大數(shù)據(jù)理念層次化節(jié)電控制系統(tǒng)

李芳 李哲康 吳旭陽(yáng) 李卓然 靳召雪

摘 要：為節(jié)約耗電，構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)，文中設(shè)計(jì)了一款大數(shù)據(jù)理念層次化節(jié)電控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采集一段時(shí)間內(nèi)人或車(chē)流量并將數(shù)據(jù)發(fā)送給路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的開(kāi)關(guān)控制、定時(shí)控制、故障提示等，不僅方便系統(tǒng)維護(hù)，還能減少政府財(cái)政支出。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);節(jié)電控制

1 研究背景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)路燈有2 800萬(wàn)～3 000萬(wàn)盞。近幾年路燈每年增長(zhǎng)速率為15%～20%，約300萬(wàn)～600萬(wàn)盞。在我國(guó)照明耗電中，城市路燈照明占我國(guó)照明耗電約30%，年用電約850億千瓦時(shí)，折合標(biāo)準(zhǔn)煤約3 000萬(wàn)噸，每年市政路燈照明的開(kāi)支就高達(dá)550億元。在節(jié)能減排已成為國(guó)策的今天，對(duì)路燈照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更多地考慮對(duì)能源的節(jié)約利用，這不僅是落實(shí)國(guó)家節(jié)能政策的重要內(nèi)容，同時(shí)也是地方政府減少財(cái)政支出的有效途徑。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)包含后臺(tái)服務(wù)軟件、路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)和單燈控制器三部分。后臺(tái)服務(wù)軟件用于實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的開(kāi)關(guān)控制、定時(shí)控制、故障提示等操作，簡(jiǎn)化了管理成本，提高了管理效率;路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)用于轉(zhuǎn)發(fā)信息，既可以與后臺(tái)服務(wù)軟件通信，也可與單燈控制器通信，實(shí)現(xiàn)了后臺(tái)服務(wù)軟件控制單燈控制器和獲取單燈控制器采集數(shù)據(jù)的目的;單燈控制器用于控制路燈開(kāi)關(guān)，采集一段時(shí)間內(nèi)人或車(chē)流量并將數(shù)據(jù)發(fā)送給路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，接收來(lái)自路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的指令并作出相應(yīng)處理。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 后臺(tái)服務(wù)軟件設(shè)計(jì)

后臺(tái)服務(wù)軟件使用Python語(yǔ)言編寫(xiě)，路燈管理人員可通過(guò)管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的關(guān)開(kāi)，在減少人力巡查力度的同時(shí)提高了管理和維護(hù)效率。后臺(tái)服務(wù)軟件既可以對(duì)路燈控制器采集到的車(chē)（人）流量進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理，也可以將車(chē)（人）流量打印成報(bào)表，甚至利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，使系統(tǒng)進(jìn)行自我優(yōu)化處理，實(shí)現(xiàn)路燈的智能化、現(xiàn)代化。

2.2.2 路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計(jì)

路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)由STM32F103系列單片機(jī)和無(wú)線通信模塊組成。路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)一方面要與后臺(tái)服務(wù)軟件通信，另一方面要與單燈控制器通信。由于兩邊的通信協(xié)議不同，所以采用的通信方式亦不同。

與后臺(tái)服務(wù)軟件通信時(shí)，根據(jù)路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)與安裝后臺(tái)服務(wù)軟件終端的距離選擇通信方式。遠(yuǎn)距離可采用以太網(wǎng)方式;近距離可采用WiFi方式或有線連接方式。路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)通過(guò)WiFi接收來(lái)自后臺(tái)服務(wù)軟件的指令，處理后再轉(zhuǎn)發(fā)給單燈控制器。

ZigBee無(wú)線通信技術(shù)傳輸范圍為10～100 m，增加發(fā)射功率后，可增加到1～3 km。WiFi無(wú)線通信技術(shù)傳輸距離為10～100 m，且不容易延長(zhǎng)傳輸距離。nRF24L01無(wú)線通信距離一般大于15 m，在增加發(fā)射功率和天線時(shí)，可增加到1 km以上?？紤]成本及實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，本產(chǎn)品采用nRF24L01進(jìn)行通信。路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)通過(guò)nRF24L01接收來(lái)自路燈控制器的數(shù)據(jù)后，再通過(guò)WiFi傳給后臺(tái)服務(wù)軟件。

2.2.3 單燈控制器電路設(shè)計(jì)

單燈控制器主要由STM32F103系列單片機(jī)、DS1302時(shí)鐘模塊、nRF24L01無(wú)線通信模塊、LED燈驅(qū)動(dòng)電路、微波雷達(dá)感應(yīng)開(kāi)關(guān)、光敏開(kāi)關(guān)等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。時(shí)鐘模塊和光敏開(kāi)關(guān)用于判斷當(dāng)前光照度，無(wú)線通信模塊用于與路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，時(shí)鐘模塊和微波雷達(dá)感應(yīng)開(kāi)關(guān)用于采集人或車(chē)流量。

