基于MC13213無線模塊和ZigBee技術實現道路照明系統的設計

基于物聯網道路照明系統的結構如圖1所示，通過在每盞路燈嵌入一個無線通信模塊，使它們自組網絡，接受控制中心的命令并將路燈的狀態反饋給控制中心；HG－2控制箱采用ZigBee技術與所管轄道路的所有路燈通信，采用GPRS與控制中心通信，根據控制中心的指令或時間和日照亮度對每盞路燈發出控制命令（路燈開啟、關閉、照明度（功率大?。┑龋?，自動調節整條道路的功率平衡；控制中心由服務器、大屏顯示、CenterView中央控制系統軟件平臺等組成，CenterView中央控制系統軟件平臺采用3D設計，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）和路燈維護車也能通過控制中心進行遠程遙測和遙控。

3 無線通信模塊

無線通信模塊的MCU為Freesclae公司MC13213，MC13213采用SiP技術在9×9mm的LGA封裝內集成了MC9S08GT主控MCU和MC1320x射頻收發器。如圖2所示。

無線通信模塊采用ZigBee技術、IEEE802.15.4協議，通信覆蓋半徑可達150m，能與在其覆蓋范圍內的任何路燈節點自組網絡和進行通信，除了實現路燈的物物相聯以外，還具有調節電子鎮流器的功率輸出（30%～100%），實現節能和綠色照明，檢測供電線路的電流、電壓、功率因數以及、每一盞燈的工作狀態，當發生故障（如燈具損壞、燈桿撞擊、人為破壞）時，實時向監控中心和相關部門報警等功能。

無線通信模塊還進行了防雨、防潮、防雷電、防電磁干擾設計，并充分考慮了安裝方便、維護簡單和可恢復性（接入兩根線就實現了路燈級的無線控制，拆除兩根線又恢復到原來的狀態），可以嵌入在路燈的不同位置（燈桿底部、燈桿內、燈罩內）。

3.2 通信協議

無線通信模塊的通信協議如下：對照明實施按路段順序編號，通過命令轉發和狀態返回實現節點之間“手拉手”的通信。命令轉發機制：每個節點通過一個位示圖結構來記錄哪些幀已經被轉發（位示圖最多可以表示256幀），如果節點接收到命令幀后，判斷該幀是否已經被該節點轉發，如已轉發則丟棄該幀（節點只對收到的命令幀進行轉發，對幀的內容不做修改），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點故障影響整條線路的工作；狀態返回機制：命令幀發送到達指定節點后，該指定節點則接收該命令并立即返回狀態；轉發規則：只有節點號比目標節點號小才轉發，狀態返回過程則相反。

3.3 與中央監控的連接

一條傳輸通信鏈路由若干個ZigBee節點組成，在這些節點的中間設置一個簇節點（一條道路可以設置1個或多個簇節點），其作用是以GPRS的方式與控制中心通信（命令接受和狀態返回），簇節點采用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）作為遠距離無線通信模。MCF5222x系列利用常用的V2ColdFire內核構建而成，在80MHz的頻率下性能高達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則完成遠距離的GPRS通信。

4 控制中心軟件設計

控制中心的軟件設計平臺為Windows2003，開發工具是微軟VisualStudio2005，數據庫使用SQLServer2005，與地理信息系統相結合，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：系統設置、智能控制、電量核算、故障處理和緊急預案。系統設置中的區域設置有市，區，街道和電控箱4種；路燈設置有路燈的位置、型號、生產單位、施工單位、維護責任人，安裝日期、清洗維護日期等；亮燈方式設置有全開，全關，單號路燈開，單號路燈關，雙號路燈開，雙號路燈關，1/3路燈開，1/3路燈關，1/4路燈開，1/4路燈關，智能控制等11種控制方式；時段設置可根據不同的城市不同的季節設置不同時段的亮燈方式；智能控制有兩方面內容：針對安裝了電子型路燈的路段，根據季節變化和天氣狀況，通過實時采樣環境光強度，對路燈的照明亮度進行智能調節；在夜間，特別是深夜當檢測到汽車和行人的流量十分稀少時，在不影響辨認可靠的情況下，適當降低道路的照明亮度，節約電耗；電量核算能對市，區，街道、電控箱甚至每盞路燈進行用電量的統計和核算；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）；緊急預案是對一些突發事件制定度緊急預案，在特殊情況下，盡可能提供合適的道路照明，保證人民生命財產的安全。圖3是控制中心軟件的運行界面之一。

5 實際應用

物聯網的道路照明系統自2009年5月以來，在某國家級工業園區進行了安裝和測試，安裝環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盞路燈采用常規的控制方式（半夜后單雙號間隔開燈18:30～6:30），測試結果如表1所示。

從表1中可以看出，采用物聯網的智能控制，通過實際測試，物聯網控制的100盞路燈在91天中，節約電能15925度，一般情況下在產品投入的半年內就可以收回全部投資。電耗降低有以下幾個方面因素：開啟關閉時間的調整，道路右邊的路燈控制方式是根據季節設定開閉時間（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境光強度和季節自動控制開閉時間，開啟時，由于路面上尚有較強的環境光，路燈以補光的方式工作，逐漸增加照明強度，路燈關閉控制類似；深夜控制模式，由于深夜時企業與居民用電負荷減少，低壓電網電壓升高，常規控制方式下的路燈（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，同時也導致燈具、電器實際使用壽命迅速下降，大量增加維護量和維護費用，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，對有學校、居民密集的小區、道路轉彎處、事故多發地帶等特殊路段，適當提高照明亮度，其余路段則適當降低照明亮度。

采用物聯網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 結語

先進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，還能節約大量的公共電能消耗。但對于大多數城市，由于缺少的必需基礎設施（路燈級的通信鏈路），無法實現先進控制方法，物聯網（物聯網）出現和應用，有效地解決以上問題，本文基于無線傳感網絡，選擇Freesclae公司MC13213芯片，設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網，使用Freescale公司的MCF52223芯片、華為公司的MG323和EM770W作為遠程通信模模塊，實現了路燈的遙測、遙控，對節約公共資源，建設數字化和節約型城市有較高的實際應用價值。

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