基于物聯(lián)網(wǎng)的道路照明系統(tǒng)解決方案2017

一、企業(yè)基本情況二、項目基本情況2.1項目實施背景隨著城市建設(shè)的發(fā)展，作為展現(xiàn)城市形象的城市照明系統(tǒng)受到了各地政府的高度重視。針對城市照明的特點，我公司設(shè)計了城市照明控制系統(tǒng)的一整套解決方案，可以提高照明質(zhì)量、節(jié)約能源、提升運(yùn)行管理水平。目前的城市照明燈光大多采用分散手控和時控方式為主，即在路燈配電箱中安裝定時器，按預(yù)定的時間自行開關(guān)燈，時控方式以時間為唯一開關(guān)燈依據(jù)，不論在任何季節(jié)氣象條件下，均只能在規(guī)定地統(tǒng)一時刻開關(guān)燈。隨季節(jié)變化，需要人工干預(yù)來調(diào)整開關(guān)時間；而有些景觀燈開關(guān)通常是人工手動控制方法，人工控制方式是根據(jù)開關(guān)燈時間表由值班人員手動進(jìn)行開關(guān)燈操作?，F(xiàn)行的方法既不能及時調(diào)整開關(guān)燈的時間，更無法及時反映照明設(shè)施的運(yùn)行情況，并且故障率高、維修困難。另外，電力載波控制具有易受電力線強(qiáng)磁場干擾，通信環(huán)境惡劣，信號衰減強(qiáng)、時變性大等缺點。傳統(tǒng)的路燈照明控制方式的運(yùn)行、操作結(jié)果不能集中監(jiān)視、記錄和統(tǒng)計，達(dá)不到量化管理的要求。在路燈控制方面，ZIGBEE技術(shù)結(jié)合傳感器技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)可以解決傳統(tǒng)控制方法中存在的問題，使得路燈監(jiān)控脫離了人工干預(yù)，實現(xiàn)自動化控制?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的城市照明控制系統(tǒng)在吸收消化了國外同類產(chǎn)品技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過自主開發(fā)，融合“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)，實現(xiàn)了路燈人多年的單燈智能控制與檢修的夢想。2.2項目基本情況基于物聯(lián)網(wǎng)的道路照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，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；HG2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。2.3項目參與人員三、項目技術(shù)報告3.1項目關(guān)鍵技術(shù)一、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9x9mm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，2個異步串行通信接口，1個鍵盤中斷模塊，1個定時器/脈寬調(diào)制模塊，1個8通道10位的模塊轉(zhuǎn)換器，以及多達(dá)32個的GPIO口等。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(30一100)，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))。二、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。三、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FREESCLAE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V2 CODEFIRE內(nèi)核構(gòu)建而成，在80MHz的頻率下性能高達(dá)76MIPS(Dhrystone 21)，接口功能包括：1個Mini USB接口，支持USB OTG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816揚(yáng)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。3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計控制中心的軟件設(shè)計平臺為Windows 2003，開發(fā)工具是微軟Visual Studio 2005，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2005，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)，13路燈開，13路燈關(guān)，14路燈開，14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：（1）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(qiáng)度，對路燈的照明亮度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)；（2）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。