基于物联网的道路照明系统解决方案-2017.doc

一、企业基本情况
二、项目基本情况
2.1项目实施背景
随着城市建设的发展，作为展现城市形象的城市照明系统受到了各地政府的高度重视。针对城市照明的特点，我公司设计了城市照明控制系统的一整套解决方案，可以提高照明质量、节约能源、提升运行管理水平。
目前的城市照明灯光大多采用分散手控和时控方式为主，即在路灯配电箱中安装定时器，按预定的时间自行开关灯，时控方式以时间为唯一开关灯依据，不论在任何季节气象条件下，均只能在规定地统一时刻开关灯。随季节变化，需要人工干预来调整开关时间；而有些景观灯开关通常是人工手动控制方法，人工控制方式是根据开关灯时间表由值班人员手动进行开关灯操作。现行的方法既不能及时调整开关灯的时间，更无法及时反映照明设施的运行情况，并且故障率高、维修困难。另外，电力载波控制具有易受电力线强磁场干扰，通信环境恶劣，信号衰减强、时变性大等缺点。传统的路灯照明控制方式的运行、操作结果不能集中监视、记录和统计，达不到量化管理的要求。在路灯控制方面，ZIGBEE技术结合传感器技术组成的网络可以解决传统控制方法中存在的问题，使得路灯监控脱离了人工干预，实现自动化控制。
基于物联网技术的城市照明控制系统在吸收消化了国外同类产品技术的基础上，通过自主开发，融合“物联网”技术，实现了路灯人多年的单灯智能控制与检修的梦想。
2.2项目基本情况
基于物联网的道路照明系统的结构，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。

2.3项目参与人员
三、项目技术报告
3.1项目关键技术
一、模块设计
无线通信模块的MCU为FREESCLAE公司MC13213。MC13213采用SIP技术在9x9mm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，2个异步串行通信接口，1个键盘中断模块，1个定时器/脉宽调制模块，1个8通道10位的模块转换器，以及多达32个的GPIO口等。

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％一100％)，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)。
二、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。
三、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FREESCLAE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 CODEFIRE内核构建而成，在80MHz的频率下性能高达76MIPS(Dhrystone 2．1)，接口功能包括：1个Mini USB接口，支持USB OTG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。
3.2系统软件设计
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SQL Server 2005，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：
（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、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。
主要功能模块
1）路灯监控的“三遥”功能：实现自动运行和手动控制；使用控制平台对路灯远程遥控、自动报警、选测；
2）报警处理功能：报警内容包括：照明电器损坏、电压电流越限等；
3）自动控制方案：设置单次模式、每天模式、节约模式，实现按需照明；
4）自动校时系统：在保证集中控制器与通信服务器正常连通的情况下，系统时钟自动与通信服务器时钟同步，系统定时自动对终端设备进行精确校时；
5）远程监控和查询：通过互联网，实现对系统的远程接管和远程实时查询；
6）数据采集功能：单灯或者支路电压、电流、功率等数据参数采集；
7）控制功能：实现分区域（组）开、关、查询功能和单灯开、关、查询功能；
8）调光功能：实现配合LED载波电源，进行定时调光功能；
9）系统具有紧急控制开关装置、提高系统控制性能；
10）报表功能：包含历史数据存储；
3.3项目硬件构成
“基于物联网的道路照明系统”主要由单灯控制器、现场基站和监控中心监控软件三个部分组成。系统先由单灯控制器组成子网，再由现场基站通过无线的方式将子网数据远传至控制中心，最后由监控中心监控软件进行数据处理及控制。
单灯控制器
安装在每盏路灯上与电源模块及灯具进行连接，负责接收现场基站发出的信号，从而进行控制路灯开关、亮度调节、温度采集、湿度采集、亮度采集等操作；该无线路灯控制器可采集电流、电压等参数，通过无线智能控制方式传输到监控中心，为节能等评估打下数字基础。
l  现场基站
现场基站处于监控中心和各单灯控制器组网范围间，主要负责单灯控制器的时序调整、数据记录、数据接收及发送操作等，同时它负责控制网络的运行，将监控中心的命令下达给单灯控制器，将控制器及线路信息反馈监控中心。
l  监控软件
监控中心监控软件运行在Windows平台上，数据库使用MS SQL数据库，基于Web方式，支持远程访问。监控软件对现场基站进行远程数据访问和监控，包括参数配置，监控命令发送、现场灯具状态收集及管理等。它能够显示路灯状态（亮度、温度、湿度、电压、电流、功率和功率因数）信息，能够远程控制路灯的开关和调节路灯的亮度，可以实现时序调度事件、读取数据记录、监视事件和报警应答等操作。
（一）ZIGBEE通信系统
在ZIGBEE技术中，其体系结构通常由层来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所规定的任务，并由向上层提供服务。各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。ZIGBEE协议的体系结构主要由物理（PHY）层、媒体接入控制（MAC）层、网络/安全层以及应用层构成。

