基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

佘晨沐

（四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川 成都 610017）

0 引言

城市照明是城市發(fā)展所必備的基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是改善和提升城市品質(zhì)的重要保證。隨著路燈數(shù)量的不斷增長，電量消耗量持續(xù)增大，路燈管控難度也隨之增大，統(tǒng)計(jì)資料顯示，當(dāng)前電能資源的生產(chǎn)總量已經(jīng)無法應(yīng)對(duì)日益增長的電能消耗[1]，為此必須積極引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行城市路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效解決路燈管控混亂、電能無謂消耗等問題。

1 智能路燈控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)主要包括兩級(jí)：一是通過變壓器將高壓電線接進(jìn)配電柜；二是通過時(shí)空控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)路燈控制[2]。與這種傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，城市路燈智能控制系統(tǒng)擴(kuò)展為3個(gè)層次。

一是基于上位機(jī)的控制軟件（LMS），該層次是系統(tǒng)控制終端，可通過其不同的功能模塊對(duì)城市路燈系統(tǒng)展開策略控制。此外，還能依據(jù)具體的開發(fā)思路，進(jìn)行其他功能的添加，例如根據(jù)路燈服役及各部位損耗情況添加物料管理功能模塊，從而將城市路燈納入城市固定資產(chǎn)系統(tǒng)，為其運(yùn)行提供智能控制。二是安裝在配電柜內(nèi)、發(fā)揮承上啟下作用的數(shù)據(jù)集中器，該集中器主要通過GPRS等無線網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)控制軟件系統(tǒng)通信，既能滿足上層軟件在運(yùn)行數(shù)據(jù)方面的需要，又能將處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋至上層軟件。數(shù)據(jù)集中器同時(shí)還通過電力載波信號(hào)對(duì)其下級(jí)控制實(shí)體——單燈控制器實(shí)施控制，即進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集、控制命令的下發(fā)以及路燈開關(guān)和調(diào)光控制。在該城市路燈智能控制系統(tǒng)中，主要采用的是美國i.LON數(shù)據(jù)集中器。三是作為城市路燈智能控制系統(tǒng)神經(jīng)末梢的單燈控制器（SLC），通過該系統(tǒng)進(jìn)行路燈控制，并通過電力載波將相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)集中器實(shí)時(shí)反饋。單燈控制器所用MCU體現(xiàn)著全球唯一標(biāo)識(shí)碼，也是單燈個(gè)體特征識(shí)別的憑證[3]。

本文所提出的城市路燈智能控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)具體見圖1。

1.1 數(shù)據(jù)集中器

i.LON智能服務(wù)器主要起到輔助業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的作用，借助該服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)電子設(shè)備的監(jiān)控及管理，i.LON智能服務(wù)器在舊網(wǎng)絡(luò)改造及新網(wǎng)絡(luò)建造方面均能發(fā)揮能源節(jié)省作用，其主要憑借強(qiáng)大的功能、堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)和極大的靈活性實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理。對(duì)于Web頁面、Web Service等應(yīng)用程序均能借助模擬解調(diào)器、以太網(wǎng)、外部GPRS調(diào)制解調(diào)器等實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備的監(jiān)管。各電子設(shè)備借助i.LON智能服務(wù)器的通用連通性實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和設(shè)備的連接，并借助Internet網(wǎng)絡(luò)或企業(yè)IP網(wǎng)絡(luò)高效利用設(shè)備數(shù)據(jù)，通過內(nèi)置的數(shù)據(jù)記錄、事件調(diào)度、報(bào)警等應(yīng)用程序提升監(jiān)控管理效果。在本文所設(shè)計(jì)的城市路燈智能控制系統(tǒng)中，充分發(fā)揮了i.LON智能服務(wù)器對(duì)電力載波通信的支持和應(yīng)用功能，i.LON智能服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心[4]。

1.2 電力載波

電力載波通信（Power Line Carrier，PLC）主要利用電壓在35 kV以上的高壓電力線、電力10 kV左右的中壓電力線及電壓為220/380 V的低壓電力線進(jìn)行媒介傳輸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)語音等數(shù)據(jù)信號(hào)的通信傳輸。該通信方式被國外發(fā)達(dá)國家譽(yù)為尚未被充分開發(fā)的金礦，隨著近年來高壓電力載波技術(shù)突破單片機(jī)束縛[5]，向數(shù)字化方向的不斷邁進(jìn)，這一技術(shù)日漸成為熱門專業(yè)技術(shù)。此外，社會(huì)各行各業(yè)對(duì)中低壓電力載波通信技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用不斷推動(dòng)著這一技術(shù)的發(fā)展。

