED單燈控制器傳感器數(shù)據(jù)時(shí)返回的RSSI為依據(jù)，實(shí)時(shí)判斷各個(gè)LED單燈控制器的通信質(zhì)量，并據(jù)此重新指定新的最佳路由節(jié)點(diǎn)，形成新的自組網(wǎng)。

3.3 上位機(jī)客戶端程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)客戶端的主要作用是資產(chǎn)管理、人員管理、路面實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、路燈狀態(tài)監(jiān)控。管理人員可以通過上位機(jī)客戶端界面查看4G/RF網(wǎng)關(guān)、LED單燈控制器上傳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的分析可以手動(dòng)或者自動(dòng)對(duì)路燈的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)管理軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)各LED單燈控制器輸出的亮度值與實(shí)際電能參數(shù)比較，分析判斷路燈是否發(fā)生故障，如果確認(rèn)其發(fā)生了故障，軟件會(huì)發(fā)出報(bào)警，并將發(fā)生故障的路燈的具體地址信息、故障原因發(fā)送給客戶端，降低運(yùn)維的難度。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖7所示，LED單燈控制界面如圖8所示。

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行表明，在控制距離上，在主干道雙側(cè)布燈、燈桿高度12米、距離40米的條件下，本系統(tǒng)單側(cè)可穩(wěn)定傳輸至少70個(gè)燈桿、距離2800米左右;在故障檢測(cè)方面，可迅速發(fā)現(xiàn)LED燈老化亮度不足、損壞故障，并能準(zhǔn)確定位到燈桿;在智能控制方面，能按照日出日落、環(huán)境亮度、車輛等條件進(jìn)行開關(guān)燈、亮度調(diào)節(jié)。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)將4G公眾網(wǎng)和無線通信技術(shù)相結(jié)合，并基于RSSI構(gòu)成自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了路燈的單燈開光、亮度的精準(zhǔn)控制，LED單燈控制器還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈故障并定位故障路燈位置，提高了維護(hù)、維修的針對(duì)性，有效降低了路燈的運(yùn)維成本;同時(shí)本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了根據(jù)日出日落時(shí)間、環(huán)境光亮度、車流量信息對(duì)路燈的智能化路燈控制，不僅降低了路燈的電能消耗，還可延長(zhǎng)照明設(shè)施的使用壽命。

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作者簡(jiǎn)介：鄔志鋒（1985—?），男，廣東河源人，碩士，講師，研究方向：智能電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。