基于GIS的城市道路數(shù)字化照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

董玉德　張昌浩 　丁保勇　劉蒙蒙　權(quán)循華　杜慶朋

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 安徽 合肥 230009; 2.合肥大明節(jié)能科技股份有限公司, 安徽 合肥 230088)

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基于GIS的城市道路數(shù)字化照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

董玉德1張昌浩1丁保勇1劉蒙蒙1權(quán)循華2杜慶朋2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 安徽 合肥 230009; 2.合肥大明節(jié)能科技股份有限公司, 安徽 合肥 230088)

摘要：為解決城市道路照明終端設(shè)備存在的耗電量巨大、管理困難、監(jiān)控方式落后等問題,文中提出了基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的路燈監(jiān)測(cè)和控制方案,設(shè)計(jì)了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的照明終端設(shè)備通信架構(gòu),以實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)、實(shí)時(shí)獲取以及照明設(shè)備的節(jié)能策略運(yùn)行、可視化管理與層次化控制等功能,解決因GPRS網(wǎng)絡(luò)異常掉線和延時(shí)造成的數(shù)據(jù)丟失、地圖界面加載海量標(biāo)注緩慢等問題,提高數(shù)據(jù)傳送效率和系統(tǒng)通信的可靠性.在合肥市某區(qū)的測(cè)試結(jié)果表明:文中提出的方案和架構(gòu)能夠在萬盞路燈的實(shí)際應(yīng)用中流暢運(yùn)行,控制響應(yīng)時(shí)間大約為1 s,與傳統(tǒng)的自由控制運(yùn)行相比節(jié)約了21.44%的電量.

關(guān)鍵詞:GPRS網(wǎng)絡(luò);道路照明;網(wǎng)關(guān);ZigBee通信

隨著我國(guó)“城鄉(xiāng)一體化”進(jìn)程的加快,城市發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)大,城市居民對(duì)城市的基礎(chǔ)建設(shè)提出了新的需求,城市道路照明系統(tǒng)也面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)[1].城市道路照明作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一,是城市管理的重要內(nèi)容,與能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)、市民的日常生活緊密相關(guān),同時(shí)也體現(xiàn)了一個(gè)城市的文化品位和管理水平[2].根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)每年照明用電量高達(dá)4 216億 kWh以上,占總發(fā)電量的13%以上,其中城市照明用電占總發(fā)電量的7%~8%[3].這表明,市政部門注重實(shí)施城市照明工作,以提升城市的形象.但同時(shí)也暴露出許多問題,主要表現(xiàn)在:我國(guó)城市路燈照明多以時(shí)鐘控制、光電控制為主,以手動(dòng)或半自動(dòng)化的方式對(duì)某個(gè)區(qū)域的路燈進(jìn)行集中管理,欠缺控制的層次性;傳統(tǒng)路燈控制器存在著智能化程度低、通訊穩(wěn)定程度差、路面光照度分布不均等問題;隨著城市的擴(kuò)大,路燈照明工程不斷地向城市外圍擴(kuò)展,路燈呈現(xiàn)海量離散分布的特點(diǎn),造成了路燈管理困難，監(jiān)控不夠及時(shí),路燈電纜盜竊事件屢見不鮮,照明設(shè)施被人為損壞嚴(yán)重.單純依靠傳統(tǒng)的路面巡視,很難及時(shí)檢測(cè)路燈運(yùn)行狀態(tài).因此,開發(fā)一種智能管控、節(jié)能處理、高效報(bào)警的路燈照明系統(tǒng)具有一定的實(shí)際意義.

在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上,文中提出了基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的路燈監(jiān)測(cè)和控制方法,構(gòu)建智能化的路燈管理平臺(tái):利用單燈控制核心器件(鎮(zhèn)流器)實(shí)時(shí)采集路燈運(yùn)行數(shù)據(jù)(電流、電壓、功率等),同時(shí)采用STM32F103ZET6微控制器、通用分組無線服務(wù)(GPRS)通信模塊[4]、ZigBee中心模塊以及外圍電路構(gòu)建路燈局部集中管理器件——網(wǎng)關(guān);借助Internet、GPRS和ZigBee構(gòu)建遠(yuǎn)程路燈運(yùn)行數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò);利用C/S端數(shù)據(jù)處理平臺(tái)快速解析、存儲(chǔ)不同網(wǎng)關(guān)并發(fā)上傳的路燈運(yùn)行數(shù)據(jù);采用GIS實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的可視化監(jiān)測(cè)和控制;設(shè)計(jì)合理的監(jiān)控方案和節(jié)能策略,以實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)、實(shí)時(shí)獲取,并能有效降低能源消耗,減少光污染.

