摘要:路燈是城市中重要的照明設(shè)施,也是城市中耗電量相當(dāng)大的設(shè)施,傳統(tǒng)的路燈照明管理方式無法實(shí)現(xiàn)按照天氣狀況靈活地調(diào)節(jié)路燈的照明時(shí)間和亮度,造成了很大的電能浪費(fèi)。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)將路燈連接到網(wǎng)絡(luò)中統(tǒng)一進(jìn)行管理,可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)天氣狀態(tài)實(shí)時(shí)控制路燈的照明狀態(tài),從而節(jié)省路燈耗電。而本文就對(duì)基于NB-IOT 技術(shù)的智能路燈照明控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。
關(guān)鍵詞:路燈照明;智能照明控制系統(tǒng);照明節(jié)能
0.引言
隨著現(xiàn)代城市規(guī)模的擴(kuò)大和城市居民對(duì)生活水平的提升,城市中的路燈數(shù)量也越來越多,而傳統(tǒng)的粗放式的路燈管理不僅維護(hù)效率低,也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的靈活控制。路燈損壞 和白天耗電等問題在我國城市中屢見不鮮。而現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得智慧城市的建設(shè)進(jìn)程進(jìn)一步加快,路燈作為城市中的重要設(shè)施,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行控制可以顯著提升路燈管理效率。因此,對(duì)路燈智能照明系統(tǒng)進(jìn)行研究對(duì)于推動(dòng)智慧城市的建設(shè)和促進(jìn)節(jié)能環(huán)保具有重要意義。
1.智能路燈中使用NB-IOT技術(shù)的優(yōu)勢
智能路燈照明系統(tǒng)需要采用端到端的連接方式,倘若采用傳統(tǒng)的LTE技術(shù)連接,則需要同運(yùn)營商端進(jìn)行部署,部署的成本相對(duì)更高。此外,LTE網(wǎng)絡(luò)雖然帶寬更大,但其受影響也
較大,容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)導(dǎo)致的丟包問題。而智能路燈對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求則是較低的延遲,對(duì)帶寬則并不敏感。而NB-IOT網(wǎng)絡(luò)可以利用運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)搭建,并且其具備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的抗
干擾、低延遲和安全等優(yōu)勢。因此非常適合用于智能路燈的部署中。對(duì)于路燈數(shù)量非常多的大型城市來說,NB-IOT具備部署范圍廣和可靠性更強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。適合用于大量路燈的端對(duì)端連接。同時(shí),NB-IOT技術(shù)借助運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行搭建,可以有效解決大規(guī)模部署的問題。
在降低部署成本的同時(shí)提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
2.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)屬于分層式結(jié)構(gòu),從上至下為管理層、傳輸層和監(jiān)控層。其中,管理層與傳輸層的連接方式采用NB-IOT 技術(shù),這是考慮到城市中路燈數(shù)量過多可能導(dǎo)致連接丟包問題所采用
的。路燈內(nèi)安裝有監(jiān)控終端,每個(gè)監(jiān)控終端與路燈共同組成受上層控制的智慧路燈,并具備設(shè)備識(shí)別碼,監(jiān)控終端可將路燈的工作數(shù)據(jù)傳送到管理層。并接收來自管理層的指令
控制路燈工作,但由于NB-IOT 技術(shù)屬于非實(shí)時(shí)性通信技術(shù)。因此在NB-IOT之外采用CoAP
技術(shù)作為輔助,提供信息重傳和驗(yàn)證機(jī)制。防止因丟包導(dǎo)致的失控問題。監(jiān)控終端不僅可以控制路燈的工作,也可以監(jiān)控路燈的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí),監(jiān)控終端可將路燈的故障信息傳送到服務(wù)器中。由服務(wù)器將故障的路燈的位置、故障信息和故障時(shí)間等數(shù)據(jù)發(fā)送給維修工人,以便及時(shí)的進(jìn)行維修。
3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)智能路燈控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的是與路燈連接的監(jiān)控終端,監(jiān)控終端上與服務(wù)器連接、下控制路燈的工作,也是智能路燈中重要的裝置,為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端的穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)的簡易性,本文中所用的監(jiān)控終端采用模塊化設(shè)計(jì),主要由電量采集和數(shù)據(jù)管理量大模塊組成,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。
3.1 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊為簡易的微型計(jì)算機(jī),其處理器部分為ARM架構(gòu)的Cortex-M3 RISC芯片,
該芯片的頻率為72MHz,內(nèi)部含有512K DRAM和64K SRAM,該芯片的工作范圍-40-100℃,
具有兩條APB總線,可以連接通用的多種外設(shè),其性能滿足本文中智能路燈控制系統(tǒng)監(jiān)控終端的需求,除處理器外,監(jiān)控終端的外圍硬件包括電量采集模塊、路燈狀態(tài)采集模塊、故障信息、采集模塊等。
該模塊包含的功能有:
(1)數(shù)據(jù)采集:數(shù)據(jù)采集是對(duì)路燈所在環(huán)境的亮度、照度、溫度、濕度等指標(biāo)進(jìn)行檢測的模塊,由光敏電阻和溫度傳感器以及濕度傳感器等構(gòu)成。這些指標(biāo)是決定路燈亮度的關(guān)鍵指標(biāo),監(jiān)控終端將這些數(shù)據(jù)返回到服務(wù)器后,由服務(wù)器按照特定的程序?qū)β窡舻牧炼冗M(jìn)行計(jì)算后向?qū)?yīng)的監(jiān)控終端發(fā)送指令,實(shí)現(xiàn)根據(jù)環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)路燈的亮度。同時(shí),GPS定位模塊可以在路燈出現(xiàn)故障時(shí)將路燈的具體位置發(fā)送到維修人員處,方便維修人員迅速前往現(xiàn)場進(jìn)行維修。