1.3 LonWorks技術(shù)

該技術(shù)于20世紀(jì)90年代由美國Echelon公司提出后便在通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，這一技術(shù)徹底打破了封閉化的常規(guī)性控制模式，能通過基于LonTalk協(xié)議的自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將傳感器、斷路器、執(zhí)行元件等一次元件控制單元連接成開放性的測控網(wǎng)絡(luò)。LonWorks網(wǎng)絡(luò)屬于單層分布的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信網(wǎng)絡(luò)，其主要由傳感器總線、現(xiàn)場總線和設(shè)備總線等層次構(gòu)成。LonWorks具備互操作功能，能為用戶提供自由應(yīng)用空間，但是在應(yīng)用該技術(shù)的過程中并不僅限于這一功能，這就導(dǎo)致開發(fā)商在LonWorks互操作協(xié)議組建過程中，必須應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化文件進(jìn)行各執(zhí)行細(xì)節(jié)的規(guī)定。

正是基于該技術(shù)的互操作功能，LonWorks技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域逐漸從工業(yè)自動(dòng)化轉(zhuǎn)向智能建造，并因?yàn)槠渌邆涞幕ゲ僮餍浴⒏呖煽啃?、開放性、無中心檢測等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)必將成為智能建筑方面的主流技術(shù)。LonWorks技術(shù)開發(fā)平臺(tái)完整，主要由硬件部分、神經(jīng)元芯片、LonTalk通信協(xié)議等部分組成。該技術(shù)應(yīng)用于智能建筑后以節(jié)點(diǎn)為基本單元，以控制模塊為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并通過一根總線將全部監(jiān)控模塊連接，各監(jiān)控模塊又同時(shí)劃分成電源、I/O監(jiān)控電路、通信收發(fā)器、神經(jīng)元芯片等若干部分，通過監(jiān)控模塊主要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、智能建筑運(yùn)行的調(diào)節(jié)控制。考慮到監(jiān)控模塊和被監(jiān)控模塊之間的距離往往不長，所以其線路結(jié)構(gòu)較為簡單，布線少，能夠以子系統(tǒng)形式分布，使系統(tǒng)可靠性大大提升。此外，LonWorks技術(shù)還為智能控制系統(tǒng)的升級(jí)提供了多條路徑，只需在總線結(jié)構(gòu)上添加節(jié)點(diǎn)便能增設(shè)控制設(shè)備。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單燈控制器設(shè)計(jì)

單燈控制器作為城市路燈智能控制系統(tǒng)的神經(jīng)末梢，主要具備兩個(gè)功能：監(jiān)視路燈實(shí)際運(yùn)行情況；將數(shù)據(jù)集中器所采集到的電壓、電流、運(yùn)行時(shí)間、功率等單燈實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)及時(shí)返回。單燈控制器單元主要涉及以下功能模塊：（1）SIP卡模塊，即通過該模塊進(jìn)行電力載波信號(hào)的解析及單燈運(yùn)行數(shù)據(jù)的編碼與解碼，并接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。SLC中所用的單片機(jī)芯片中包含的全球唯一編碼為12位，在城市路燈智能控制系統(tǒng)中，該編碼是單燈控制器的主要標(biāo)識(shí)。（2）物聯(lián)網(wǎng)模塊，為增強(qiáng)該模塊的抗干擾性和穩(wěn)定性，物聯(lián)網(wǎng)模塊利用ESP-826612S主芯片，物聯(lián)網(wǎng)模塊聯(lián)網(wǎng)控制主要通過物聯(lián)網(wǎng)與串口間的通信以及和STM32單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)。將該模塊初始化后通過路由器接入外網(wǎng)，系統(tǒng)端便顯示設(shè)備已上線，通過系統(tǒng)發(fā)出指令后便引發(fā)該模塊引腳電平的相應(yīng)變化，單片機(jī)據(jù)此做出遠(yuǎn)程控制城市路燈的決策?？紤]到ESP-826612S主芯片和單片機(jī)串口的連接方式，ESP-826612S主芯片和單片機(jī)P14引腳、GPIO14引腳相連，向系統(tǒng)發(fā)送指令后主芯片對(duì)應(yīng)的GPIO14引腳電平將發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市路燈運(yùn)行系統(tǒng)的智能控制。（3）開關(guān)電源模塊，要求該模塊必須釋放穩(wěn)定的直流電，向SIP卡模塊供電。（4）測量模塊，即通過采樣電路進(jìn)行有用數(shù)據(jù)收集，并通過電力載波信號(hào)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋至數(shù)據(jù)集中器。

