基于物聯(lián)網(wǎng)的智能太陽能路燈分區(qū)段數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

周 娟，盛蘊霞，陳秉巖，王 熠

(1.河海大學常州校區(qū)信息中心，江蘇 常州 213022；2.河海大學常州校區(qū)物理實驗中心，江蘇 常州 213022)

1 引言

智能太陽能路燈具有以下特點：以市電和太陽能互補供電，具有電能計量功能；具有可變功率、長明等多個照明模式，可以根據(jù)交通流量進行調(diào)節(jié)；具有一定的智能控制功能[1]。

智能太陽能路燈的運行產(chǎn)生大量對路燈管理控制有用的實時感知數(shù)據(jù)。由于無線通信模塊各狀態(tài)按能量消耗的降序排列，依次為發(fā)送、接收、偵聽、處理、睡眠狀態(tài)[2,3]，大量實時數(shù)據(jù)若全部直接發(fā)送到遠程路燈管理中心，會大大消耗系統(tǒng)能量，同時既延遲了處理時間又耗費網(wǎng)絡流量，這種管理控制方式效率低下，不符合節(jié)能環(huán)保理念。智能路燈感知數(shù)據(jù)量大[4]，數(shù)據(jù)傳輸有實時性，在有限的節(jié)點通信能力、節(jié)點計算能力和分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)環(huán)境下，對傳感器網(wǎng)絡的軟、硬件提出高健壯性和容錯性[5]，同時，數(shù)據(jù)查詢和管理也要具有高效性。

本文對智能太陽能路燈的監(jiān)控管理進行研究，設計基于物聯(lián)網(wǎng)[6]、對鄰近多區(qū)段路燈進行實時數(shù)據(jù)采集、存儲，初步數(shù)據(jù)處理和進行路燈控制的便攜式系統(tǒng)，提高路燈管理控制效率，系統(tǒng)要實現(xiàn)的功效指標如表1所示。

表1 系統(tǒng)功效指標Table 1 System effect ion standard

2 總體架構(gòu)

分區(qū)段數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)(SDACS)總體架構(gòu)如圖1所示，能夠同時對鄰近多區(qū)段的智能太陽能路燈自動實時數(shù)據(jù)采集、處理和控制。系統(tǒng)內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)包括，微處理器、通過串口擴展模塊連接的液晶顯示LCD接口和串行打印機接口、GPRS模塊、無線通信模塊、串行鍵盤接口、外部存儲模塊、內(nèi)部存儲模塊、時鐘同步模塊。系統(tǒng)通過無線射頻模塊與鄰近多區(qū)段的智能路燈通信；由GPRS模塊通過公網(wǎng)提供的GPRS網(wǎng)絡服務與遠程路燈管理中心通信。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 General system architecture

3 系統(tǒng)設計原理

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

SDACS系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中微處理器采用基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS單片機ATmega128，具有先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmegal28的數(shù)據(jù)吞吐率高達l MIPS/MHz，大大緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。系統(tǒng)采用TL16C554芯片擴展出多個串口，連接LCD液晶顯示接口、串行打印機接口；采用兩片八位串行輸入/并行輸出移位寄存器74HC164芯片進行數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換，分別與LCD芯片JM240128A的接口和串行打印機的數(shù)據(jù)總線接口連接，以節(jié)省數(shù)據(jù)輸出端口，如圖3所示。串行鍵盤接口與單片機的4個I/O口連接，實現(xiàn)系統(tǒng)和用戶之間的人機交互。內(nèi)部存儲模塊分別采用串行SRAM芯片X24C45和Flash芯片AT25FS040與微處理器連接，為系統(tǒng)提供靜態(tài)內(nèi)存和程序代碼；外部存儲模塊采用串行SD卡與微處理器連接，用于存儲采集的實時數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)結(jié)果。時鐘同步模塊采用時鐘日歷芯片DS12C887，用于對路燈提供時間基準，進行時鐘同步管理。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System hardware structure

圖3 串口擴展模塊連接示意圖Fig.3 Serial expansion module wiring diagram

無線模塊采用ZigBee芯片CC2420收發(fā)無線信號，負責通信端口管理、通信數(shù)據(jù)的接收解碼與發(fā)送編碼，與鄰近多區(qū)段的智能路燈通信；由GPRS模塊采用MC35i芯片與微處理器的串口連接，通過公網(wǎng)提供的GPRS網(wǎng)絡服務實現(xiàn)微處理器與遠程路燈管理中心通信。

外部存儲模塊、內(nèi)部存儲模塊、無線通信模塊均通過如圖4所示的SPI總線方式與微處理器之間傳送指令和數(shù)據(jù)。

圖4 SPI串行總線接線圖Fig.4 SPI serial bus wiring diagram

3.2 軟件功能模塊

針對路燈分區(qū)段管理需要，如圖5所示，SDACS軟件提供實時信息采集、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、路燈控制和數(shù)據(jù)輸出等功能。

