物联网实现道路科学绿色地照明(2)

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。

4 控制中心软件设计

控制中心的软件设计平台为Windows2003，开发工具是微软VisualStudio2005，数据库使用SQLServer2005，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：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；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。

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。

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 结语

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。