ZIGBEE标准确定了ZIGBEE网络中的三种设备：ZIGBEE协调器、ZIGBEE路由器和ZIGBEE终端设备。每个网络都必须包括一台ZIGBEE协调器，它负责建立并启动一个网络，其中包括选择合适的射频信息、唯一的网络标识符等一系列操作。ZIGBEE路由器作为远程设备之间的中继器来进行通信，能够用来拓展网络的范围，负责搜寻网络路径在任意两个设备之间建立端到端的传输。ZIGBEE终端设备作为网络中的终端节点，负责数据采集。
根据ZIGBEE规范，将网络层分为数据实体、管理实体。数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理实体接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。
数据实体提供网络层的数据服务，对应用层和MAC层的接口分别为NLDE-SAP（网络层数据访问接口）、MCPS-SAP（MAC层数据访问接口），实现两个对等的应用层之间的端到端的传输。
（二）路端通信装置
路端通信装置总体框如如下：

其中AD模块和继电器模块用于路端的控制箱的控制和检测，该部分功能用户根据需求可选。如果用户控制和监测路端的路灯控制箱可以使用这些模块来实现这些功能。SPI，IIC接口便于扩展，使得硬件具有灵活性和可扩展性。
电源电路
电源电路为MCU提供3.3V工作电压，它的好坏直接决定整个系统能否稳定地工作。为了提高电源电路的抗干扰性，所有的电源引脚必须接有相应的滤波电容，在PCB布板时应将这些滤波电容尽可能地靠近相应的引脚，以抑制高频噪音，降低电源波动对系统的影响。
晶振电路
晶振电路为MCU提供工作时钟。本系统选用的是48MHz的外部有源晶振。EXTAL为晶振或外部时钟输入；XTAL为晶振输出。
PLL滤波电路
PLL滤波电路主要实现对片内PLL模块滤波的作用，VDDPLL引脚由芯片内部提供电压。片内PLL模块可以对外部接入的时钟信号进行倍频。
复位电路
复位电路实现系统上电复位以及运行时的按键复位功能。复位信号包括复位输入RSTI和复位输出RSTO。RSTI为低电平有效：正常工作时，RSTI引脚通过4.7kΩ上拉电阻接到电源正极保持高电平；若按下复位按钮，RSTI引脚接地变为低电平，芯片复位。若复位成功，RSTO会输出低电平，发光二极管点亮。注意：如果RSTI一直被拉低，MCU将无法正常工作；也不能将此引脚悬空。
3.4项目功能简介
远程控制功能：能控制交流的通断，实现远程开关灯功能；通过PWM接口，改变输入电流，实现LED灯的亮度调节。亮度调节范围从0%到99%；可实现开关时段控制（单一集中控制下的一个子网，在脱网的情况下（比如监控中心故障）也能按照某种既定的方案正常运行）。实现分组控制（比如按奇数灯号亮，偶数灯号灭）。
实时数据采集监测查询：电压、电流的实时数据；恒流模块是否正常；路灯节点时间与PC同步（可以实现后台崩溃后路灯节点的自动控制）；断电监测（采用软件轮询放上获取单灯控制器工作状态判断是否断电）；电源模块或灯具温度的采集；监控中心可以查询任意时间段每路路灯数据信息。
数据统计分析：可以统计灯的亮灯率；统计LED灯的用电量。
l  报警功能：输出电压过压、输出电流过流的监测报警；恒流模块是否正常的监测报警；断电的报警。可实现通过GPRS把报警信息发到指定手机上。
