基于物联网的无线照明控制系统VIP

1、2010 年 4 月第 21 卷第 2 期照明工程学报zhaominggongcheng xuebaoapr.2010vol. 21no.2基于物联网的无线照明控制系统浦敏1李云飞2王宜怀2（ 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 ）摘要 ：实现道路科学照明、绿色照明的关键问题是能够测量和控制到每一盏路灯， 物联网是解决这一问题最好的技术之一。本文选择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 ，接受控制中心的指令， 反馈路灯的各种状态，

2、 根据环境光强度和时段自动调节照明亮度， 在保证道路照明质量和视觉舒适的情况下， 节约电能20 30% 。关键词 ：物联网 ；道路照明；mc13213 ；zigbee 技术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

6、。 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

7、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 通第 21 卷第 2 期浦敏等 ： 基于物联网的无线照明控制系统87图1无线控制路灯的系统结构信 ，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， cente

8、r 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。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mc132134， mc13213 采 用 sip 技 术 在 9 9mm 的lga封 装 内 集 成 了mc9s08gt主 控mcu和mc1320 x 射频收发器。 mc13213 拥有 4kb 的 ram 、60kb 的

9、 flash ， 具 有 1 个 串 行 外 设 接 口（ serialperipheral 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 /digitalconverter， adc ） ，以及多达32 个的 gpio 口等 。 如图 2 所示 。图2

10、无线采集模块的结构88照明工程学报2010 年 4 月无线通信模块采用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

11、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

12、 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

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

14、 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8/16 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 ；gtm900 b 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sqlserver 2005 ， 与地理信息 系

15、 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

16、， 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，

17、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。第 21 卷第 2 期浦敏等 ： 基于物联网的无线照明控制系统89

18、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应用效果对比时间3个月（ 91天）平均点亮时间耗电总度数节电总度数左边路灯100*250w /时25kw*6小时（ 天 ）13650（ 91 天 ）13650右边路

19、灯100*250w /时25kw*12小时（天）27300（ 91天）0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

20、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，

21、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