基于無(wú)線(xiàn)通信M2M模塊的道路照明解決方案

基于物聯(lián)網(wǎng)道路照明系統的結構如圖1所示，通過(guò)在每盞路燈嵌入一個(gè)無(wú)線(xiàn)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，根據控制中心的指令或時(shí)間和日照亮度對每盞路燈發(fā)出控制命令（路燈開(kāi)啟、關(guān)閉、照明度（功率大?。┑龋?，自動(dòng)調節整條道路的功率平衡；控制中心由服務(wù)器、大屏顯示、CenterView中央控制系統軟件平臺等組成，CenterView中央控制系統軟件平臺采用3D設計，通過(guò)縮放變換以俯視的角度觀(guān)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)計算工具（筆記本電腦、PDA、手機）和路燈維護車(chē)也能通過(guò)控制中心進(jìn)行遠程遙測和遙控。



3 無(wú)線(xiàn)通信模塊

無(wú)線(xiàn)通信模塊的MCU為Freesclae公司MC13213，MC13213采用SiP技術(shù)在9×9mm的LGA封裝內集成了MC9S08GT主控MCU和MC1320x射頻收發(fā)器。如圖2所示。



無(wú)線(xiàn)通信模塊采用ZigBee技術(shù)、IEEE802.15.4協(xié)議，通信覆蓋半徑可達150m，能與在其覆蓋范圍內的任何路燈節點(diǎn)自組網(wǎng)絡(luò )和進(jìn)行通信，除了實(shí)現路燈的物物相聯(lián)以外，還具有調節電子鎮流器的功率輸出（30%～100%），實(shí)現節能和綠色照明，檢測供電線(xiàn)路的電流、電壓、功率因數以及、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(shí)，實(shí)時(shí)向監控中心和相關(guān)部門(mén)報警等功能。

無(wú)線(xiàn)通信模塊還進(jìn)行了防雨、防潮、防雷電、防電磁干擾設計，并充分考慮了安裝方便、維護簡(jiǎn)單和可恢復性（接入兩根線(xiàn)就實(shí)現了路燈級的無(wú)線(xiàn)控制，拆除兩根線(xiàn)又恢復到原來(lái)的狀態(tài)），可以嵌入在路燈的不同位置（燈桿底部、燈桿內、燈罩內）。

3.2 通信協(xié)議

無(wú)線(xiàn)通信模塊的通信協(xié)議如下：對照明實(shí)施按路段順序編號，通過(guò)命令轉發(fā)和狀態(tài)返回實(shí)現節點(diǎn)之間“手拉手”的通信。命令轉發(fā)機制：每個(gè)節點(diǎn)通過(guò)一個(gè)位示圖結構來(lái)記錄哪些幀已經(jīng)被轉發(fā)（位示圖最多可以表示256幀），如果節點(diǎn)接收到命令幀后，判斷該幀是否已經(jīng)被該節點(diǎn)轉發(fā)，如已轉發(fā)則丟棄該幀（節點(diǎn)只對收到的命令幀進(jìn)行轉發(fā)，對幀的內容不做修改），從而保證了以最快的速度控制一條線(xiàn)路，并且有效防止了某個(gè)節點(diǎn)故障影響整條線(xiàn)路的工作；狀態(tài)返回機制：命令幀發(fā)送到達指定節點(diǎn)后，該指定節點(diǎn)則接收該命令并立即返回狀態(tài)；轉發(fā)規則：只有節點(diǎn)號比目標節點(diǎn)號小才轉發(fā)，狀態(tài)返回過(guò)程則相反。

3.3 與中央監控的連接

一條傳輸通信鏈路由若干個(gè)ZigBee節點(diǎn)組成，在這些節點(diǎn)的中間設置一個(gè)簇節點(diǎn)（一條道路可以設置1個(gè)或多個(gè)簇節點(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）作為遠距離無(wú)線(xiàn)通信模。MCF5222x系列利用常用的V2ColdFire內核構建而成，在80MHz的頻率下性能高達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(xiàn)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則完成遠距離的GPRS通信。

4 控制中心軟件設計

控制中心的軟件設計平臺為Windows2003，開(kāi)發(fā)工具是微軟VisualStudio2005，數據庫使用SQLServer2005，與地理信息系統相結合，在獲取了街道、建筑物以及路燈的位置、形狀等特征信息后，設計以路燈為主體的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(guān)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：系統設置、智能控制、電量核算、故障處理和緊急預案。系統設置中的區域設置有市，區，街道和電控箱4種；路燈設置有路燈的位置、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；亮燈方式設置有全開(kāi)，全關(guān)，單號路燈開(kāi)，單號路燈關(guān)，雙號路燈開(kāi)，雙號路燈關(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)段設置可根據不同的城市不同的季節設置不同時(shí)段的亮燈方式；智能控制有兩方面內容：針對安裝了電子型路燈的路段，根據季節變化和天氣狀況，通過(guò)實(shí)時(shí)采樣環(huán)境光強度，對路燈的照明亮度進(jìn)行智能調節；在夜間，特別是深夜當檢測到汽車(chē)和行人的流量十分稀少時(shí)，在不影響辨認可靠的情況下，適當降低道路的照明亮度，節約電耗；電量核算能對市，區，街道、電控箱甚至每盞路燈進(jìn)行用電量的統計和核算；故障處理是對燈具損壞、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)間向監控中心報警后迅速生成故障報告；故障處理的另一個(gè)功能是按路段和時(shí)段（年、季度、月）統計亮燈率、故障率、每次故障處理的效率（平均修理時(shí)間）；緊急預案是對一些突發(fā)事件制定度緊急預案，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。



5 實(shí)際應用

物聯(lián)網(wǎng)的道路照明系統自2009年5月以來(lái)，在某國家級工業(yè)園區進(jìn)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(wú)線(xiàn)傳感智能控制，共增加成本24600.00元人民幣，道路右邊的100盞路燈采用常規的控制方式（半夜后單雙號間隔開(kāi)燈18:30～6:30），測試結果如表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)際測試，物聯(lián)網(wǎng)控制的100盞路燈在91天中，節約電能15925度，一般情況下在產(chǎn)品投入的半年內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)間的調整，道路右邊的路燈控制方式是根據季節設定開(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)境光強度和季節自動(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(lèi)似；深夜控制模式，由于深夜時(shí)企業(yè)與居民用電負荷減少，低壓電網(wǎng)電壓升高，常規控制方式下的路燈（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)也導致燈具、電器實(shí)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(jué)舒適度，延長(cháng)燈具、電器的實(shí)際使用壽命；道路照明的智能控制，對有學(xué)校、居民密集的小區、道路轉彎處、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(dòng)偵測、報警具有實(shí)時(shí)性好、可靠性強各項優(yōu)點(diǎn)，極大地縮短了由人工定期巡查檢測的時(shí)間和勞動(dòng)強度。



6 結語(yǔ)

先進(jìn)的道路照明不但可以提升城市的形象、提高交通運輸效率，減少交通事故，還能節約大量的公共電能消耗。但對于大多數城市，由于缺少的必需基礎設施（路燈級的通信鏈路），無(wú)法實(shí)現先進(jìn)控制方法，物聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）出現和應用，有效地解決以上問(wèn)題，本文基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，選擇Freesclae公司MC13213芯片，設計了一種嵌入式無(wú)線(xiàn)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MG323和EM770W作為遠程通信模模塊，實(shí)現了路燈的遙測、遙控，對節約公共資源，建設數字化和節約型城市有較高的實(shí)際應用價(jià)值。