[ 導讀 ] 隨著城市經濟和規模的發展，各種類型的道路越來越長，機動車數量迅速增加，夜間交通流量也越來越大，道路照明質量直接影響交通安全和城市發展。

1 引言
　　隨著城市經濟和規模的發展，各種類型的道路越來越長，機動車數量迅速增加，夜間交通流量也越來越大，道路照明質量直接影響交通安全和城市發展。如何提高道路照明質量、降低能耗、實現綠色照明已成為城市照明的關鍵問題。道路照明的首要任務是在節約公共能源的基礎上，提供安全和舒適的照明亮度，達到減少交通事故，提升交通運輸效率的目的。由于基礎設施的條件所限，目前普遍缺少路燈級的通信鏈路，路燈控制方式一般只能對整條道路統一控制，無法測量和控制到每一盞燈。本文基于物聯網，設計了一種嵌入式無線路燈控制模塊，實現了每盞路燈的無線自主組網，使每一盞路燈都能遙測和遙控，與路燈設施中的一些單元（如電子鎮流器等）連接，達到路燈的亮度（或照度）在30%～100%無級可調，在保證道路照明質量、改善辨認可靠和視覺舒適情況下，根據環境光強度和時段，節約電能20～30%。
      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。
　　2 系統結構
　　基(ji)于物聯網(wang)(wang)道(dao)(dao)路(lu)(lu)(lu)照(zhao)明系統(tong)的結構如圖1所示，通(tong)過(guo)在每盞路(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)嵌(qian)入(ru)一個(ge)無線通(tong)信(xin)(xin)模塊，使(shi)它們自(zi)組網(wang)(wang)絡(luo)，接受(shou)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)(zhong)心(xin)(xin)(xin)的命(ming)令(ling)并(bing)將路(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)的狀態反(fan)饋(kui)給控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)(zhong)心(xin)(xin)(xin)；HG－2控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)箱采(cai)用(yong)ZigBee技術與所管轄道(dao)(dao)路(lu)(lu)(lu)的所有路(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)通(tong)信(xin)(xin)，采(cai)用(yong)GPRS與控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)(zhong)心(xin)(xin)(xin)通(tong)信(xin)(xin)，根據控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)(zhong)心(xin)(xin)(xin)的指令(ling)或(huo)時間和(he)日照(zhao)亮度(du)(du)對每盞路(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)發出控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)命(ming)令(ling)（路(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)開啟(qi)、關閉、照(zhao)明度(du)(du)（功率大(da)小）等），自(zi)動調節整條(tiao)道(dao)(dao)路(lu)(lu)(lu)的功率平衡；控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)(zhong)心(xin)(xin)(xin)由服(fu)務器(qi)、大(da)屏顯示、CenterView中(zhong)(zhong)(zhong)央控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系統(tong)軟件平臺(tai)等組成，CenterView中(zhong)(zhong)(zhong)央控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)系統(tong)軟件平臺(tai)采(cai)用(yong)3D設計，通(tong)過(guo)縮放(fang)變換以俯(fu)視的角度(du)(du)觀察和(he)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)到(dao)整個(ge)城市、一個(ge)街道(dao)(dao)、一條(tiao)道(dao)(dao)路(lu)(lu)(lu)、甚至(zhi)一盞路(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)的照(zhao)明情況；移動計算工(gong)具（筆(bi)記本電腦、PDA、手機）和(he)路(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)維護車(che)也能通(tong)過(guo)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)中(zhong)(zhong)(zhong)心(xin)(xin)(xin)進行遠程遙(yao)測和(he)遙(yao)控(kong)(kong)。

　　3 無線通信模塊
　　3.1 模塊設計
　　無線通(tong)信(xin)模塊(kuai)的MCU為Freesclae公司MC13213，MC13213采用SiP技術在9×9mm的LGA封(feng)裝內(nei)集(ji)成了MC9S08GT主控MCU和(he)MC1320x射頻收發器(qi)(qi)。MC13213擁(yong)有4KB的RAM、60KB的FLASH，具有1個(ge)串行(xing)外設接(jie)口(kou)（SerialPeripheralInterface，SPI），2個(ge)異步串行(xing)通(tong)信(xin)接(jie)口(kou)（SerialCommunicationsInterface，SCI），1個(ge)鍵(jian)盤中斷模塊(kuai)（KeyboardInterrupt，KBI），2個(ge)定時器(qi)(qi)[FS:PAGE]/脈(mo)寬調制模塊(kuai)（Timer/PWM，TPM），1個(ge)8通(tong)道10位的模數(shu)轉換器(qi)(qi)（Analog/DigitalConverter，ADC），以及多達32個(ge)的GPIO口(kou)等。如圖(tu)2所(suo)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。
 
