物聯(lián)網(wǎng)助力道路科學(xué)綠色的照明

　　1 引言

　　隨著城市經(jīng)濟(jì)和規(guī)模的發(fā)展，各種類(lèi)型的道路越來(lái)越長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量迅速增加，夜間交通流量也越來(lái)越大，道路照明質(zhì)量直接影響交通安全和城市發(fā)展。如何提高道路照明質(zhì)量、降低能耗、實(shí)現(xiàn)綠色照明已成為城市照明的關(guān)鍵問(wèn)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(dá)到減少交通事故，提升交通運(yùn)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(jí)的通信鏈路，路燈控制方式一般只能對(duì)整條道路統(tǒng)一控制，無(wú)法測(cè)量和控制到每一盞燈。本文基于物聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)了一種嵌入式無(wú)線路燈控制模塊，實(shí)現(xiàn)了每盞路燈的無(wú)線自主組網(wǎng)，使每一盞路燈都能遙測(cè)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(dá)到路燈的亮度（或照度）在30%～100%無(wú)級(jí)可調(diào)，在保證道路照明質(zhì)量、改善辨認(rèn)可靠和視覺(jué)舒適情況下，根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)度和時(shí)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(guò)在每盞路燈嵌入一個(gè)無(wú)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(shí)間和日照亮度對(duì)每盞路燈發(fā)出控制命令（路燈開(kāi)啟、關(guān)閉、照明度（功率大小）等），自動(dòng)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、CenterView中央控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)等組成，CenterView中央控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用3D設(shè)計(jì)，通過(guò)縮放變換以俯視的角度觀察和控制到整個(gè)城市、一個(gè)街道、一條道路、甚至一盞路燈的照明情況；移動(dòng)計(jì)算工具（筆記本電腦、PDA、手機(jī)）和路燈維護(hù)車(chē)也能通過(guò)控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)程遙測(cè)和遙控。

　　3 無(wú)線通信模塊

　　3.1 模塊設(shè)計(jì)

　　無(wú)線通信模塊的MCU為Freesclae公司MC13213，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(gè)串行外設(shè)接口（SerialPeripheralInterface，SPI），2個(gè)異步串行通信接口（SerialCommunicationsInterface，SCI），1個(gè)鍵盤(pán)中斷模塊（KeyboardInterrupt，KBI），2個(gè)定時(shí)器/脈寬調(diào)制模塊（Timer/PWM，TPM），1個(gè)8通道10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog/DigitalConverter，ADC），以及多達(dá)32個(gè)的GPIO口等。如圖2所示。

　　無(wú)線通信模塊采用ZigBee技術(shù)、IEEE802.15.4協(xié)議，通信覆蓋半徑可達(dá)150m，能與在其覆蓋范圍內(nèi)的任何路燈節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)行通信，除了實(shí)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(shí)現(xiàn)節(jié)能和綠色照明，檢測(cè)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(dāng)發(fā)生故障（如燈具損壞、燈桿撞擊、人為破壞）時(shí)，實(shí)時(shí)向監(jiān)控中心和相關(guān)部門(mén)報(bào)警等功能。

　　無(wú)線通信模塊還進(jìn)行了防雨、防潮、防雷電、防電磁干擾設(shè)計(jì)，并充分考慮了安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單和可恢復(fù)性（接入兩根線就實(shí)現(xiàn)了路燈級(jí)的無(wú)線控制，拆除兩根線又恢復(fù)到原來(lái)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(wú)線通信模塊的通信協(xié)議如下：對(duì)照明實(shí)施按路段順序編號(hào)，通過(guò)命令轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)返回實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間“手拉手”的通信。命令轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制：每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)位示圖結(jié)構(gòu)來(lái)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(diǎn)接收到命令幀后，判斷該幀是否已經(jīng)被該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，如已轉(zhuǎn)發(fā)則丟棄該幀（節(jié)點(diǎn)只對(duì)收到的命令幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)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(gè)節(jié)點(diǎn)故障影響整條線路的工作；狀態(tài)返回機(jī)制：命令幀發(fā)送到達(dá)指定節(jié)點(diǎn)后，該指定節(jié)點(diǎn)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(diǎn)號(hào)比目標(biāo)節(jié)點(diǎn)號(hào)小才轉(zhuǎn)發(fā)，狀態(tài)返回過(guò)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(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)組成，在這些節(jié)點(diǎn)的中間設(shè)置一個(gè)簇節(jié)點(diǎn)（一條道路可以設(shè)置1個(gè)或多個(gè)簇節(jié)點(diǎn)），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(diǎn)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(yuǎn)距離無(wú)線通信模。MCF5222x系列利用常用的V2ColdFire內(nèi)核構(gòu)建而成，在80MHz的頻率下性能高達(dá)76MIPS（Dhrystone2.1），接口功能包括：1個(gè)MiniUSB接口，支持USBOTG功能，3個(gè)2線串口，1個(gè)麥克風(fēng)輸入接口，1個(gè)HEADSET輸入/出接口，1個(gè)HANDSET輸入/出接口，1個(gè)8Ω/16Ω揚(yáng)聲器輸出接口，1個(gè)132*96點(diǎn)陣LED，1個(gè)5*5按鍵鍵盤(pán)，支持RTC、ADC、PIT＆GPT、PWM等；GTM900B和EM770W則完成遠(yuǎn)距離的GPRS通信。

