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基于物联网的道路照明系统设计

木马童年 2018-10-16 19:30 353 0

1引言 随着城市经济和规模的发展,各种类型的道路越来越长,机动车数量迅速增加,夜间交通流量也越来越大,道路照明质量直接影响交通安全和城市发展。如何提高道路照明质量、降低能耗、实现绿色照明已成为城市照明 ...

1引言

随着城市经济和规模的发展,各种类型的道路越来越长,机动车数量迅速增加,夜间交通流量也越来越大,道路照明质量直接影响交通安全和城市发展。如何提高道路照明质量、降低能耗、实现绿色照明已成为城市照明的关键问题。道路照明的首要任务是在节约公共能源的基础上,提供安全和舒适的照明亮度,达到减少交通事故,提升交通运输效率的目的。由于基础设施的条件所限,目前普遍缺少路灯级的通信链路,路灯控制方式一般只能对整条道路统一控制,无法测量和控制到每一盏灯。本文基于物联网,设计了一种嵌入式无线路灯控制模块,实现了每盏路灯的无线自主组网,使每一盏路灯都能遥测和遥控,与路灯设施中的一些单元(如电子镇流器等)连接,达到路灯的亮度(或照度)在30%~100%无级可调,在保证道路照明质量、改善辨认可靠和视觉舒适情况下,根据环境光强度和时段,节约电能20~30%。

2系统结构

基于物联网道路照明系统的结构如图1所示,通过在每盏路灯嵌入一个无线通信模块,使它们自组网络,接受控制中心的命令并将路灯的状态反馈给控制中心;HG-2控制箱采用ZigBee技术与所管辖道路的所有路灯通信,采用GPRS与控制中心通信,根据控制中心的指令或时间和日照亮度对每盏路灯发出控制命令(路灯开启、关闭、照明度(功率大小)等),自动调节整条道路的功率平衡;控制中心由服务器、大屏显示、CenterView中央控制系统软件平台等组成,CenterView中央控制系统软件平台采用3D设计,通过缩放变换以俯视的角度观察和控制到整个城市、一个街道、一条道路、甚至一盏路灯的照明情况;移动计算工具(笔记本电脑、PDA、手机)和路灯维护车也能通过控制中心进行远程遥测和遥控。

3无线通信模块

3.1模块设计

无线通信模块的MCU为Freesclae公司MC13213,MC13213采用SiP技术在9×9mm的LGA封装内集成了MC9S08GT主控MCU和MC1320x射频收发器。MC13213拥有4KB的RAM、60KB的FLASH,具有1个串行外设接口(SerialPeripheralInterface,SPI),2个异步串行通信接口(SerialCommunicationsInterface,SCI),1个键盘中断模块(KeyboardInterrupt,KBI),2个定时器/脉宽调制模块(Timer/PWM,TPM),1个8通道10位的模数转换器(Analog/DigitalConverter,ADC),以及多达32个的GPIO口等。如图2所示。

无线通信模块采用ZigBee技术、IEEE802.15.4协议,通信覆盖半径可达150m,能与在其覆盖范围内的任何路灯节点自组网络和进行通信,除了实现路灯的物物相联以外,还具有调节电子镇流器的功率输出(30%~100%),实现节能和绿色照明,检测供电线路的电流、电压、功率因数以及、每一盏灯的工作状态,当发生故障(如灯具损坏、灯杆撞击、人为破坏)时,实时向监控中心和相关部门报警等功能。

无线通信模块还进行了防雨、防潮、防雷电、防电磁干扰设计,并充分考虑了安装方便、维护简单和可恢复性(接入两根线就实现了路灯级的无线控制,拆除两根线又恢复到原来的状态),可以嵌入在路灯的不同位置(灯杆底部、灯杆内、灯罩内)。

3.2通信协议

无线通信模块的通信协议如下:对照明实施按路段顺序编号,通过命令转发和状态返回实现节点之间“手拉手”的通信。命令转发机制:每个节点通过一个位示图结构来记录哪些帧已经被转发(位示图最多可以表示256帧),如果节点接收到命令帧后,判断该帧是否已经被该节点转发,如已转发则丢弃该帧(节点只对收到的命令帧进行转发,对帧的内容不做修改),从而保证了以最快的速度控制一条线路,并且有效防止了某个节点故障影响整条线路的工作;状态返回机制:命令帧发送到达指定节点后,该指定节点则接收该命令并立即返回状态;转发规则:只有节点号比目标节点号小才转发,状态返回过程则相反。

