智慧城市照明系统-李玫玫

智慧城市照明系统李玫玫1，邓道宽1，董涛1（1.安徽师范大学数学计算机科学学院，安徽芜湖241002）关键词：物联网;智慧城市照明系统;节能摘要：从2010年起，中国已经超越美国成为世界上最大的能源消耗国，但是我国的单位能耗相比发达国家而言却要高出许多。如何降低能耗并且充分利用能源已经成为能源管理方面越来越受重视的一个问题。智慧城市照明系统则是基于物联网技术的智能化能量管理系统。针对智慧城市照明系统的能量管理，论文提出了控制中心、路段控制、智能路灯终端等三大模块的系统结构，通过实验模拟出模块之间的通信，验证了其工作的有效性。该系统可有效地降低能耗，同时也极大的减少了人力，物力的消耗。中图分类号：TP399文献标识码：ATheLightingSystemofSmartCityMeimeiLi1,DaokuanDeng1,TaoDong1(1.SchoolofMathematicsandComputerScience,AnhuiNormalUniversity,Wuhu,Anhui241002,China)Keywords:InternetofThings;TheLightingSystemofSmartCity;EnergySavingAbstract：Since2010,ChinahassurpassedtheUnitedStatesandbecomethelargestenergyconsumingcountryoftheworld.Howevertheunitenergyconsumptioninourcountryismuchhigherthanotherdevelopedcountries.Howtoreduceenergyconsumptionandmakefulluseofenergyhasbecomeamoreandmoreimportantissue.ThelightingsystemofsmartcityisanintelligentenergymanagementsystembasedonIOT.Toaddressenergymanagementforlightingsystemofsmartcity,thispaperproposesanarchitectureincludingthecontrollingcentermodule,thesectioncontrollingmoduleandtheintelligentstreetlampterminalmodule,andverifiestheircommunicationeffectivenessthroughexperiencesimulation.Itcaneffectivelydecreaseenergy,manpowerandmaterialconsumption.0引言11999年，物联网的概念被提出。2009年，IBM提出“智慧地球”，在全世界引起轰动[1]。新一代基于物联网的智慧型基础设施随之出现，这也让“智慧城市”初具轮廓，使越来越多的人看到了其广阔的发展前景。物联网(InternetofThings,IOT)，国际上又称传感网。是指实际的物理设备通过安装了各种信息传感装置，包括传感器和射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）等装置，收集物理设备某些方面的信息并通过特定的方式接入互联网，使得这些物理设备能被远程感知和控制，从而达到信息的收稿日期：xxxx-xx-xx基金项目：安徽省自然基金（1308085QF118）；安徽师范大学创新基金项目（2011cxjj01）作者简介：×××（xx年生），性别，职称，研究方向，学术成就。传递、交换与管理，不同物理设备之间的通讯与协同工作。在我国，物联网应用于工业、农业、建筑、电网、交通等各个方面，目前的主要成果是用于形成半人工半自主的控制方式以及科学的能量管理模式，以达到高效率的综合利用能源、降低能耗、减少人力物力的消耗、管理更便捷等目的。智慧城市照明系统并不应该只是单纯的基于物联网的科学能源管理系统，它更应该是存在与智慧城市的其他智慧型设施联合的接口，只有当这些系统联合在一起工作时，才能够更好的实现智慧城市。它的出现将会改变传统的路灯管理模式，去除传统模式非常依赖人工、效率低、可靠性差的缺点。不管是对于开光灯的方式，还是故障报警、实时监测等，都会有很大程度的优化。比如开关灯的方式变为远程控制，也可以自适应调控；路灯的信息通过物联网传递，实现实时故障报警；基于整个系统的通信，可以被实时监测等等。这些提升，都使得路灯管理系统越来越科学化，也让照明越来越智能。1相关技术系统涉及的技术，主要包括感知技术、控制技术、通信技术。物联网中，物理设备被远程感知、控制，不同物理设备协同工作，其关键在于代表物理设备的数据信息的传递。系统基于物联网而产生，所以系统的核心便是节点之间的通信方式以及所采用的技术。系统的设施基础就是形式各样的传感器，它们通过感知技术，能够将生活中的实际物理量转化成为具有代表性的逻辑数值量，经由控制器处理分析，最后采用一定的通信技术将有意义的信息数据传递出去，完成信息传递交换。1.1节点之间通信采用的技术表1节点通信技术Table1Communicationtechnologiesofnodes通信技术通信距离优点缺点无线网络GPRS几十km以内传输距离远连接及传输方便容易费用较高速率低RIFD几cm-几m操作方便快捷只能用于识别信息Wi-Fi几m-几十m传输速率快通信质量与安全较差nRF905100m以内功耗低设计方便简单传输速率低Zigbee10-100m/1-3km(增加RF发射功率)低功耗短时延高容量高安全低速率Bluetooth10m以内低功耗易于安装设置应用成本较高线式PLC几km以内沿用旧设备成本降低通信不够灵活节点之间的通信，可以分为无线网络和线式传递两大类。为了信息传递的方便、设备更换的灵活、系统的可扩展性等，通信技术的主要侧重点还是在无线传输方式。