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基于物联网的道路照明系统设计

导读: 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。

  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。

 

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