3.3与中央监控的连接

一条传输通信链路由若干个ZigBee节点组成,在这些节点的中间设置一个簇节点(一条道路可以设置1个或多个簇节点),其作用是以GPRS的方式与控制中心通信(命令接受和状态返回),簇节点采用Freescale公司32位CodeFire系列MCF52223芯片作为控制单元,GTM900B(华为GPRS通讯模块)和EM770W(华为WCDMA的3G通讯模块)作为远距离无线通信模。MCF5222x系列利用常用的V2ColdFire内核构建而成,在80MHz的频率下性能高达76MIPS(Dhrystone2.1),接口功能包括:1个MiniUSB接口,支持USBOTG功能,3个2线串口,1个麦克风输入接口,1个HEADSET输入/出接口,1个HANDSET输入/出接口,1个8Ω/16Ω扬声器输出接口,1个132*96点阵LED,1个5*5按键键盘,支持RTC、ADC、PIT&GPT、PWM等;GTM900B和EM770W则完成远距离的GPRS通信。

4控制中心软件设计

控制中心的软件设计平台为Windows2003,开发工具是微软VisualStudio2005,数据库使用SQLServer2005,与地理信息系统相结合,在获取了街道、建筑物以及路灯的位置、形状等特征信息后,设计以路灯为主体的3维虚拟城市,在控制中心大屏幕上动态显示道路的照明效果,并可以通过平移,放大,缩小等几何变换,观察整个城市、街道甚至每一盏路灯的照明情况。该软件主要有5个功能模块:系统设置、智能控制、电量核算、故障处理和紧急预案。系统设置中的区域设置有市,区,街道和电控箱4种;路灯设置有路灯的位置、型号、生产单位、施工单位、维护责任人,安装日期、清洗维护日期等;亮灯方式设置有全开,全关,单号路灯开,单号路灯关,双号路灯开,双号路灯关,1/3路灯开,1/3路灯关,1/4路灯开,1/4路灯关,智能控制等11种控制方式;时段设置可根据不同的城市不同的季节设置不同时段的亮灯方式;智能控制有两方面内容:针对安装了电子型路灯的路段,根据季节变化和天气状况,通过实时采样环境光强度,对路灯的照明亮度进行智能调节;在夜间,特别是深夜当检测到汽车和行人的流量十分稀少时,在不影响辨认可靠的情况下,适当降低道路的照明亮度,节约电耗;电量核算能对市,区,街道、电控箱甚至每盏路灯进行用电量的统计和核算;故障处理是对灯具损坏、断电、断相、过流、过压、三相不平衡以及人为破坏等情况,在第一时间向监控中心报警后迅速生成故障报告;故障处理的另一个功能是按路段和时段(年、季度、月)统计亮灯率、故障率、每次故障处理的效率(平均修理时间);紧急预案是对一些突发事件制定度紧急预案,在特殊情况下,尽可能提供合适的道路照明,保证人民生命财产的安全。图3是控制中心软件的运行界面之一。

5实际应用

物联网的道路照明系统自2009年5月以来,在某国家级工业园区进行了安装和测试,安装环境为同一条道路两边的各100盏路灯,道路左边的100盏路灯采用无线传感智能控制,共增加成本24600.00元人民币,道路右边的100盏路灯采用常规的控制方式(半夜后单双号间隔开灯18:30~6:30),测试结果如表1所示。

从表1中可以看出,采用物联网的智能控制,通过实际测试,物联网控制的100盏路灯在91天中,节约电能15925度,一般情况下在产品投入的半年内就可以收回全部投资。电耗降低有以下几个方面因素:开启关闭时间的调整,道路右边的路灯控制方式是根据季节设定开闭时间(定时控制)并且是全功率开全功率闭,道路右边的路灯控制方式是环境光强度和季节自动控制开闭时间,开启时,由于路面上尚有较强的环境光,路灯以补光的方式工作,逐渐增加照明强度,路灯关闭控制类似;深夜控制模式,由于深夜时企业与居民用电负荷减少,低压电网电压升高,常规控制方式下的路灯(道路右边)异常明亮、眩目,往往造成过度照明,不仅大大增加耗电,同时也导致灯具、电器实际使用寿命迅速下降,大量增加维护量和维护费用,深夜控制模式(道路左边),采用降功率照明,不但降低耗电,还能改善道路照明质量和视觉舒适度,延长灯具、电器的实际使用寿命;道路照明的智能控制,对有学校、居民密集的小区、道路转弯处、事故多发地带等特殊路段,适当提高照明亮度,其余路段则适当降低照明亮度。

采用物联网智能路灯控制后对故障自动侦测、报警具有实时性好、可靠性强各项优点,极大地缩短了由人工定期巡查检测的时间和劳动强度。

6结语

先进的道路照明不但可以提升城市的形象、提高交通运输效率,减少交通事故,还能节约大量的公共电能消耗。但对于大多数城市,由于缺少的必需基础设施(路灯级的通信链路),无法实现先进控制方法,物联网(物联网)出现和应用,有效地解决以上问题,本文基于无线传感网络,选择Freesclae公司MC13213芯片,设计了一种嵌入式无线通信模块,使整条道路的每一盏路灯自主联网,使用Freescale公司的MCF52223芯片、华为公司的GTM900B和EM770W作为远程通信模模块,实现了路灯的遥测、遥控,对节约公共资源,建设数字化和节约型城市有较高的实际应用价值。

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