智能的路灯.docx

1、智能的路灯第一章 智能路灯系统介绍1.1 项目背景随着我国经济高速发展，人民生活水平日益提高，能源和资源变得越发紧张，电力短缺已成为制约国民经济发展的突出矛盾。目前我国照明消耗的电能约占电力生产总量的1020，而城市公共照明则在照明耗电中占30，并且近几年随着“让城市亮起来”的口号的提出，全国路灯的数量仍在迅猛增长。公共路灯节能概念便由此提出。通常的节能途径有两个：一是采用节能光源；二是采用合理的路灯控制方案。在LED大规模应用于照明的今天，节能灯泡的潜力在现有技术背景下已被充分挖掘。但路灯工控方面却几乎空白。在我国，不论是大型城市，还是中小县城，每到深夜时分，大街上“人少车稀灯明亮”的情况比

2、比皆是，在造成能源极大浪费的同时，也缩短了路灯的使用寿命。这与我国经济建设现代化发展的步调是极为不符的。所以，采用智能化路灯控制系统是现有条件下，大规模降低路灯耗电量最行之有效的方法。采用智能路灯控制系统，即通过一系列高科技手段，赋予路灯一定的“思考能力”，当车辆通过时，路灯自动启动工作，无车辆通过时，路灯熄灭或调节亮暗。在保证车辆正常通行的前提下，大幅降低电能消耗。基于摄像头识别技术的智能路灯控制系统是如今大众较为熟知的智能路灯方案之一。该技术通过摄像头捕捉即将驶过的车辆画面，经电脑识别后在车辆通过时执行亮灯。但是该技术的大规模推广存在两大致命伤：一是摄像头对高速运行车辆识别技术难度非常大，

3、大规模使用，成本较高；二是该系统在识别准确度、敏感度方面仍有许多需要改进之处，受天气、车速等因素影响较大，无法保证长时间高效、可靠地工作。那么，有没有什么办法是既能保证智能路灯可靠工作，又无需大幅提高预算的呢？中科院杭州射频识别技术研发中心经多年努力，在自主研发的地磁感应装置基础上，提出了一整套针对杭州绕城高速西湖服务区停车场路灯的智能化管理方案，意在开辟一条智能路灯的创新之路，为中国的节能减排及物联网事业尽一份绵薄之力。1.2 系统概述本中心研发的智能路灯管理系统综合参考西湖服务区停车场地形及路灯位置，在闸道及每个车位上安装地磁感应装置，结合中心自主研发的嵌入式控制系统，对车辆出入停车场情况

4、进行实时监控，并控制路灯亮暗。采用地磁感应检测车辆进出的智能路灯系统较视频检测、红外线检测或是传统的感应线圈检测具有检测准确率高、设备安装简单、对路面破坏小、工作寿命长等显著优点，可以在不大幅改变原有设备的情况下，对路灯亮暗进行智能控制，进而达到节能减排的作用。同时，本系统还预留了突发状况处理机制，可在节电设备遇到故障时，自动退出节电模式，保证路灯正常工作。第二章 系统工作介绍2.1 系统组成本系统主要由地磁感应装置、微控制单元、太阳能路灯组成。系统工作示意图如图2-1所示：图2-1 系统工作示意图从通信的角度看，整个系统的网络体系架构包括感知层网络、传输层网络和应用层程序。基本的路灯设备搭配

5、自主研发的无线通信协议栈构成感知层，蜂窝网络为传输层，智能照明控制中心为应用层的核心程序。智能照明控制中心通过蜂窝网构成的传输层向各个感知层子网的网关结点发送控制命令和其他业务数据；网关控制感知层子网的组建和维护，并将来自控制中心的命令和数据分发给具体的目的设备；智能照明设备执行控制命令，并可以依据预设的策略依次通过感知层网络和传输层网络向控制中心上报状态信息和其他业务数据。图2-2 系统网络体系架构示意图2.2 光控和时控单元介绍智能路灯系统通过光控及时控单元将工作分为三个阶段：（1）天黑20点：路灯是否启动工作由光敏电阻控制，当系统感知到光线变暗程度达到路灯启动标准并维持10分钟以上后，路

6、灯自动开启工作。由于20点前光线并未完全暗下来，故通过时控单元控制，路灯在20点前将采用低功耗状态工作。（2）20点24点：该时段考虑到光线已完全变暗并且车流量为夜晚通行最大时段，故通过时控单元将路灯功耗在阶段（1）的基础上各增加10%。（3）24点天亮：该时段考虑到车流量显著减少，故将路灯功耗降至低功耗状态，同阶段（1）。当光敏电阻检测到道路光线变亮并维持10分钟以上时，路灯自动关闭工作。补充：采用光敏电阻可有效增强路灯的智能性，不仅无需考虑冬令时和夏令时对路灯开启时间的影响，更能避免白天出现极端暴雨天气时，路灯无法正常工作的尴尬。本方案规定，当白天出现阴雨天气，光线变暗达到路灯启动标准10