1數(shù)字化照明系統(tǒng)架構(gòu)

城市道路數(shù)字化照明系統(tǒng)采用“客戶端(B/S端)、服務(wù)器(C/S 端)、網(wǎng)關(guān)、單燈控制節(jié)點(diǎn)”4層硬件架構(gòu),如圖1所示.系統(tǒng)通過ZigBee自組網(wǎng)將離散路燈組網(wǎng)連接到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān)[5].網(wǎng)關(guān)向下(下行數(shù)據(jù))利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信[6],讀取單燈控制節(jié)點(diǎn)上傳的路燈運(yùn)行數(shù)據(jù);網(wǎng)關(guān)向上(上行數(shù)據(jù))利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將全部路燈信息按照系統(tǒng)協(xié)議格式上傳至C/S端,C/S端通信軟件將接收到的數(shù)據(jù)解析并分類存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù),供客戶端海量加載實(shí)時(shí)瀏覽.

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1　System architecture

(1)B/S端采用圖形化的設(shè)計(jì)理念,在 Web軟件中借助JqueryEasyUI前端框架、Ajax異步交互技術(shù)和百度電子地圖API創(chuàng)建人機(jī)操作平臺(tái),將數(shù)據(jù)庫(kù)中的海量信息快速響應(yīng)到客戶端瀏覽器,實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈運(yùn)行狀態(tài)的可視化監(jiān)控[7].另外,采用模塊化的設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)構(gòu)建設(shè)備檔案、維護(hù)管理、統(tǒng)計(jì)分析等功能.

(2)C/S端包含通信軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)、B/S端程序,其中通信軟件是連接服務(wù)器與遠(yuǎn)程網(wǎng)關(guān)的樞紐,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的解析、存儲(chǔ)和全部指令的下發(fā).數(shù)據(jù)庫(kù)是通信數(shù)據(jù)的交換中心和存儲(chǔ)中心,主要表現(xiàn)在兩方面:①B/S 端下行數(shù)據(jù)先存入數(shù)據(jù)庫(kù)指定位置,并由通信軟件根據(jù)系統(tǒng)協(xié)議格式打包下發(fā)到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān);②網(wǎng)關(guān)上行數(shù)據(jù)由通信軟件解析后首先存入數(shù)據(jù)庫(kù),并由B/S端定時(shí)加載到實(shí)時(shí)監(jiān)控界面供用戶瀏覽.B/S端程序是客戶端訪問系統(tǒng)的根源,其利用IIS平臺(tái)將申請(qǐng)備案的域名與IP綁定,發(fā)布到公網(wǎng)供用戶實(shí)時(shí)訪問.

(3)網(wǎng)關(guān)主要由STM32控制模塊、GPRS通信模塊、ZigBee中心模塊等組成,其架構(gòu)如圖2所示[8].STM32控制模塊通過控制ZigBee中心模塊,定時(shí)向同一ZigBee頻點(diǎn)的單燈控制節(jié)點(diǎn)遍歷查詢實(shí)時(shí)運(yùn)行信息(電壓、電流、功率、運(yùn)行狀態(tài)等),同時(shí)將查詢到的信息通過串口傳輸給GPRS通信模塊,并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器.

圖2　網(wǎng)關(guān)架構(gòu)[8]Fig.2　Gateway architecture

(4)單燈控制節(jié)點(diǎn)由ZigBee子模塊和數(shù)字化鎮(zhèn)流器組成.ZigBee子模塊主要負(fù)責(zé)與網(wǎng)關(guān)的無線數(shù)據(jù)傳輸[9-10];鎮(zhèn)流器是單個(gè)路燈的控制中心,控制路燈以穩(wěn)定的功率運(yùn)行,實(shí)時(shí)檢測(cè)路燈的運(yùn)行狀態(tài),有效防止因線路電壓變化使路燈亮度改變、影響行人視線而造成事故的發(fā)生.鎮(zhèn)流器采用的是有源式功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù),將變換器串接在整流濾波電路和直流斬波器(DC/DC變換器)之間,通過PIC芯片控制來改善輸入電流的波形,實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的校正.