2.3 后臺(tái)服務(wù)軟件程序設(shè)計(jì)

使用Java語(yǔ)言編寫(xiě)Android手機(jī)APP，通過(guò)點(diǎn)擊應(yīng)用程序按鍵實(shí)現(xiàn)功能。通過(guò)手機(jī)控制無(wú)需配備額外的控制器，大大節(jié)省了管理成本。

2.3.1 路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)程序如圖2所示。

使用ESP8266 WiFi模塊與后臺(tái)服務(wù)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。接收數(shù)據(jù)后，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)處理。例如，接收到開(kāi)啟所有路燈的命令，則處理函數(shù)將給所有無(wú)線路燈控制器發(fā)送開(kāi)燈程序。當(dāng)接收到無(wú)線路燈控制器發(fā)來(lái)的報(bào)警信號(hào)后，則通過(guò)WiFi發(fā)送數(shù)據(jù)程序至后臺(tái)服務(wù)軟件。

使用nRF24L01與單燈控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由于是一對(duì)多模式，每一個(gè)nRF24L01的接收地址和發(fā)送地址可相同，因此通過(guò)頻分復(fù)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

路燈從常亮模式轉(zhuǎn)換為人或車(chē)來(lái)才亮模式時(shí)，需要設(shè)定人或車(chē)流量閾值。由于某些路段每天的人或車(chē)流量的曲線存在關(guān)聯(lián)性，所以可根據(jù)之前的人或車(chē)流量和當(dāng)天之前時(shí)段的人或車(chē)流量估算下一時(shí)間段的人或車(chē)流量。然后再根據(jù)估算值判斷下一個(gè)時(shí)間段是否轉(zhuǎn)換模式。

2.3.2 單燈控制器程序設(shè)計(jì)

控制器需要與路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，控制路燈關(guān)開(kāi)，檢測(cè)路燈工作狀態(tài)，感應(yīng)是否有人或車(chē)經(jīng)過(guò)，采集人和車(chē)流量。路燈的開(kāi)啟是光控和時(shí)控的結(jié)合。

使用nRF24L01和路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，單燈控制器充當(dāng)從機(jī)。程序等待接收來(lái)自路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)處理。

使用MOS驅(qū)動(dòng)電路控制路燈關(guān)開(kāi)。根據(jù)當(dāng)前需要，調(diào)整PWM波的占空比就可以實(shí)現(xiàn)路燈的關(guān)開(kāi)及亮度的調(diào)節(jié)。

通過(guò)檢測(cè)MOS驅(qū)動(dòng)電路在路燈亮?xí)r是否有電流通過(guò)來(lái)判斷路燈是否出現(xiàn)故障。通過(guò)MAX471電流檢測(cè)芯片把電流轉(zhuǎn)換為電壓，經(jīng)AD采集獲知當(dāng)前路燈狀態(tài)，若路燈出現(xiàn)故障，則發(fā)送信息給路燈系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)。

考慮到路燈的照射距離等因素，選用一款感應(yīng)距離合適的微波雷達(dá)。當(dāng)人或車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，雷達(dá)模塊會(huì)反饋一個(gè)電壓信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)該信號(hào)即可獲知是否有車(chē)或人經(jīng)過(guò)。無(wú)線路燈控制器程序流程如圖3所示。

通過(guò)檢測(cè)微波雷達(dá)的信號(hào)和時(shí)鐘模塊的時(shí)間換算出該時(shí)間段的人或車(chē)流量。

通過(guò)DS1302獲取當(dāng)前時(shí)間，通過(guò)光敏模塊獲取當(dāng)前環(huán)境的亮暗情況，當(dāng)兩者情況都滿(mǎn)足閾值條件時(shí)，開(kāi)啟路燈。

當(dāng)采集信號(hào)顯示路燈工作狀態(tài)不正常時(shí)，無(wú)線路燈控制器發(fā)送路燈故障信息給無(wú)線路燈網(wǎng)關(guān)。在軟件上使用外部中斷，以便快速反應(yīng)、減少不必要的運(yùn)算量。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）首次將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于路燈控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

（2）用2.4G無(wú)線傳輸與WiFi技術(shù)將物物相連，實(shí)現(xiàn)多路燈的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集。

（3）系統(tǒng)具有自我學(xué)習(xí)功能。

（4）可感應(yīng)控制路燈。

（5）可遠(yuǎn)程控制管理，使故障維修更加快速便捷，降低管理成本。