1 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。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,。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,。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)境光強度和時段,，節(jié)約電能20～30%。
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,。
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?。┑龋詣诱{(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、CenterView中央控制系統(tǒng)軟件平臺等組成,，CenterView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MC13213,，MC13213采用SiP技術(shù)在9×9mm的LGA封裝內(nèi)集成了MC9S08GT主控MCU和MC1320x射頻收發(fā)器,。MC13213擁有4KB的RAM、60KB的FLASH,，具有1個串行外設(shè)接口（SerialPeripheralInterface,，SPI），2個異步串行通信接口（SerialCommunicationsInterface,，SCI），1個鍵盤中斷模塊（KeyboardInterrupt,，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,。
無線通信模塊采用ZigBee技術(shù),、IEEE802.15.4協(xié)議，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)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V2ColdFire內(nèi)核構(gòu)建而成,，在80MHz的頻率下性能高達(dá)76MIPS（Dhrystone2.1），接口功能包括：1個MiniUSB接口,，支持USBOTG功能,，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8Ω/16Ω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,；GTM900B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Windows2003，開發(fā)工具是微軟VisualStudio2005,，數(shù)據(jù)庫使用SQLServer2005,，與地理信息系統(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),，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：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)境光強度，對路燈的照明亮度進(jìn)行智能調(diào)節(jié),；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),，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,。
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。
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，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度,。
6 結(jié)語
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)，使用Freescale公司的MCF52223芯片,、華為公司的GTM900B和EM770W作為遠(yuǎn)程通信模模塊,，實現(xiàn)了路燈的遙測、遙控,，對節(jié)約公共資源,，建設(shè)數(shù)字化和節(jié)約型城市有較高的實際應(yīng)用價值。