2通信模型數(shù)字化

2.1　模型架構(gòu)

系統(tǒng)中的路燈離散分布在城市的各個(gè)街道,單個(gè)路燈在系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小,而整個(gè)城市的路燈網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相當(dāng)巨大.從通信效率和管理成本兩方面考慮,文中系統(tǒng)采用兼顧ZigBee網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、Internet的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖3所示.本系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將離散單燈組網(wǎng)連接到附近的網(wǎng)關(guān),使網(wǎng)關(guān)能短距離、高頻率地采集單燈的運(yùn)行數(shù)據(jù),提高通信效率;網(wǎng)關(guān)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集到的單燈運(yùn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,從而實(shí)現(xiàn)路燈運(yùn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸,降低通信成本.C/S端的通信軟件是連接網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)庫(kù)的中樞,負(fù)責(zé)全部數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送、分析、統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)等功能,同時(shí)對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行分類處理,發(fā)送報(bào)警短信和報(bào)警郵件.

圖3　通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3　Communication network architecture

根據(jù)控制的實(shí)時(shí)性需求,通信軟件與網(wǎng)關(guān)采用長(zhǎng)連接方式,并利用定時(shí)發(fā)送“心跳幀”的方法,解決了長(zhǎng)時(shí)間連接被移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中斷的問題.系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)完全按照系統(tǒng)協(xié)議格式,經(jīng)過BCC校驗(yàn)[11]被打包成通信協(xié)議幀.在通信過程中為保證數(shù)據(jù)安全,數(shù)據(jù)幀被加密成ASCII碼的形式進(jìn)行發(fā)送,以增加通信的可靠性.系統(tǒng)指令的發(fā)送與應(yīng)答模型如圖4所示.

圖4　指令的發(fā)送與應(yīng)答模型Fig.4　Model of instruction delivery and response

2.2　通信協(xié)議格式

為了保證系統(tǒng)處理信息流的高效性和準(zhǔn)確性,文中設(shè)計(jì)了規(guī)范的通信協(xié)議,其格式如圖5所示.

圖5　通信協(xié)議格式Fig.5　Format of communication protocol

(1)幀起始符:0x02,標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀的開端.

(2)地址域:通信指令的發(fā)送地址(網(wǎng)關(guān)編號(hào)),根據(jù)網(wǎng)關(guān)所在區(qū)的電話區(qū)號(hào)和網(wǎng)關(guān)編號(hào)定義而成.

(3)控制碼:控制碼由兩個(gè)字節(jié)組成,其包含的信息有傳輸方向、異常標(biāo)志和指令編號(hào).每一位數(shù)據(jù)代表的信息如下:①D0-D5為指令類型,代表不同的控制指令,如“000100”和“000101”分別表示“調(diào)光控制”和“開關(guān)燈控制”指令;②D6=0表示從站正確應(yīng)答,D6=1表示從站異常應(yīng)答(指令錯(cuò)誤,響應(yīng)異常等);③D7=0表示由主站(服務(wù)器)發(fā)出的命令幀,D7=1表示由從站(網(wǎng)關(guān)或手持設(shè)備)發(fā)出的應(yīng)答幀.

(4)數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度:表示在數(shù)據(jù)幀中照明設(shè)備運(yùn)行信息所占的字節(jié)數(shù),有助于數(shù)據(jù)的解析.

(5)數(shù)據(jù)域:照明設(shè)備的運(yùn)行信息,如電流、電壓、功率、路燈運(yùn)行時(shí)間等.

(6)校驗(yàn)碼:BCC異或值,用于判斷當(dāng)前指令的準(zhǔn)確性.

(7)幀結(jié)束符:0x03,標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)幀的結(jié)束.

2.3　通信架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1數(shù)據(jù)讀取

網(wǎng)關(guān)并發(fā)上傳的運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絊ocket緩沖區(qū),觸發(fā)通信軟件讀出當(dāng)前存入的全部數(shù)據(jù).由于網(wǎng)關(guān)上傳每幀數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔較短,再加上GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的網(wǎng)絡(luò)延時(shí),造成通信軟件讀取粘合在一起的多幀數(shù)據(jù).為使系統(tǒng)準(zhǔn)確地解析出數(shù)據(jù)包中的全部信息,需要先將粘合在一起的數(shù)據(jù)幀拆解成單個(gè)數(shù)據(jù)幀,然后分別判斷并返回相應(yīng)的應(yīng)答幀.解析數(shù)據(jù)包流程如圖6所示.