l  数据存储及报表输出：现场监自动控制设备在服务器上的数据库中存储历史记录，数据库可以集中生成一个时间段的电流、电压、电能、亮灯率、开关时间的分析曲线和报表，并能打印出来。
3.5项目进度及完成期限
四、项目投资情况
资金投入情况：
本项目计划投资 万元，其中设备购置费 万元，软件开发费 万元，人员经费 万元。
项目的主体部分已经建设完成，接下来会在项目推广、测试方面做较多投入。
五、项目实施成果情况
管理效益
系统设置模块：系统设置主要功能是对系统中的一些可调参数及数据库中的一些内容进行增加、删除和修改等操作，使得用户能够更加灵活自主地使用软件中提供的功能。
手工控制模块：用户可以通过管理软件中的相关按钮，对路灯进行打开、关闭及调节功率等操作。系统除了实现传统路灯控制中对整条路段的控制，还可以将控制操作作用到某一盏具体的路灯上，通过无线传感网络实现了对路灯的单灯控制。
时段控制模块：用户可以自定义时段控制命令，当系统打开时段控制后，一旦时间到达用户设定的边界值时，软件自动发送控制命令实现对路灯的自动化控制。在系统中最多可设定4个级别的时段划分，用户可为不同路段按其所处环境的不同，设定不同的时段级别，这种处理方法使得用户的管理更加灵活方便。
路灯状态查询模块：该模块可以实现路灯实时状态的显示，主要是通过一个不断轮询系统中路灯的线程来实现的，该线程的功能就是发送单灯状态查询命令给通信软件，然后再等待通信软件返回的路灯状态命令，（1）有返回状态，分析路灯状态与数据库中的路灯控制状态是否一致，对比一致则证明路灯工作正常，对比不一致则证明路灯出现故障，标志路灯的实时状态后，继续发送下一盏路灯的单灯状态查询命令；（2）线程在系统设定的时间范围内等不到通信软件返回的状态数据，则标志返回超时后，继续发送下一条单灯状态查询命令。
路灯信息统计模块：该模块主要包括电控箱信息列表和故障信息列表两部分。（1）电控箱信息列表功能是列出各个电控箱的工作状态，电控箱工作状态主要是通过查询心跳包信息表和路灯状态表一分钟内是否有该电控箱的发送数据，来判断电控箱工作是否正常；（2）故障列表时将出现故障的路灯记录在路灯状态记录表中，方便用户对历史数据的查询及维修时维修工单的生成。
实时数据统计模块：智能路灯管理软件与城市地理信息系统相结合的，将路灯的数据信息通过数据统计和状态模拟两种方式表现出来。数据统计功能是对系统中的路灯状态数据做相应的统计，如亮灯率和故障率等；状态模拟则是用绘图的形式，在地图上通过不同的状态颜色标志的不同状态路灯，使用户更加直观地观测到路灯的实时状态。
经济效益
节省电缆及工程量
使用本系统无需铺设一根电缆,就可以进行各种方式的路灯管理。
无网络使用费
使用全球免费的2.4GSM私有无线网络，无网络使用费用，也不会受制于公用网络的流量、阻塞等。
节约电能
只需要在每一盏灯上安装无线单灯测控器，通过采取以“时控为主，光控为辅”的控制开关方法，预置合理的开关灯场景模式，根据城市不同时段的路灯照度要求，灵活多变地调整路灯的亮灯情况，有效地减少了开灯时间，从而节约了大量的电能。
降低维护成本
系统的自动巡灯和报警功能，减少了“巡灯”人员工作时间和车辆损耗，降低维护成本。
降低运营成本
通过减少开灯时间，能有效延长灯具的使用寿命，可有效降低运行成本，进一步提高了经济效益。
六、其他材料
无
年 月

15