7、分钟后，光控单元便可控制路灯正常开启工作，功耗同阶段（1）。2.3 灯具控制和无线收发单元介绍图2-3 灯具硬件结构灯具控制与无线收发单元是单个路灯的核心部件，本单元可以细化为灯具控制单元和无线收发单元两部分。2.3.1 灯具控制单元灯具控制单元连接地感线圈，接收地感线圈感应到的车辆通行信息，通过可调光恒流源控制LED灯具的开关并调节灯具亮度，并控制太阳能电池板为蓄电池充电。同时灯具控制单元能够在本地执行动态可配置灯具管理策略，本控制策略可以在产品出厂时固化为一套默认策略，并在灯具运行时根据需要通过无线数据通道实时更新。灯具控制单元的软件系统分为两个子系统，分别为路灯电源管理系统和路灯工控管理

8、系统。路灯电源管理系统由路灯提供商设计，路灯工控管理系统由本中心设计。具体设计时需要综合考虑路灯供电系统与工控系统两部分的串口对接。软件功能模块示意如图2-4所示：图2-4 灯具控制单元软件功能模块示意图路灯电源管理系统，该子系统主要负责电池的充放电及路灯电源供应。路灯工作管理系统，该子系统主要包括光控管理、时控管理、车辆出入控制管理、故障处理管理四个模块。光控管理主要负责根据光线亮暗，按要求启动或关闭路灯。时控管理主要负责根据不同时间，按要求改变路灯工作状态。远程控制管理主要负责根据控制中心发送的命令，按要求控制路灯亮暗。故障处理管理主要负责当节电设备遇到故障无法工作时，自动退出节电模式，启

9、动路灯正常工作。2.3.2 无线收发单元无线收发单元负责单个路灯设备之间的无线通信，并运行无线通信协议栈，将所有的路灯组织成为统一的可自愈的无线网络，为任意两个灯具提供无线数据传输通道。无线收发单元模块以微控制器和无线收发器为核心部件，选择外部接口丰富的微控制器，预留SPI、UART、通用IO等接口，作为传感信号输入接口和控制器驱动接口，以满足设备在实际应用环境下对集成传感器和控制器的需求。选择合适的无线收发器，并在硬件布板时尽可能减小元器件之间的干扰，保证无线收发单元模块的工作稳定性。图2-5 无线收发单元结构无线通信协议栈实现任意两个设备之间的可靠通信，包括以下关键功能：自组网与拓扑生成。

10、网关设备建立网络，中继设备启动后，自动寻找网络并与临近设备建立通信链路以加入网络。由于公路照明设备相对固定，协议栈根据实际设备布设情况自动生成树形、链式或混合式拓扑。拓扑自愈与动态路由。两种设备都可以为其他设备转发数据，以此实现全网联通。当网络中有设备结点失效并影响到其他设备结点的数据转发时，受影响设备可以使用动态路由算法重新建立链路，以保证网络的联通性不被中断。高可靠性数据中继策略。设备在转发数据时引入确认机制，在原有链路中断时，自动寻找新的可用链路进行转发。数据传输实时性控制策略。根据不同业务数据对实时性的要求，设定不同的优先级，依据优先级处理数据发送请求。图2-6 无线通信协议栈关键功能

11、2.4 网关与后台控制单元介绍网关设备是所有路灯设备构成的无线网络的核心结点，网关设备为任意一个或一组路灯设备与控制中心之间提供通信协议转换与数据中继。网关设备在硬件上又无线收发器单元、蜂窝网通信单元和控制器组成。其中无线收发器单元用于与任意路灯设备之间的通信，蜂窝网通信单元用于加入蜂窝网并建立与控制中心之间的数据通信链路，控制器用于运行软件控制两个通信单元工作。图2-7 网关设备硬件结构网关设备的软件主要包含三个模块：网关与控制中心之间的通信协议、网关与路灯设备之间的通信协议及控制与协议转换模块。网关与路灯设备之间的通信协议主要定义针对路灯设备的命令格式、路灯设备上报的信息格式以及信息的传输