圖6　解析數(shù)據(jù)包流程圖Fig.6　Flowchart of analying data packet

2.3.2層次化控制

城市道路數(shù)字化照明系統(tǒng)對(duì)路燈控制層次分明,包括系統(tǒng)控制、道路控制、網(wǎng)關(guān)控制、回路控制、

主/輔道控制、投光燈控制、單燈控制7個(gè)控制范圍.具體實(shí)現(xiàn)方法如下:采用SQLServer2008數(shù)據(jù)庫(kù)建立實(shí)際路燈的屬性表格,并將屬性表格關(guān)聯(lián)成視圖[12].數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)與層次化控制示意圖如圖7所示.用戶在系統(tǒng)的B/S端添加路燈時(shí),對(duì)應(yīng)的單燈會(huì)被賦予嚴(yán)格的邏輯屬性,如某某路-某某網(wǎng)關(guān)-回路號(hào)-主/輔/投屬性-ZigBee編號(hào).這些信息將保存到數(shù)據(jù)庫(kù)作為該路燈的唯一記錄,同時(shí)通信軟件將這些屬性信息下載到對(duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān).這樣控制指令只需網(wǎng)關(guān)編號(hào)和ZigBee編號(hào)便可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)、回路、主/輔道、投光燈、單燈5個(gè)范圍的控制.而對(duì)于系統(tǒng)、道路兩個(gè)范圍的控制,通信軟件根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的邏輯記錄將其解析到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān)，再定向發(fā)送控制指令.

2.3.3多線程響應(yīng)

系統(tǒng)采用B/S和C/S混合架構(gòu)模型[13],增加了用戶使用的靈活性,同時(shí)也增加了多客戶端同一時(shí)間操作的可能性.為保證系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)所有客戶端的控制請(qǐng)求,通信軟件采用多線程技術(shù)對(duì)常用控制指令分別進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了信息流的并發(fā)處理,提高了系統(tǒng)對(duì)多客戶端同一時(shí)間請(qǐng)求的響應(yīng)速度.多線程模型如圖8所示.

圖7　數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)與層次化控制示意圖Fig.7　Schematic diagram of database architecture and hierarchical control

根據(jù)城市路燈實(shí)際照明特點(diǎn),系統(tǒng)將承受在較短時(shí)間內(nèi)接收全部網(wǎng)關(guān)并發(fā)數(shù)據(jù)的壓力,如傍晚開燈時(shí)刻.為防止數(shù)據(jù)并發(fā)上傳時(shí)出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象,系統(tǒng)采用TCP/IP通信協(xié)議,同時(shí)通信軟件借助服務(wù)器內(nèi)存優(yōu)勢(shì),將并發(fā)上傳的數(shù)據(jù)首先暫存到緩沖器a/b中,并開設(shè)線程1對(duì)兩個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交替解析、存儲(chǔ).該方法充分利用了服務(wù)器的內(nèi)存資源,有效地防止系統(tǒng)解析數(shù)據(jù)過于繁忙時(shí)出現(xiàn)“假死”現(xiàn)象.

圖8　多線程模型Fig.8　Multi-threaded model

2.3.4異常掉線

網(wǎng)關(guān)在GPRS中異常掉線和網(wǎng)關(guān)的快速重新連接導(dǎo)致同一個(gè)網(wǎng)關(guān)與通信軟件建立重復(fù)連接的假象,快速找出異常連接,釋放分配的內(nèi)存資源,可有效提高通信軟件的運(yùn)行性能.系統(tǒng)采用“即連即查,立判立斷”的方法,即利用網(wǎng)關(guān)與通信軟件建立連接時(shí)立刻查詢網(wǎng)關(guān)地址的方法.當(dāng)通信軟件接收到網(wǎng)關(guān)上傳的網(wǎng)關(guān)地址,首先與已有網(wǎng)關(guān)地址進(jìn)行比較,判斷是否重復(fù).若已有該網(wǎng)關(guān)地址連接,則通信軟件將其強(qiáng)制斷開,釋放內(nèi)存資源,并將網(wǎng)關(guān)地址賦給新的連接.

2.3.5傳送速率與可靠性分析

文中借助ZigBee網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet構(gòu)建了整個(gè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò),為提高數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳送速率和可靠性,系統(tǒng)采用兩種連接方法:①采用專線接入點(diǎn)名稱(APN)傳輸方式,即通過一條2 Mb/s專線接入移動(dòng)公司的GPRS網(wǎng)絡(luò),使網(wǎng)關(guān)(SIM卡)與服務(wù)器端路由器之間采用私有IP建立廣域連接;②將服務(wù)器托管到專業(yè)機(jī)房,利用專業(yè)機(jī)房的高速光纖網(wǎng)絡(luò)連接和在全國(guó)分布的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),有效保證了照明系統(tǒng)網(wǎng)站能被快速訪問.