具体可采用通信技术如表1所示。1.2智能路灯终端的控制技术智能路灯终端为达到自动化控制，要具备能够对信息做自行处理的控制单元。可以采用的控制技术有嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)如单片机、嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)、嵌入式片上系统(SystemOnChip，SOC)等。MCU是三者之中最简单也是最灵活的应用技术，是目前嵌入式系统工业的主流。它的单片化使得功耗低、成本小、可靠性提高，最主要的是它有丰富的外部设备，非常适合于控制。其典型代表单片机发展至今已有20多年的历史，但它在目前的嵌入式设备中依然具有广泛的应用。DSP对系统结构和指令进行了优化设计，具有很高的编译效率和指令执行速度，适合用于数字信号处理算法。SOC则是直接内嵌操作系统代码，实现软硬件的无缝集合，使用时只需使用语言，整个系统非常简洁。1.3智能路灯终端的感知技术这里的感知技术主要是指传感器的应用，它同样也是自动化控制的重要环节。系统主要采用环境类的传感器，如温度、湿度、亮度、烟雾、噪声、空气污染、红外传感器等。虽然这些传感器的原理各式各样，需要转换的实际物理量也繁多，但它们主要都是利用特定的物理或者生化效应，将非电量转化为电量。如何让传感器的数值转换不因为其实际的设置场所而产生大幅度的偏移、提高感知的精确度，这也是目前感知技术需要改进的方面。2智慧城市照明系统结构智能城市照明系统主要可以划分为三大模块，即智能路灯终端模块、路段控制模块、控制中心模块。2.1系统模块功能智能路灯终端模块主要是采集信息、检测状态、做自适应调整等。比如采集路灯的能耗、环境温度、环境噪音、空气污染度等信息，还有检测路灯的电压电流、亮度、是否损坏，以及根据环境光的强弱自动调整路灯亮度等等。某些阳光和风力比较常见的地区，还可以在路灯内安装能够将太阳能和风能转化为电能并存储的装置，并通过相应设备进行能量感知能量管理。更大限度的减小能耗。路段控制模块主要是汇集智能路灯终端的各种信息，实时的显示路灯的运行情况与网络的监控情况，并通过网络传递给控制中心模块。负责将控制中心发送的控制信息，传递给智能路灯终端。控制中心模块则主要是根据接收到的各种信息实时更新数据库，并对这些信息进行综合分析，实现合理调度，最大化的节省能源、美化生活环境、做好应急措施等。在整个系统中，由路灯终端感知信息并通过有线或者无线的方式传递出这些信息汇集给路段控制器，再向上层传递给控制中心。同理也包括逆向的信息传递与控制。图1就是系统模块功能的展示。图1系统模块Fig.1Themodulesofsystem在系统运行之前，应首先收集当地一年四季光照程度的信息，设定合适的昼夜开关灯时间。然后在开灯时间段中，收集不同路段每天的人流量车流量情况，建立相应的数据库，根据实际情况，控制中心智能控制实现亮度变化。2.2智能路灯终端模块作为整个智慧城市照明系统的基础模块[2]，也是该系统最需要改进的模块，包括了很多个子系统的设计。智能路灯终端的基本结构如图2所示。图2智能路灯终端模块Fig.2Theintelligentstreetlampterminalmodule首先是电源模块的搭建。由中央控制单元发送启动命令，让内置的各种传感器进入工作状态。其次是要建立采集系统。根据不同传感器感知到的信息，将其转换为数字信息并存储。可选的还有太阳能、风能转化为电能存储、感知的装置。在这里要注意的是，并非每个智能路灯的终端都需要安装传感器。在一定范围内的路灯，其周边的环境相差不大。可以依据周围的植被情况、是否在立交桥下面、转弯路段等，设置相应的传感器，减少物力的开支。中央控制单元要能够与其他各个模块相连，并将各个模块中所要传递的信息经由通信模块发送出去。通信模块有两种可选的机制。一种是电力载波通信（PLC）技术，在路灯终端安装PLC通信模块，实现路灯终端与路段控制模块的连接。这种方式可以最大限度的利用现有的电力线系统，不需要额外的铺设网络线路，精简了组网方式。另一种就是3G无线通信模块，这种方式需要额外的费用，但同时这种组网方式也更加灵活。根据表1我们可以由实际情况选择合适的无线传输方式，使得整个系统中节点的通信方式合理化。2.3路段控制模块路段控制模块主要的工作就是传递信息。它的构建要依据智能路灯终端中的通信模块来设计。如果智能路灯终端中采用的是PLC通信模块，则路段控制模块的基本结构为：图3路段控制器构成Fig.3Theconstructionofthesectioncontrollingmodule当智能路灯终端有信息传递过来时，即电力线有电波信号发送过来时，PLC通信模块接收该信号并转化为数字信号，传递给以太网接口电路。以太网接口电路将这些数字信号转化为能够在以太网上传递的信号，这样调制解调器就可以识别这些信号，并发送至因特网。最终实现了路段控制模块与控制中心的连接。如果智能路灯终端采用的是3G无线通信模块，则路段控制模块可采用2.5G/3G技术，包括GSM/GPRS/WCDMA无线模块，也可采用表1中提及的无线传输方式，实现整个网络的无线组网方式。2.4控制中心模块路段控制器无线网络线式连接因特网控制中心作为整个系统的最高层次，其主要内容是通讯模块与管理系统。管理系统可以设定成为一个系统软件，要包括系统的运行环境、数据库的搭建、软件的编写等。管理系统主要就是负责处理数据库中的数据，将用户的命令要求转化为相应的指令格式存入数据库，供通讯模块使用。而通讯模块则主要是通过与无线传输技术的通信，取出数据库中还未处理的指令并发送出去。或者接收无线传输所传递来的状态信息指令存入数据库中。整个智能照明系统的控制中心可以与其他公共服务平台进行并网。比如与120急救中心、气象中心、红绿灯交通控制中心等并网，当夜晚某路段发生交通事故时，急救中心可以通过互联的网络对红绿灯进行相应的调整，保证救护车畅通无阻的行至交通事故事