基于物聯(lián)網(wǎng)的無線照明控制系統(tǒng)

1、2010 年 4 月第 21 卷第 2 期照明工程學(xué)報zhaominggongcheng xuebaoapr.2010vol. 21no.2基于物聯(lián)網(wǎng)的無線照明控制系統(tǒng)浦敏1李云飛2王宜懷2（ 1.蘇州市華工照明科技有限公司，江蘇蘇州215021 ；2.蘇州大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215006 ）摘要 ：實現(xiàn)道路科學(xué)照明、綠色照明的關(guān)鍵問題是能夠測量和控制到每一盞路燈， 物聯(lián)網(wǎng)是解決這一問題最好的技術(shù)之一。本文選擇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) ，接受控制中心的指令， 反饋路燈的各種狀態(tài)，

2、 根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)度和時段自動調(diào)節(jié)照明亮度， 在保證道路照明質(zhì)量和視覺舒適的情況下， 節(jié)約電能20 30% 。關(guān)鍵詞 ：物聯(lián)網(wǎng) ；道路照明；mc13213 ；zigbee 技術(shù)road lightingsystem based on the internet of thingspu min1li yunfei2wang yihuai2（ 1. suzhou huagong lightingtechnologydevelopmentco. ，ltd， suzhou2150212. school of computer sciencetechnology，soochow university，suzh

3、ou215006 ）abstractthe abilityto measure and control each street lamp is the key issue to realize road scientificlightingand green lighting.the internet of things is one of the best technologies to solve this problem.mc13213chip is used to design an embedded wireless communication module in this pape

4、r.each street lamp on thewhole road could independent network ，receive instructionfrom control center，send various states feedbackof street lamps， and automaticallyadjust lightinglevelsaccording to the ambientlightintensity.thistechnology could ensure the qualityof road lighting ，visual comfort and

5、save energy 20% 30% .key words ： the internet of things；road lighting ；mc13213 ；zigbee technology1引言隨著城市經(jīng)濟(jì)和規(guī)模的發(fā)展， 各種類型的道路越來越長，機(jī)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(dá)到減少交通事故 ， 提升交通運輸效率的目的

6、。 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(dá) 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(rèn)可靠和視覺舒適情況下， 根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)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

7、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 通第 21 卷第 2 期浦敏等 ： 基于物聯(lián)網(wǎng)的無線照明控制系統(tǒng)87圖1無線控制路燈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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， cente

8、r 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(jī) ） 和路燈維護(hù)車也能通過 控 制 中 心進(jìn)行遠(yuǎn)程遙測和遙控。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mc132134， mc13213 采 用 sip 技 術(shù) 在 9 9mm 的lga封 裝 內(nèi) 集 成 了mc9s08gt主 控mcu和mc1320 x 射頻收發(fā)器。 mc13213 擁有 4kb 的 ram 、60kb 的

9、 flash ， 具 有 1 個 串 行 外 設(shè) 接 口（ serialperipheral 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 /digitalconverter， adc ） ，以及多達(dá)32 個的 gpio 口等 。 如圖 2 所示 。圖2

10、無線采集模塊的結(jié)構(gòu)88照明工程學(xué)報2010 年 4 月無線通信模塊采用zigbee 技術(shù) 、 ieee802. 15. 4協(xié)議5， 通信覆蓋半徑可達(dá)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(jìn)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(dāng)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(jìn) 行 了 防 雨 、 防 潮、 防 雷 電 、防電磁干

11、擾設(shè)計， 并充 分 考 慮 了 安裝方便、 維護(hù)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(jī)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)

12、 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(jìn)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(jī) 制 ： 命 令幀發(fā)送到達(dá)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(biāo)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

13、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(yuǎn) 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(dá) 76 mips（ dhrystone 2. 1 ） ， 接 口 功 能 包括 ：1 個 miniusb 接 口 ， 支 持 usb otg 功

14、 能 ， 3個 2 線串口 ，1 個麥克風(fēng)輸入接口， 1 個 headset輸入 /出接 口 ， 1 個 handset輸 入 / 出 接 口 ，1 個8/16 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 ；gtm900 b 和 em770w則 完 成遠(yuǎn)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sqlserver 2005 ， 與地理信息 系

15、 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(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， 全關(guān)

16、， 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(qiáng)度 ， 對路 燈 的 照 明 亮 度 進(jìn) 行 智 能 調(diào) 節(jié) ；2在 夜 間 ，特別是深夜當(dāng)檢測到汽車和行人的流量十分稀少時，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 市 ， 區(qū)，

17、街 道 、 電控箱甚至每盞路燈進(jìn)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。第 21 卷第 2 期浦敏等 ： 基于物聯(lián)網(wǎng)的無線照明控制系統(tǒng)89

18、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(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 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)用效果對比時間3個月（ 91天）平均點亮?xí)r間耗電總度數(shù)節(jié)電總度數(shù)左邊路燈100*250w /時25kw*6小時（ 天 ）13650（ 91 天 ）13650右邊路

19、燈100*250w /時25kw*12小時（天）27300（ 91天）0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(qiáng) 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(qiáng) 的環(huán)

20、境 光 ， 路 燈以補光的方式工作 ， 逐漸增加照明強(qiáng)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(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(hù)量和維護(hù)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(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，

21、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 故 障 自 動 偵 測 、報警具有實時性好 、 可靠性強(qiáng)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(qiáng)度。6結(jié)論先進(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(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(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 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)