　　4 控制中心軟件設(shè)計(jì)

　　控制中心的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)為Windows2003，開(kāi)發(fā)工具是微軟VisualStudio2005，數(shù)據(jù)庫(kù)使用SQLServer2005，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(jì)以路燈為主體的3維虛擬城市，在控制中心大屏幕上動(dòng)態(tài)顯示道路的照明效果，并可以通過(guò)平移，放大，縮小等幾何變換，觀察整個(gè)城市、街道甚至每一盞路燈的照明情況。該軟件主要有5個(gè)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(hào)、生產(chǎn)單位、施工單位、維護(hù)責(zé)任人，安裝日期、清洗維護(hù)日期等；亮燈方式設(shè)置有全開(kāi)，全關(guān)，單號(hào)路燈開(kāi)，單號(hào)路燈關(guān)，雙號(hào)路燈開(kāi)，雙號(hào)路燈關(guān)，1/3路燈開(kāi)，1/3路燈關(guān)，1/4路燈開(kāi)，1/4路燈關(guān)，智能控制等11種控制方式；時(shí)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(shí)段的亮燈方式；智能控制有兩方面內(nèi)容：針對(duì)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(guò)實(shí)時(shí)采樣環(huán)境光強(qiáng)度，對(duì)路燈的照明亮度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)；在夜間，特別是深夜當(dāng)檢測(cè)到汽車(chē)和行人的流量十分稀少時(shí)，在不影響辨認(rèn)可靠的情況下，適當(dāng)降低道路的照明亮度，節(jié)約電耗；電量核算能對(duì)市，區(qū)，街道、電控箱甚至每盞路燈進(jìn)行用電量的統(tǒng)計(jì)和核算；故障處理是對(duì)燈具損壞、斷電、斷相、過(guò)流、過(guò)壓、三相不平衡以及人為破壞等情況，在第一時(shí)間向監(jiān)控中心報(bào)警后迅速生成故障報(bào)告；故障處理的另一個(gè)功能是按路段和時(shí)段（年、季度、月）統(tǒng)計(jì)亮燈率、故障率、每次故障處理的效率（平均修理時(shí)間）；緊急預(yù)案是對(duì)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(cái)產(chǎn)的安全。圖3是控制中心軟件的運(yùn)行界面之一。

　　5 實(shí)際應(yīng)用

　　物聯(lián)網(wǎng)的道路照明系統(tǒng)自2009年5月以來(lái)，在某國(guó)家級(jí)工業(yè)園區(qū)進(jìn)行了安裝和測(cè)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(wú)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(hào)間隔開(kāi)燈18:30～6:30），測(cè)試結(jié)果如表1所示。

　　從表1中可以看出，采用物聯(lián)網(wǎng)的智能控制，通過(guò)實(shí)際測(cè)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(gè)方面因素：開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)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(kāi)閉時(shí)間（定時(shí)控制）并且是全功率開(kāi)全功率閉，道路右邊的路燈控制方式是環(huán)境光強(qiáng)度和季節(jié)自動(dòng)控制開(kāi)閉時(shí)間，開(kāi)啟時(shí)，由于路面上尚有較強(qiáng)的環(huán)境光，路燈以補(bǔ)光的方式工作，逐漸增加照明強(qiáng)度，路燈關(guān)閉控制類(lèi)似；深夜控制模式，由于深夜時(shí)企業(yè)與居民用電負(fù)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(guò)度照明，不僅大大增加耗電，同時(shí)也導(dǎo)致燈具、電器實(shí)際使用壽命迅速下降，大量增加維護(hù)量和維護(hù)費(fèi)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(jué)舒適度，延長(zhǎng)燈具、電器的實(shí)際使用壽命；道路照明的智能控制，對(duì)有學(xué)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(dāng)提高照明亮度，其余路段則適當(dāng)降低照明亮度。

　　采用物聯(lián)網(wǎng)智能路燈控制后對(duì)故障自動(dòng)偵測(cè)、報(bào)警具有實(shí)時(shí)性好、可靠性強(qiáng)各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，極大地縮短了由人工定期巡查檢測(cè)的時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　先進(jìn)的道路照明不但可以提升城市的形象、提高交通運(yùn)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(duì)于大多數(shù)城市，由于缺少的必需基礎(chǔ)設(shè)施（路燈級(jí)的通信鏈路），無(wú)法實(shí)現(xiàn)先進(jìn)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(wèn)題，本文基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，選擇Freesclae公司MC13213芯片，設(shè)計(jì)了一種嵌入式無(wú)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(yuǎn)程通信模模塊，實(shí)現(xiàn)了路燈的遙測(cè)、遙控，對(duì)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。


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