(2)臨時(shí)存儲(chǔ):監(jiān)控終端需要將收集到的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中,發(fā)送的速率為230bit/s,但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定時(shí),監(jiān)控終端可臨時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡或FLASH閃存中,等到網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)再次嘗試傳輸數(shù)據(jù),防止因傳輸不及時(shí)造成數(shù)據(jù)丟失, 通過本地存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的另一個(gè)點(diǎn)優(yōu)勢在于當(dāng)維修人員需要獲取路燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí),僅需要將路燈監(jiān)控終端中的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出即可,更加方便快捷。
3.2終端電量管理
電量管理是整個(gè)智能路燈照明系統(tǒng)的核心硬件,其通過電源管理芯片,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電量指標(biāo)的檢測,如剩余電量、充電狀態(tài)、電池電壓、電池溫度等。同時(shí)還可以檢測路燈電路中的短路或斷路事件。
對(duì)于電量管理芯片來說,想要獲得盡可能準(zhǔn)確的路燈電量信息的前提是對(duì)路燈的充放電周期進(jìn)行學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)的方式如下:
為電量管理模塊進(jìn)行充放電學(xué)習(xí)的過程,首先從電池電量半滿的狀態(tài)開始,對(duì)電池充電至電壓管理軟件檢測到電池以充滿后,對(duì)電池進(jìn)行放電。此時(shí)再次使用電壓管理軟件對(duì)電池的狀態(tài)進(jìn)行測量,通過兩次充放電狀態(tài)和通過電池的電荷量計(jì)算出電池的容量。
4.安科瑞為路燈智能照明控制系統(tǒng)提供方案
4.1安科瑞智能照明監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu),即站控層,通訊層與間隔層; 如圖(1)所示:
圖(1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
間隔設(shè)備層主要為:開關(guān)驅(qū)動(dòng)器,這些裝置分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的一次設(shè)備安裝在電氣柜內(nèi),這些裝置均通過現(xiàn)場KNX總線組網(wǎng)通訊,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集。
網(wǎng)絡(luò)通訊層主要為:智能照明網(wǎng)關(guān),其主要功能為把分散在現(xiàn)場采集裝置集中控制,同時(shí)遠(yuǎn)傳至站控層,完成現(xiàn)場層和站控層之間的數(shù)據(jù)交互。
站控管理層:設(shè)有高性能工業(yè)計(jì)算機(jī)、顯示器、UPS電源、打印機(jī)等設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)安裝在計(jì)算機(jī)上,集中采集顯示現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況,以人機(jī)交互的形式顯示給用戶。 以上開關(guān)模塊均采用KNX總線傳輸,一般都采用4根連線,接線簡單方便,傳輸距離可達(dá)1.2km。
4.2安科瑞智能照明系統(tǒng)組成
1.定時(shí)控制
通過時(shí)鐘管理器,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的有關(guān)區(qū)域照明的定時(shí)和自動(dòng)管理功能,實(shí)現(xiàn)公共通道、景觀照明、泛光照明、車庫照明定時(shí)控制。如百葉窗定時(shí)升降、集中供熱定時(shí)調(diào)節(jié)、節(jié)假日照明定時(shí)關(guān)閉、定時(shí)通知等。
2.場景控制
智能照明控制系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)部門的需求,設(shè)定不同種類的場景模式,進(jìn)行各種照明燈光的組合,達(dá)到美化工作環(huán)境的效果;結(jié)合人體感應(yīng)傳感器,當(dāng)人員離開時(shí),關(guān)閉所有該會(huì)議室照明。
3.實(shí)時(shí)監(jiān)控
中心控制室,配置一臺(tái)中控主機(jī),所有照明控制設(shè)備,通過KNX網(wǎng)關(guān),接入監(jiān)控系統(tǒng),操作管理人員,可以通過中控電腦,實(shí)時(shí)監(jiān)視總線、區(qū)域、樓層、樓棟等照明狀態(tài),并可根據(jù)需求進(jìn)行控制調(diào)整。系統(tǒng)繪圖工具支持向量圖和多層頁面,圖形頁面縮放方便,切換簡單,支持DXF、WMF、BMP、JPG、ICON等圖形對(duì)象的嵌入、支持二維、三維圖元的繪制,增加可視化的空間效果。
4.報(bào)警處理
系統(tǒng)提供了警報(bào)處理能力,用戶可采用編程來完成不同的任務(wù),當(dāng)某種警報(bào)條件出現(xiàn)時(shí)應(yīng)做什么,可由用戶自行確定。
5.事件通報(bào) 系統(tǒng)提供了事件通報(bào)功能,支持郵件通報(bào)、文本輸出以及事件驅(qū)動(dòng)打印,可按照用戶預(yù)先設(shè)置的條件,觸發(fā)事件通報(bào)功能。
4.3設(shè)備選型
5.結(jié)束語
本文對(duì)智能路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行了研究,采用NB-IOT技術(shù)搭建了云端控制的智能路燈網(wǎng)絡(luò),并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了研究,期待本文的研究成果能夠?yàn)槲覈鞘新返慕ㄔO(shè)提供參考。