主要功能模塊1）路燈監(jiān)控的“三遙”功能：實現(xiàn)自動運(yùn)行和手動控制；使用控制平臺對路燈遠(yuǎn)程遙控、自動報警、選測；2）報警處理功能：報警內(nèi)容包括：照明電器損壞、電壓電流越限等；3）自動控制方案：設(shè)置單次模式、每天模式、節(jié)約模式，實現(xiàn)按需照明；4）自動校時系統(tǒng)：在保證集中控制器與通信服務(wù)器正常連通的情況下，系統(tǒng)時鐘自動與通信服務(wù)器時鐘同步，系統(tǒng)定時自動對終端設(shè)備進(jìn)行精確校時；5）遠(yuǎn)程監(jiān)控和查詢：通過互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程接管和遠(yuǎn)程實時查詢；6）數(shù)據(jù)采集功能：單燈或者支路電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)參數(shù)采集；7）控制功能：實現(xiàn)分區(qū)域（組）開、關(guān)、查詢功能和單燈開、關(guān)、查詢功能；8）調(diào)光功能：實現(xiàn)配合LED載波電源，進(jìn)行定時調(diào)光功能；9）系統(tǒng)具有緊急控制開關(guān)裝置、提高系統(tǒng)控制性能；10）報表功能：包含歷史數(shù)據(jù)存儲；3.3項目硬件構(gòu)成“基于物聯(lián)網(wǎng)的道路照明系統(tǒng)”主要由單燈控制器、現(xiàn)場基站和監(jiān)控中心監(jiān)控軟件三個部分組成。系統(tǒng)先由單燈控制器組成子網(wǎng)，再由現(xiàn)場基站通過無線的方式將子網(wǎng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至控制中心，最后由監(jiān)控中心監(jiān)控軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及控制。單燈控制器安裝在每盞路燈上與電源模塊及燈具進(jìn)行連接，負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場基站發(fā)出的信號，從而進(jìn)行控制路燈開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)、溫度采集、濕度采集、亮度采集等操作；該無線路燈控制器可采集電流、電壓等參數(shù)，通過無線智能控制方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，為節(jié)能等評估打下數(shù)字基礎(chǔ)。l 現(xiàn)場基站現(xiàn)場基站處于監(jiān)控中心和各單燈控制器組網(wǎng)范圍間，主要負(fù)責(zé)單燈控制器的時序調(diào)整、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)接收及發(fā)送操作等，同時它負(fù)責(zé)控制網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，將監(jiān)控中心的命令下達(dá)給單燈控制器，將控制器及線路信息反饋監(jiān)控中心。l 監(jiān)控軟件監(jiān)控中心監(jiān)控軟件運(yùn)行在Windows平臺上，數(shù)據(jù)庫使用MS SQL數(shù)據(jù)庫，基于Web方式，支持遠(yuǎn)程訪問。監(jiān)控軟件對現(xiàn)場基站進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問和監(jiān)控，包括參數(shù)配置，監(jiān)控命令發(fā)送、現(xiàn)場燈具狀態(tài)收集及管理等。它能夠顯示路燈狀態(tài)（亮度、溫度、濕度、電壓、電流、功率和功率因數(shù)）信息，能夠遠(yuǎn)程控制路燈的開關(guān)和調(diào)節(jié)路燈的亮度，可以實現(xiàn)時序調(diào)度事件、讀取數(shù)據(jù)記錄、監(jiān)視事件和報警應(yīng)答等操作。 （一）ZIGBEE通信系統(tǒng)在ZIGBEE技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)通常由層來量化它的各個簡化標(biāo)準(zhǔn)。每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并由向上層提供服務(wù)。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務(wù)。ZIGBEE協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)主要由物理（PHY）層、媒體接入控制（MAC）層、網(wǎng)絡(luò)/安全層以及應(yīng)用層構(gòu)成。ZIGBEE標(biāo)準(zhǔn)確定了ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中的三種設(shè)備：ZIGBEE協(xié)調(diào)器、ZIGBEE路由器和ZIGBEE終端設(shè)備。每個網(wǎng)絡(luò)都必須包括一臺ZIGBEE協(xié)調(diào)器，它負(fù)責(zé)建立并啟動一個網(wǎng)絡(luò)，其中包括選擇合適的射頻信息、唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符等一系列操作。ZIGBEE路由器作為遠(yuǎn)程設(shè)備之間的中繼器來進(jìn)行通信，能夠用來拓展網(wǎng)絡(luò)的范圍，負(fù)責(zé)搜尋網(wǎng)絡(luò)路徑在任意兩個設(shè)備之間建立端到端的傳輸。ZIGBEE終端設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)ZIGBEE規(guī)范，將網(wǎng)絡(luò)層分為數(shù)據(jù)實體、管理實體。數(shù)據(jù)實體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)，管理實體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制。