12、方法。网关与控制中心之间的通信协议保证数据能在网关与控制中心之间经由蜂窝网链路可靠传输。使用这两套通信协议，控制中心能够通过网关实时控制每一盏路灯设备的状态，路灯设备能将地感线圈或其他传感器采集的信息实时上报给控制中心。控制与协议转换模块协调控制网关的工作。图2-8 网关设备软件控制中心是整个智能路灯系统的核心设备，它的主要功能是实时监控灯具状态、接收传感器数据、执行数据分析、制定并下发灯具控制策略以及向用户提供友好的实时控制灯具的接口。控制中心的软件主要由以下模块组成：网关与控制中心之间的通信协议、灯具控制策略、数据库和用户接口。其中网关与控制中心之间的通信协议负责保证经由蜂窝网的网关与控制

13、中心间的可靠通信；数据库用于保存所有灯具上报的传感器数据；灯具控制策略模块用于分析数据库中的历史数据并根据需求生成可行的灯具控制策略；用户接口保证用户能够方便的控制每一盏灯具、得知每一盏灯具的实时和历史状态、并在系统协助下制定并下发控制策略。图2-9 控制中心软件完整系统的工作示意图如下图所示。地感线圈或其他传感器感知车辆通过等信息，灯具与灯具之间根据预设的策略相互交换感知信息，并执行控制策略；或将感知信息经过灯具网络和网关上报控制中心，控制中心下发控制策略，控制灯具开关与亮度。图2-10 系统工作示意图2.5 系统工作流程本节将介绍车辆从驶入停车场到驶离停车场，路灯工作状态的变化，以阶段（1

14、）为例，阶段（2）在阶段（1）的基础上，功耗各增加10%，阶段（3）同阶段（1）。2.5.1 车辆进入停车场无车时，路灯发光率为20%，在保证标示引领车辆的前提下，节省电能消耗。当安装在停车场入口的地磁车辆检测器检测到车辆驶入时，停车场内四盏路灯发光率提高到40%（10分钟内无车驶入则恢复为20%，有车车位对应路灯维持原状），方便司机寻找车位，倒车入库。流程图如图2-2所示：图2-11 车辆进入停车场流程图2.5.2 车辆驶入车位当安装在车位上的地磁感应车位检测器检测到新驶入车辆时，该车位对应路灯发光率提高至70%。当一盏路灯控制区域内所有车位都停有车辆时，该路灯满负荷工作。当车位内所有车辆停

15、车时长大于30分钟时，发光效率恢复至40%。流程图如图2-3所示：图2-12 车辆驶入车位后路灯工作流程图2.5.3 车辆驶离车位当安装在车位上的地磁感应车位检测器检测到一盏路灯对应的所有车位上的车辆均离开时，若停车场内前10分钟无车驶入，则路灯发光效率恢复到20%，反之则恢复到40%。当地磁感应车位检测器检测到路灯对应车位中有部分车辆离开时，若之前该路灯发光率为100%，则恢复到70%，若之前该路灯发光率为40%，则维持40%不变，若之前该路灯发光率为70%，判断该路灯对应车位余下车辆停放时间是否有30分钟内的，若有30分钟内驶入的，则发光率维持70%，若停放时间均超过30分钟，则发光率恢复

16、到40%。具体流程图如图2-4所示：图2-13 车辆离开时路灯工作流程第三章 实施方案3.1 地磁感应装置布点及车位对应路灯介绍地磁车位检测器和地磁车辆检测器布点如图3-1所示：图3-1 地磁感应装置布点示意图 车位对应路灯如上图所示，A路灯负责A区车位照明，B路灯负责B区车位照明，以此类推。地磁感应装置及安装效果如图3-2,3-3,3-4所示：图3-2 地磁车辆检测装置图3-3 地磁感应车位装置图3-4 地磁感应装置安装示意图3.2系统节电效果预估使用本中心研发的智能路灯系统，相较其他传统路灯节电模式最大的优点是能在不影响车辆正常行驶的情况下，达到节电目的。在减少财政支持的同时，也为节能减排做出了巨大贡献。由于基于车辆行驶状况管理的智能路灯应用在国内尚属首次，对于西湖服务区停车场车流量统计需要系统实际使用试运行后才能给出确定数值。现根据理想情况下，以单个路灯功率400W计算，较整夜全功率使用路灯可节省电能50%左右。在以太阳能作为电源的前提下，可大幅减少太阳能电板面积和蓄电池个数，降低使用成本。若以电网供电作为路灯电源，仅四盏路灯每年便可减少动力煤消耗1.85吨，二氧化碳排放约3.53吨，若该系统得以全面推广，经济和环保效益显著。另外，智能路灯系统设备使用年限至少为5年，一次投入长期受益！