2.3.6節(jié)能策略運(yùn)行

城市道路照明需求具有比較靈活的特點(diǎn),例如深夜道路行人變少時(shí),降功率運(yùn)行或關(guān)閉輔道路燈;受陰雨天影響,提前開燈;為了配合在半夜時(shí)對(duì)某路段的路燈進(jìn)行緊急搶修,需要人為關(guān)閉某段路燈;黎明關(guān)燈前1 h為滿足清潔工需求,滿功率運(yùn)行等.為符合以上照明特點(diǎn)和智能控制,系統(tǒng)采用接觸器策略和單燈策略并存的方法,即通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的單燈設(shè)定運(yùn)行策略,如開燈后滿功率運(yùn)行時(shí)間、夜間降功率運(yùn)行、深夜關(guān)閉輔道燈等策略.最終在提供優(yōu)質(zhì)照明管理服務(wù)的條件下實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約,減少光污染,其設(shè)置方法如圖9所示.用戶也可以對(duì)路燈每天的運(yùn)行方式分別設(shè)定,最終形成日方案、周方案、月方案.通信軟件將用戶執(zhí)行的方案分別下載到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān),由網(wǎng)關(guān)每天定時(shí)將路燈運(yùn)行方式廣播給單燈控制節(jié)點(diǎn)[14].

圖9　策略設(shè)置Fig.9　Policy configuration

2.3.7標(biāo)注信息海量加載

將表示照明終端設(shè)備的圖形標(biāo)注加載到地圖界面,是系統(tǒng)可視化管理的基礎(chǔ),它不僅能夠提高管理效率,而且能夠?qū)φ彰髟O(shè)備的地理位置和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行可視化的監(jiān)控.文中通過對(duì)照明設(shè)備的數(shù)量和參數(shù)特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中需要監(jiān)控單個(gè)路燈的運(yùn)行信息不多,但單燈數(shù)量巨大;而網(wǎng)關(guān)數(shù)量較少,但需要監(jiān)控網(wǎng)關(guān)大量的運(yùn)行信息.如果單純地采用普通標(biāo)注Marker類,當(dāng)路燈標(biāo)注超過500盞時(shí),將不能流暢加載照明設(shè)備圖標(biāo).因此,系統(tǒng)在地圖界面中采用Marker類定義網(wǎng)關(guān)設(shè)備,采用PointCollection類定義路燈設(shè)備,并通過配置其對(duì)象屬性確定網(wǎng)關(guān)和單燈圖標(biāo)的大小、顏色等[15],供用戶快速查詢和識(shí)別.

系統(tǒng)通過照明設(shè)備的ID標(biāo)識(shí)(添加照明設(shè)備時(shí)唯一分配的)建立圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系,從而實(shí)現(xiàn)圖形和屬性間的相互查詢.系統(tǒng)加載標(biāo)注流程如圖10所示,在頁面初始化時(shí)向百度電子地圖服務(wù)器發(fā)出地圖加載申請(qǐng),同時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取照明設(shè)備參數(shù)信息,繪制照明設(shè)備圖形并加載到地圖上.從圖中可以看出，界面共加載了14 041盞路燈標(biāo)注.

圖10　加載標(biāo)注流程Fig.10　Process of loading marker

3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

系統(tǒng)中每個(gè)指令的完整傳輸都包括下行(發(fā)送)和上行(應(yīng)答)兩個(gè)過程.當(dāng)在B/S端的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面點(diǎn)擊控制按鍵時(shí),系統(tǒng)同時(shí)向數(shù)據(jù)庫(kù)寫入一條包含網(wǎng)關(guān)地址和控制類型的指令.C/S端檢測(cè)到該控制指令后將其按通信協(xié)議格式打包發(fā)送到指定網(wǎng)關(guān),由網(wǎng)關(guān)控制對(duì)應(yīng)的單燈;相反,以單燈為起點(diǎn)的應(yīng)答幀,以同樣的路徑反向傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù),供實(shí)時(shí)監(jiān)控界面加載瀏覽.為了驗(yàn)證指令傳輸?shù)臅r(shí)間,文中以網(wǎng)關(guān)地址為0551010006下的0018單燈為例對(duì)其進(jìn)行查詢數(shù)據(jù)控制.往返數(shù)據(jù)如下:

(1)2015- 08-19T22:46:56(查詢數(shù)據(jù)控制):0205510100060608B00000187103;

(2)2015- 08-19T22:46:57(應(yīng)答幀):020551010006862AB00000180005212101040218098840263A0802EAC50A03.