    [FS:PAGE]  4 控制中心軟件設計
　　控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)中(zhong)心(xin)(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)軟(ruan)(ruan)(ruan)件(jian)(jian)設(she)計平臺為Windows2003，開(kai)發工(gong)(gong)具是(shi)(shi)微軟(ruan)(ruan)(ruan)VisualStudio2005，數(shu)據庫使用SQLServer2005，與地理(li)信息系(xi)(xi)統(tong)相結合(he)(he)，在(zai)(zai)獲取了街(jie)道(dao)、建筑物以及路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)位置(zhi)(zhi)(zhi)、形(xing)狀等特(te)征信息后，設(she)計以路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)為主體的(de)(de)(de)(de)(de)3維(wei)虛擬城(cheng)市(shi)，在(zai)(zai)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)中(zhong)心(xin)(xin)大屏幕(mu)上動(dong)態顯(xian)示道(dao)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)的(de)(de)(de)(de)(de)照(zhao)明效(xiao)(xiao)果(guo)，并可(ke)以通過(guo)平移(yi)，放大，縮小等幾何變(bian)(bian)換，觀察整個(ge)城(cheng)市(shi)、街(jie)道(dao)甚(shen)(shen)至每一(yi)(yi)盞(zhan)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)照(zhao)明情(qing)(qing)(qing)況(kuang)。該軟(ruan)(ruan)(ruan)件(jian)(jian)主要有(you)5個(ge)功能(neng)模塊(kuai)：系(xi)(xi)統(tong)設(she)置(zhi)(zhi)(zhi)、智能(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)、電(dian)量(liang)核算、故(gu)障(zhang)處(chu)理(li)和緊急(ji)(ji)(ji)預(yu)案(an)。系(xi)(xi)統(tong)設(she)置(zhi)(zhi)(zhi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)區域設(she)置(zhi)(zhi)(zhi)有(you)市(shi)，區，街(jie)道(dao)和電(dian)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)箱4種(zhong)(zhong)；路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)設(she)置(zhi)(zhi)(zhi)有(you)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)位置(zhi)(zhi)(zhi)、型(xing)號、生產(chan)單(dan)位、施工(gong)(gong)單(dan)位、維(wei)護責(ze)任人，安(an)裝日(ri)期(qi)、清(qing)洗維(wei)護日(ri)期(qi)等；亮燈(deng)(deng)(deng)(deng)方(fang)式設(she)置(zhi)(zhi)(zhi)有(you)全(quan)開(kai)，全(quan)關(guan)，單(dan)號路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)開(kai)，單(dan)號路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)關(guan)，雙(shuang)號路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)開(kai)，雙(shuang)號路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)關(guan)，1/3路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)開(kai)，1/3路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)關(guan)，1/4路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)開(kai)，1/4路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)關(guan)，智能(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)等11種(zhong)(zhong)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)方(fang)式；時(shi)段設(she)置(zhi)(zhi)(zhi)可(ke)根(gen)據不同的(de)(de)(de)(de)(de)城(cheng)市(shi)不同的(de)(de)(de)(de)(de)季(ji)(ji)節(jie)設(she)置(zhi)(zhi)(zhi)不同時(shi)段的(de)(de)(de)(de)(de)亮燈(deng)(deng)(deng)(deng)方(fang)式；智能(neng)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)有(you)兩方(fang)面內(nei)容(rong)：針對安(an)裝了電(dian)子型(xing)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)段，根(gen)據季(ji)(ji)節(jie)變(bian)(bian)化和天(tian)氣(qi)狀況(kuang)，通過(guo)實(shi)時(shi)采(cai)樣環(huan)境光(guang)強度，對路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)的(de)(de)(de)(de)(de)照(zhao)明亮度進行(xing)智能(neng)調節(jie)；在(zai)(zai)夜間(jian)，特(te)別是(shi)(shi)深夜當檢測到汽(qi)車(che)和行(xing)人的(de)(de)(de)(de)(de)流(liu)量(liang)十分(fen)稀少時(shi)，在(zai)(zai)不影響(xiang)辨認可(ke)靠的(de)(de)(de)(de)(de)情(qing)(qing)(qing)況(kuang)下，適當降低(di)道(dao)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)的(de)(de)(de)(de)(de)照(zhao)明亮度，節(jie)約電(dian)耗；電(dian)量(liang)核算能(neng)對市(shi)，區，街(jie)道(dao)、電(dian)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)箱甚(shen)(shen)至每盞(zhan)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)燈(deng)(deng)(deng)(deng)進行(xing)用電(dian)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)統(tong)計和核算；故(gu)障(zhang)處(chu)理(li)是(shi)(shi)對燈(deng)(deng)(deng)(deng)具損壞、斷電(dian)、斷相、過(guo)流(liu)、過(guo)壓、三相不平衡以及人為破壞等情(qing)(qing)(qing)況(kuang)，在(zai)(zai)第一(yi)(yi)時(shi)間(jian)向監控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)中(zhong)心(xin)(xin)報警后迅速生成(cheng)故(gu)障(zhang)報告；故(gu)障(zhang)處(chu)理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)另一(yi)(yi)個(ge)功能(neng)是(shi)(shi)按路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)段和時(shi)段（年、季(ji)(ji)度、月）統(tong)計亮燈(deng)(deng)(deng)(deng)率(lv)(lv)、故(gu)障(zhang)率(lv)(lv)、每次故(gu)障(zhang)處(chu)理(li)的(de)(de)(de)(de)(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)（平均修理(li)時(shi)間(jian)）；緊急(ji)(ji)(ji)預(yu)案(an)是(shi)(shi)對一(yi)(yi)些突(tu)發事(shi)件(jian)(jian)制(zhi)(zhi)(zhi)定度緊急(ji)(ji)(ji)預(yu)案(an)，在(zai)(zai)特(te)殊(shu)情(qing)(qing)(qing)況(kuang)下，盡可(ke)能(neng)提供合(he)(he)適的(de)(de)(de)(de)(de)道(dao)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)照(zhao)明，保證人民生命財產(chan)的(de)(de)(de)(de)(de)安(an)全(quan)。圖3是(shi)(shi)控(kong)(kong)(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)中(zhong)心(xin)(xin)軟(ruan)(ruan)(ruan)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)行(xing)界面之一(yi)(yi)。