圖5 系統(tǒng)功能模塊圖Fig.5 System function modules

實時信息采集模塊建立實時狀態(tài)管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用輪詢算法實時輪詢，采集用電方式、用電量及故障報警等實時數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能提供從實時點燈信息中計算指定時間段內(nèi)的點燈時長和用電量統(tǒng)計，計算光伏用電和市電用電比例；對實時路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析，與參數(shù)指標對比，判斷路燈工作狀態(tài)是否異常，按期進行統(tǒng)計；對實時故障報警數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計指定時間段內(nèi)路燈故障類型和頻數(shù)。

路燈控制功能對三個方面進行控制：(1)路燈工作模式控制，包括對可變功率、長明等多個照明模式的設置；(2)用電方式控制，包括光伏用電和市電用電切換控制；(3)照明參數(shù)調(diào)整，包括路燈地址、預點燈時間、亮度等照明參數(shù)的設置。數(shù)據(jù)輸出模塊以文件形式導出或打印指定的數(shù)據(jù)及統(tǒng)計結(jié)果。

4 通信協(xié)議設計

每個SDACS節(jié)點都是一個可以進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信的智能單元。由于無線傳感器網(wǎng)絡受價格、體積和功耗的限制，節(jié)點計算能力、程序空間和內(nèi)存空間等資源[7]有限，因此系統(tǒng)通信協(xié)議設計應盡量簡化；數(shù)據(jù)處理盡量由節(jié)點自身完成，從而減少GPRS及無線鏈路中傳送的數(shù)據(jù)量。最后，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)某鲥e率高，某些路燈節(jié)點隨時可能失效，通信協(xié)議應具備健壯性和容錯性，確保任何路燈節(jié)點故障不會影響整個系統(tǒng)運行。

4.1 通信地址分配

SDACS與路燈通信雙方的地址統(tǒng)一由區(qū)段地址和段內(nèi)地址碼組成，共12位二進制碼編碼，范圍為0 x 000～0 x FFF，除了用于所轄區(qū)段內(nèi)單盞路燈的地址，還包含特殊用途地址：

0x000：SDACS系統(tǒng)地址；

0xFFF：十字路口路燈地址；

0xExx：最高四位為1110開頭的地址預留，不分配給任何區(qū)段路燈；

0xEEE：轄區(qū)內(nèi)所有區(qū)段路燈的全局廣播地址；

0xE+四位段號+0000：最高四位為1110開頭、中間四位為區(qū)段地址、最后四位為零的地址為指定區(qū)段內(nèi)的廣播地址，稱為局域廣播地址。

4.2 通信指令

為便于管理維護，在統(tǒng)一編址基礎(chǔ)上，SDACS與路燈間采用如圖6所示的統(tǒng)一指令格式，總長度為144位，其中前導碼字段8位，源地址和目標地址字段各12位，指令類型字段8位，數(shù)據(jù)位長度字段8位，數(shù)據(jù)位及填充位字段共96位，校驗碼8位。通信指令包括指令類型和指令格式。

系統(tǒng)指令包括對單個路燈和對批量路燈發(fā)送兩類，通過目標地址和指令類型字段加以區(qū)別。如對批量路燈的區(qū)段地址進行修改，則在目標地址字段填寫帶有原段號的局域廣播地址、在指令類型字段填寫修改段地址指令的代碼進行發(fā)送。為減少無線鏈路中傳送的數(shù)據(jù)量、節(jié)約節(jié)點能源，路燈不需要答復系統(tǒng)批量發(fā)送的指令。

圖6 通信指令格式Fig.6 Format of communication instruction

5 實時輪詢算法

實時信息采集是SDACS核心功能，其采集效率決定了智能路燈管理性能。系統(tǒng)采用輪詢方式采集實時數(shù)據(jù)，針對路燈區(qū)段管理特點建立如圖7所示的三層實時狀態(tài)管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括區(qū)段地址鏈表、段內(nèi)地址鏈表及路燈實時狀態(tài)表。區(qū)段地址鏈表的每一個節(jié)點指向該區(qū)段段內(nèi)地址鏈表的頭節(jié)點；段內(nèi)地址鏈表的每一個節(jié)點指向路燈實時狀態(tài)表的一條記錄；路燈實時狀態(tài)表由索引、輪詢次數(shù)、發(fā)送時間、狀態(tài)判斷、收到應答及多個輪詢參數(shù)字段構(gòu)成。

圖7 實時狀態(tài)管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Data structure for real-time statement

由于無線傳感器網(wǎng)絡具有帶寬狹窄、雙向鏈路易受干擾、數(shù)據(jù)傳輸可靠性低、通信質(zhì)量有限等特點，系統(tǒng)輪詢算法設置最大輪詢次數(shù)Nmax，按區(qū)段地址鏈表和各段內(nèi)地址鏈表遍歷每個節(jié)點，對各節(jié)點對應路燈首次發(fā)送輪詢請求指令時，在路燈實時狀態(tài)表中建立一條記錄，記錄第Npoll次發(fā)送輪詢和發(fā)送時間；收到來自路燈的輪詢應答信息，則修改該記錄收到的相關(guān)參數(shù)信息，并作狀態(tài)判斷，然后開始對下一路燈進行輪詢請求；如超時未收到應答，則記錄未收到應答，如發(fā)送次數(shù)Npoll