2.2 三相耦合器設(shè)計(jì)

就目前技術(shù)來看，城市路燈供電一般通過高壓電線→變壓器→配電柜的方式，由配電柜引出三相電。對(duì)于現(xiàn)場使用的數(shù)據(jù)集中器i.LON而言，電力載波信號(hào)無法繞過變壓器實(shí)現(xiàn)傳輸，故數(shù)據(jù)集中器硬件設(shè)計(jì)方面必須考慮如何對(duì)三相電電力載波信號(hào)進(jìn)行收集。i.LON屬于具備很強(qiáng)通用性的數(shù)據(jù)集中器，所提供的外部I/O較多。根據(jù)i.LON接口設(shè)置可以看出，數(shù)據(jù)集中器i.LON主要包括兩個(gè)I/O外部接口，用于數(shù)據(jù)集中器收集電力載波信號(hào)：一是電源接口（hight-Voltage），二是三相耦合接口（Lon/Works）。其中，電源接口是主要的供電通道，同時(shí)將供電相電力載波信號(hào)向i.LON反饋；三相耦合接口則收集另外兩相電力載波信號(hào)。按照三相濾波器的連接方式，三相濾波器屬于實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的隔離電路，可有效避免其余電力信號(hào)對(duì)電力載波信號(hào)的干擾。三相濾波器連接方式見圖2。

2.3 信號(hào)隔離器設(shè)計(jì)

電力載波信號(hào)應(yīng)用于城市路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中所面臨的主要難題在于如何降低、屏蔽電力線干擾信號(hào)。信號(hào)隔離器是基于實(shí)際應(yīng)用而產(chǎn)生的設(shè)計(jì)形式，其電路設(shè)計(jì)較為簡單，主要作用在于將非必要電力信號(hào)屏蔽于主干線以外。城市路燈在設(shè)計(jì)時(shí)一般遵循就近取電原則，所以對(duì)于現(xiàn)實(shí)的街道而言，一個(gè)電路上可能外接公交指示燈、燈箱、廣告牌等數(shù)個(gè)設(shè)備，外接電路往往缺乏規(guī)范性，且設(shè)備加電后很容易出現(xiàn)各種形式的噪聲干擾，導(dǎo)致燈頭前端所加載的SLC和數(shù)據(jù)集中器的通信受到很大干擾，使其無法順利接收數(shù)據(jù)集中器所發(fā)出的命令消息，也無法進(jìn)行單燈控制器有用數(shù)據(jù)的及時(shí)反饋。為此，必須引入信號(hào)隔離器并連接于主干線和外接設(shè)備之間，以起到有效的抗通信干擾作用。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該城市路燈智能控制系統(tǒng)軟件基于Java Web開發(fā)設(shè)計(jì)，其中的Web由Web服務(wù)器和Web客戶端兩部分構(gòu)成。城市路燈智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中引入路燈監(jiān)控、控制器維護(hù)、路燈使用計(jì)劃、能耗報(bào)表、區(qū)域管理、燈源壽命、故障報(bào)警、運(yùn)維管護(hù)效果分析、物料服務(wù)商管理等控制模塊。系統(tǒng)登錄界面見圖3?；赪eb進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)的優(yōu)勢(shì)還在于只要接入Internet網(wǎng)絡(luò)，便能遠(yuǎn)程登錄，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況實(shí)施控制和管理。

主要通過安裝在監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上的監(jiān)控軟件和用戶操作界面實(shí)施操作，并管理系統(tǒng)。各數(shù)據(jù)集中器主要通過無線網(wǎng)絡(luò)接入監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。通過控制數(shù)據(jù)集中器的各類指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市路燈亮度、調(diào)度時(shí)間、報(bào)警應(yīng)答等方面的控制和操作，同時(shí)對(duì)集中器所反饋的包括路燈溫度、亮度、電壓、電流、功率等在內(nèi)的節(jié)點(diǎn)信息實(shí)施監(jiān)視。

