基于物联网的无线照明控制系统

浦敏 李云飞 王宜怀

(1.苏州市华工照明科技有限公司，江苏苏州 215021;2.苏州大学计算机科学与技术学院，江苏苏州 215006)

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［1，2］。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［3］。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、Center View中央控制系统软件平台等组成，Center View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。

图1 无线控制路灯的系统结构

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［4］，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 (Serial Peripheral Interface，SPI)，2个异步串行通信接口(Serial Communications Interface，SCI)，1个键盘中断模块 (Keyboard Interrupt，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/Digital Converter，ADC)，以及多达32个的GPIO口等。如图2所示。

图2 无线采集模块的结构

无线通信模块采用ZigBee技术、IEEE802.15.4协议［5］，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V2 ColdFire内核构建而成，在80MHz的频率下性能高达76MIPS(Dhrystone 2.1)，接口功能包括:1个 Mini USB接口，支持 USB OTG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Windows 2003，开发工具是微软 Visual Studio 2005，数据库使用SQL Server 2005，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:［1］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;［2］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。

图3 运行界面

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。

表1 应用效果对比

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 结论

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。

［1］杨春宇，胡英奎，陈仲林.用中间视觉理论研究道路照明节能 ［J］.照明工程学报，2008，19(4):44～47.

［2］张惠玲，王晓雯.城市道路照明设置与节能探讨 ［J］.重庆交通大学学报 (自然科学版)，2007，26(10):106～109.

［3］卢秀和，王 琪，陈 军等.城市照明智能调光方法的研究 ［J］.电力电子技术，2007，41(10):34～36.

［4］Freescale.MC13213:2.4GHz RF transceiver and 8－bit MCU with 60K of Flash for ZigBee applications［EB/OL］.http:∥www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MC13213＆nodeId=0106-B986992-5657103，2009.

［5］Reese R.A Zigbee-subset/IEEE 802.15.4 Multi-platform Protocol Stack［EB/OL］.http:∥www.ece.msstate.edu/reese/msstatePAN/，2009.