系統(tǒng)設計特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行實時數(shù)據(jù)采集，可以對所轄路燈按區(qū)段進行創(chuàng)建和刪除，根據(jù)路燈地址容易找到路燈對應的鏈表成員和查詢相關(guān)參數(shù)信息，實時跟蹤目標分段供電路燈照明系統(tǒng)的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)運行故障，適應本照明系統(tǒng)的分區(qū)段管理特點，管理效率高。該輪詢算法減輕系統(tǒng)處理大量路燈地址和輪詢信息的內(nèi)存消耗和處理器開銷，加快處理每個輪詢節(jié)點的效率，大大減化生成和管理輪詢路燈數(shù)據(jù)的操作，節(jié)省操作用時和內(nèi)存空間。

6 系統(tǒng)流程與特性

系統(tǒng)工作流程為：系統(tǒng)上電運行后，讀取Flash程序代碼，讀取配置參數(shù)，初始化各功能模塊，如系統(tǒng)未找到路燈地址文件，則屏幕顯示提供路燈地址設置；根據(jù)所轄區(qū)段路燈地址初始化路燈數(shù)據(jù)鏈表，然后進入實時信息采集模塊，對各路燈進行實時輪詢，按設定的時間間隔將輪詢異常信息和報警信息交給GPRS模塊發(fā)送給遠程管理中心。當系統(tǒng)產(chǎn)生中斷信號，則進入中斷處理程序。首先判斷中斷來源：(1)如果是用戶按鍵中斷：則判斷按鍵內(nèi)容，如查詢數(shù)據(jù)，則按用戶指定參數(shù)到外部存儲模塊讀取數(shù)據(jù)及統(tǒng)計信息文件，按用戶選擇進行LCD顯示或打印數(shù)據(jù)；如為用戶對路燈發(fā)出管理控制指令，則根據(jù)用戶選擇構(gòu)造和發(fā)送通信指令；(2)如果是收到來自所轄區(qū)段路燈的通信指令中斷，則判斷是路燈上報點燈及用電量數(shù)據(jù)、對輪詢的應答指令還是故障報警指令。如果收到路燈上報數(shù)據(jù)，則存儲實時數(shù)據(jù)，對光伏用電和市電用電分別統(tǒng)計用電量；如果是來自路燈的應答指令，則分析應答數(shù)據(jù)，更新輪詢信息表，對收到的實時數(shù)據(jù)進行計算、存儲和統(tǒng)計，與參數(shù)指標對比，判斷路燈工作狀態(tài)是否異常；如果是故障報警指令，則提取報警具體數(shù)據(jù)內(nèi)容，進行存儲，并統(tǒng)計路燈故障類型、次數(shù)；(3)如果收到來自GPRS模塊的中斷，則判斷是控制指令還是數(shù)據(jù)查詢請求，如果是控制指令，則根據(jù)指定的控制參數(shù)和選擇的路燈地址構(gòu)造和發(fā)送通信指令；如果是數(shù)據(jù)查詢請求，則根據(jù)請求指令到外部存儲模塊讀取數(shù)據(jù)及統(tǒng)計信息文件由GPRS模塊發(fā)送應答數(shù)據(jù)。

與傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)對比，SDACS具有如表2所示的性能特點：

表2 系統(tǒng)性能對比Table 2 System effect ion contrast

7 系統(tǒng)測試

測試實驗采用5個SDACS對總共100盞智能太陽能路燈進行實時數(shù)據(jù)采集和控制，每個SDACS采集和控制鄰近區(qū)段馬路兩邊各10盞路燈，路燈間隔為15～20米。輪詢間隔設為30秒，經(jīng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理后通過帶寬為50kbps的GPRS向城市路燈管理中心每5分鐘上傳一次統(tǒng)計數(shù)據(jù)和故障信息，每天路燈工作12小時，共運行15天。則每次發(fā)送數(shù)據(jù)指令約耗時144×100/50000=0.288秒，每天系統(tǒng)通過GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)量大約144×100×12×12=2.073Mb；如果按原來的所有數(shù)據(jù)完全上傳，則每天通過GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)量約為144×(60/30)×60×12×100=41.47Mb。對比二者，GPRS流量大大減少。按每Kb流量0.01元的價格，100盞路燈15天可節(jié)省約27元流量費用；同時，由于系統(tǒng)發(fā)送次數(shù)和流量減少，在不降低系統(tǒng)性能的前提下節(jié)約了系統(tǒng)能耗，延長了系統(tǒng)生存時間。

8 結(jié)論

SDACS系統(tǒng)針對鄰近多區(qū)段智能太陽能路燈分段采集和處理實時感知數(shù)據(jù)，提供快速本地存儲，只在必要時將統(tǒng)計信息通過GPRS發(fā)送給遠程路燈管理中心，縮短傳輸和處理時間，節(jié)約公網(wǎng)流量和費用，節(jié)省系統(tǒng)能耗，符合節(jié)能環(huán)保理念。

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