　　5 實際應用
　　物聯網的(de)道路照明(ming)系統自2009年5月以來，在(zai)某國(guo)家(jia)級工業(ye)園(yuan)區(qu)進行了(le)安(an)裝和測(ce)試，安(an)裝環(huan)境為(wei)同一(yi)條(tiao)道路兩邊(bian)的(de)各(ge)100盞路燈(deng)，道路左邊(bian)的(de)100盞路燈(deng)采用無線傳(chuan)感智(zhi)能控制，共增加成本24600.00元(yuan)人(ren)民幣，道路右邊(bian)的(de)100盞路燈(deng)采用常(chang)規(gui)的(de)控制方式(shi)（半夜后單雙號間隔(ge)開燈(deng)18:30～6:30），測(ce)試結果如表(biao)1所(suo)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[FS:PAGE]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
　　本文基于無(wu)線傳感網(wang)絡，選擇Freesclae公司(si)MC13213芯(xin)(xin)片，設計了一種嵌入(ru)式(shi)無(wu)線通信模(mo)塊，使整條道路的(de)(de)每一盞路燈自主聯(lian)網(wang)，使用Freescale公司(si)的(de)(de)MCF52223芯(xin)(xin)片、華為公司(si)的(de)(de)GTM900B和EM770W作為遠(yuan)程通信模(mo)模(mo)塊，實(shi)現了路燈的(de)(de)遙測(ce)、遙控，對(dui)節(jie)約(yue)公共(gong)資源，建設數字化和節(jie)約(yue)型城市有(you)較高的(de)(de)實(shi)際應用價(jia)值(zhi)。

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