以基于Web的C/S架構(gòu)為軟件監(jiān)控的用戶操作界面程序，該架構(gòu)易擴(kuò)展，操作方便，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)可通過多個(gè)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、本地計(jì)算機(jī)同時(shí)監(jiān)控，還能提供與其余工控標(biāo)準(zhǔn)的通信接口及用戶數(shù)據(jù)通道。監(jiān)控人員借助本地計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)所有網(wǎng)絡(luò)中的i.LON集中器實(shí)施管理，并對(duì)其運(yùn)行狀況及單燈控制器組網(wǎng)的運(yùn)行狀況實(shí)施控制，并結(jié)合運(yùn)行實(shí)際，進(jìn)行受控裝置及目標(biāo)設(shè)備的添加、移除、改動(dòng)，對(duì)i.LON集中器數(shù)據(jù)實(shí)施定期訪問，并通過管理軟件在相應(yīng)的數(shù)據(jù)集中器中下載臨時(shí)或新增調(diào)度程序，升級(jí)單燈控制器固件。

3.2 通信模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)集中器i.LON功能強(qiáng)大，可為現(xiàn)場用戶提供眾多功能模塊，但是其部分模塊如數(shù)據(jù)傳輸功能模塊雖然能向現(xiàn)場用戶提供數(shù)據(jù)回轉(zhuǎn)功能，但是卻面臨模塊功能開發(fā)等方面的難題。FPM允許通過C/C++語言為i.LON提供定制功能的驅(qū)動(dòng)或應(yīng)用程序，既能有效解決i.LON自身所面臨的難題，又能提供出包括能源優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析、照明控制等在內(nèi)的一整套有效的解決方案，還能借助FPM驅(qū)動(dòng)程序從i.LON內(nèi)部應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送至其I/O口的RS-485或嵌入式網(wǎng)頁。

此模塊最初設(shè)計(jì)的目的在于數(shù)據(jù)傳輸，但是隨著開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展以及i.LON實(shí)現(xiàn)此類功能所需數(shù)據(jù)流量較大等原因，i.LON自身所能實(shí)現(xiàn)的功能也逐漸在FPM中得到體現(xiàn)。上層發(fā)送的數(shù)據(jù)由FPM通信控制模塊接收，考慮到數(shù)據(jù)包中包含數(shù)據(jù)長度、命令類型等重要信息，可自動(dòng)為下級(jí)處理提供方向和要求；同時(shí)還能及時(shí)進(jìn)行內(nèi)存空間大小的核對(duì)與分配，便于對(duì)所接收數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并為接下來接收的信息開辟內(nèi)存空間。

4 系統(tǒng)軟件功能模塊測試

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市路燈智能控制系統(tǒng)軟件功能模塊測試包括正常運(yùn)行期間的節(jié)能減排、異常情況下系統(tǒng)的自動(dòng)開關(guān)、壓力測試等。其中，壓力測試主要針對(duì)的是添加進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中器數(shù)量的確定，每個(gè)數(shù)據(jù)集中器都與上層軟件無線連接，為保證壓力正常，則必須監(jiān)測上層軟件處理無線連接的個(gè)數(shù)。到目前為止，這一連接個(gè)數(shù)上限為500，當(dāng)連接個(gè)數(shù)超出500時(shí)，必須同時(shí)設(shè)置2臺(tái)服務(wù)器系統(tǒng)以進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的相應(yīng)處理。

5 結(jié)語

綜上所述，智能路燈控制系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物之一，該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既能極大簡化路燈控制系統(tǒng)管理，又能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。然而，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入城市路燈智能控制系統(tǒng)仍屬于較新的領(lǐng)域，無論在技術(shù)層面還是實(shí)際應(yīng)用層面，均存在諸多有待解決的問題。在技術(shù)層面，城市路燈智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中器、SLC通信的實(shí)現(xiàn)主要依靠電力載波，LonTalk協(xié)議能為數(shù)據(jù)傳輸和通信提供有力保證，但是電力線上會(huì)產(chǎn)生噪聲干擾，尤其對(duì)于復(fù)雜的路燈連接系統(tǒng)而言，電力線上外接電源設(shè)備數(shù)量較多，噪聲在主干線路上匯集，引發(fā)底層通信中斷的可能性非常大。通過應(yīng)用信號(hào)隔離器隔離各外接電源設(shè)備干擾信號(hào)解決此類問題的做法仍有待進(jìn)一步研究。