從發(fā)送數(shù)據(jù)查詢指令到返回應(yīng)答數(shù)據(jù)大約花費(fèi)1 s的時(shí)間,完全滿足路燈控制的實(shí)時(shí)性要求.

城市數(shù)字化照明系統(tǒng)中的策略控制是有效的節(jié)能措施.它在滿足照明需求的前提下合理地控制路燈的降功率運(yùn)行,最終實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù)(減少光污染).文中以合肥市某區(qū)的1 066盞250 W路燈為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,分別在照明系統(tǒng)的節(jié)能策略控制和手動(dòng)控制下運(yùn)行24 d,各自運(yùn)行相同的時(shí)間,每天的用電量如表1所示.從表中可以看出,24 d中自由運(yùn)行條件下的用電量為78 397 kWh,在照明系統(tǒng)節(jié)能策略控制下的用電量為61 590 kWh,節(jié)省了大約21.44%的電量.

表1照明系統(tǒng)節(jié)能控制和自由運(yùn)行條件下的用電量對(duì)比

Table 1Comparison of power consumption under the condition of energy saving control and free running of lighting system

時(shí)間用電量/kWh節(jié)能控制自由運(yùn)行時(shí)間用電量/kWh 節(jié)能控制自由運(yùn)行第1天26703379第13天25803257第2天26403385第14天25503246第3天26703379第15天25803238第4天26403353第16天24303230第5天26403345第17天25503219第6天25803331第18天24903214第7天25803297第19天25803206第8天24903297第20天25503198第9天26403278第21天25503190第10天25803318第22天24603179第11天26403265第23天25503171第12天24903259第24天24603163

4結(jié)論

基于GIS技術(shù)、多線程技術(shù)、ZigBee通信技術(shù)和GPRS無線技術(shù)的城市道路數(shù)字化智能照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市路燈的“單燈單控”、節(jié)能策略運(yùn)行、可視化管理、異常報(bào)警等功能,讓整個(gè)系統(tǒng)的全部路燈盡收眼底,運(yùn)行狀態(tài)一目了然,極大地提高了路燈管理效率,節(jié)約能源.該系統(tǒng)在合肥某科技有限公司得到了成功推廣使用,為未來設(shè)備的組網(wǎng)管理、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提供了一個(gè)例程.在互聯(lián)網(wǎng)廣泛普及的浪潮下,離散化設(shè)備的組網(wǎng)管理,能夠節(jié)省大量的資源,使資源得到有效的利用,為生產(chǎn)設(shè)備的售后集中服務(wù)、設(shè)備的集中管理和維護(hù)提供了可能性.

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Design of GIS-Based Digital Lighting System for City Road

DONGYu-de1ZHANGChang-hao1DINGBao-yong1LIUMeng-meng1QUANXun-hua2DUQing-peng2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, China;

2. Hefei Fitbright Energy Saving Technology Co., Ltd., Hefei 230088, Anhui, China)

Abstract:Traditional city road lighting system has shortcomings such as a large quantity of energy waste, difficulty in making regulation work and out-dated control method. In order to overcome these shortcomings, a monitoring and control scheme for street lamps on the basis of the geographic information system (GIS) is proposed, and a communication architecture between lighting terminal equipment is designed on the basis of ZigBee and GPRS networks, so as to automatically acquire the operating parameters of lighting equipment in real-time, implement the energy-saving strategy and realize visual management and hierarchical control. Thus, such problems as data loss caused by the abort or delay of GPRS networks and the slow massive marker loading of map interface, can be solved, and both data transmission efficiency and reliability of system communication can be improved. Test results in an area of Hefei show that the proposed scheme and architecture can operate about 10 000 street lamps smoothly with a response time of only about 1 s, and they can save electric energy by 21.44% in comparison with traditional free control.

Key words:GPRS network; street lighting; gateway; ZigBee communication

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.01.008

中圖分類號(hào)：TP393

作者簡(jiǎn)介：董玉德(1966-),男,博士后,教授,主要從事管理信息系統(tǒng)、面向個(gè)體的軟件工程研究.E-mail：dydjiaoshou@126.com

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275145)

收稿日期：2015-04-24

Foundation item： Supported by the National Natural Science Foundation of China(51275145)