數(shù)據(jù)實體提供網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)服務(wù)，對應(yīng)用層和MAC層的接口分別為NLDE-SAP（網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)訪問接口）、MCPS-SAP（MAC層數(shù)據(jù)訪問接口），實現(xiàn)兩個對等的應(yīng)用層之間的端到端的傳輸。（二）路端通信裝置路端通信裝置總體框如如下：其中AD模塊和繼電器模塊用于路端的控制箱的控制和檢測，該部分功能用戶根據(jù)需求可選。如果用戶控制和監(jiān)測路端的路燈控制箱可以使用這些模塊來實現(xiàn)這些功能。SPI，IIC接口便于擴(kuò)展，使得硬件具有靈活性和可擴(kuò)展性。電源電路電源電路為MCU提供3.3V工作電壓，它的好壞直接決定整個系統(tǒng)能否穩(wěn)定地工作。為了提高電源電路的抗干擾性，所有的電源引腳必須接有相應(yīng)的濾波電容，在PCB布板時應(yīng)將這些濾波電容盡可能地靠近相應(yīng)的引腳，以抑制高頻噪音，降低電源波動對系統(tǒng)的影響。晶振電路晶振電路為MCU提供工作時鐘。本系統(tǒng)選用的是48MHz的外部有源晶振。EXTAL為晶振或外部時鐘輸入；XTAL為晶振輸出。PLL濾波電路PLL濾波電路主要實現(xiàn)對片內(nèi)PLL模塊濾波的作用，VDDPLL引腳由芯片內(nèi)部提供電壓。片內(nèi)PLL模塊可以對外部接入的時鐘信號進(jìn)行倍頻。復(fù)位電路復(fù)位電路實現(xiàn)系統(tǒng)上電復(fù)位以及運(yùn)行時的按鍵復(fù)位功能。復(fù)位信號包括復(fù)位輸入RSTI和復(fù)位輸出RSTO。RSTI為低電平有效：正常工作時，RSTI引腳通過4.7k上拉電阻接到電源正極保持高電平；若按下復(fù)位按鈕，RSTI引腳接地變?yōu)榈碗娖?，芯片?fù)位。若復(fù)位成功，RSTO會輸出低電平，發(fā)光二極管點亮。注意：如果RSTI一直被拉低，MCU將無法正常工作；也不能將此引腳懸空。3.4項目功能簡介遠(yuǎn)程控制功能：能控制交流的通斷，實現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)燈功能；通過PWM接口，改變輸入電流，實現(xiàn)LED燈的亮度調(diào)節(jié)。亮度調(diào)節(jié)范圍從0%到99%；可實現(xiàn)開關(guān)時段控制（單一集中控制下的一個子網(wǎng)，在脫網(wǎng)的情況下（比如監(jiān)控中心故障）也能按照某種既定的方案正常運(yùn)行）。實現(xiàn)分組控制（比如按奇數(shù)燈號亮，偶數(shù)燈號滅）。實時數(shù)據(jù)采集監(jiān)測查詢：電壓、電流的實時數(shù)據(jù)；恒流模塊是否正常；路燈節(jié)點時間與PC同步（可以實現(xiàn)后臺崩潰后路燈節(jié)點的自動控制）；斷電監(jiān)測（采用軟件輪詢放上獲取單燈控制器工作狀態(tài)判斷是否斷電）；電源模塊或燈具溫度的采集；監(jiān)控中心可以查詢?nèi)我鈺r間段每路路燈數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析：可以統(tǒng)計燈的亮燈率；統(tǒng)計LED燈的用電量。l 報警功能：輸出電壓過壓、輸出電流過流的監(jiān)測報警；恒流模塊是否正常的監(jiān)測報警；斷電的報警?？蓪崿F(xiàn)通過GPRS把報警信息發(fā)到指定手機(jī)上。l 數(shù)據(jù)存儲及報表輸出：現(xiàn)場監(jiān)自動控制設(shè)備在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫中存儲歷史記錄，數(shù)據(jù)庫可以集中生成一個時間段的電流、電壓、電能、亮燈率、開關(guān)時間的分析曲線和報表，并能打印出來。3.5項目進(jìn)度及完成期限四、項目投資情況資金投入情況：本項目計劃投資 萬元，其中設(shè)備購置費 萬元，軟件開發(fā)費 萬元，人員經(jīng)費 萬元。項目的主體部分已經(jīng)建設(shè)完成，接下來會在項目推廣、測試方面做較多投入。五、項目實施成果情況管理效益系統(tǒng)設(shè)置模塊：系統(tǒng)設(shè)置主要功能是對系統(tǒng)中的一些可調(diào)參數(shù)及數(shù)據(jù)庫中的一些內(nèi)容進(jìn)行增加、刪除和修改等操作，使得用戶能夠更加靈活自主地使用軟件中提供的功能。手工控制模塊：用戶可以通過管理軟件中的相關(guān)按鈕，對路燈進(jìn)行打開、關(guān)閉及調(diào)節(jié)功率等操作。系統(tǒng)除了實現(xiàn)傳統(tǒng)路燈控制中對整條路段的控制，還可以將控制操作作用到某一盞具體的路燈上，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了對路燈的單燈控制。時段控制模塊：用戶可以自定義時段控制命令，當(dāng)系統(tǒng)打開時段控制后，一旦時間到達(dá)用戶設(shè)定的邊界值時，軟件自動發(fā)送控制命令實現(xiàn)對路燈的自動化控制。在系統(tǒng)中最多可設(shè)定4個級別的時段劃分，用戶可為不同路段按其所處環(huán)境的不同，設(shè)定不同的時段級別，這種處理方法使得用戶的管理更加靈活方便。路燈狀態(tài)查詢模塊：該模塊可以實現(xiàn)路燈實時狀態(tài)的顯示，主要是通過一個不斷輪詢系統(tǒng)中路燈的線程來實現(xiàn)的，該線程的功能就是發(fā)送單燈狀態(tài)查詢命令給通信軟件，然后再等待通信軟件返回的路燈狀態(tài)命令，（1）有返回狀態(tài)，分析路燈狀態(tài)與數(shù)據(jù)庫中的路燈控制狀態(tài)是否一致，對比一致則證明路燈工作正常，對比不一致則證明路燈出現(xiàn)故障，標(biāo)志路燈的實時狀態(tài)后，繼續(xù)發(fā)送下一盞路燈的單燈狀態(tài)查詢命令；（2）線程在系統(tǒng)設(shè)定的時間范圍內(nèi)等不到通信軟件返回