基于物联网技术的LED智能路灯控制系统项目计划书

项目计划书——基于物联网技术的LED智能路灯控制系统一．项目简介基于物联网技术的LED智能路灯控制系统通过将2.5G/3G通信技术和无线传感网络的完美融合，以快捷方便的网页模式提供对路灯的实时监控与智能管理，解决了传统城市路灯照明控制方式单一、非智能化、布线复杂、路检难等缺陷，使得路灯控制真正实现智能化。系统以低成本、高可靠性实现了多年来路灯人的单灯控制和自动监控检测的梦想。二．项目内容1.现状及趋势国内现状：城市照明系统在营造城市宜居环境、为人们提供生活便利的同时，也消耗着大量的电力能源。据统计，2012年城市路灯照明占我国照明耗电30%左右的比例，年用电约850亿千瓦时，折合标准煤3000万吨，以我国平均电价0.65元/KWH计算，一年仅市政路灯照明的开支就高达552亿元。而由于技术原因，路灯照明不能根据电网波动、照度需求以及照明时段等情况进行实时调整，目前城市路灯照明的电能利用率还不到65%，电能浪费相当严重。存在问题：对于城市照明的巨大能源消耗，各地方政府和路灯管理部门非常重视，如何降低电能消耗、减少电费开支一直是有关部门思考和探索的重要问题。然而，由于缺少先进的技术和科学的管理，许多地方尽管采取了一定的节能措施，但其实施效果并不理想。不少地方路灯管理部门曾经尝试通过“半夜灯”、“隔盏灯”或者“单边灯”的方法来减少电能消耗。这些措施没有充分考虑到现代城市的实际照明需求，为治安管理以及夜间交通安全留下了极大的隐患，有违城市路灯系统规划和设置的初衷。发展趋势：传统路灯控制系统只能集体控制某一条路上的路灯，而不能精确到每一盏灯。随着国家经济的快速发展，城市照明的市场需求量大，采用先进控制技术节能型路灯照明产品是未来的发展方向。由此可见，社会需要一套智能化、高效性、低成本的路灯节能技术及控制方案。2.项目意义采用无线路灯控制器可以改变目前有线网络布局的施工复杂、灵活性差、能源浪费等问题，节约电能，提高城市路灯管理水平。本系统开发的ZIGBEE路灯终端控制器是嵌入式技术与传统路灯控制器相结合的高科技产品，在通用的路灯控制器中嵌入通信控制芯片，基本不需要修改已安装路灯控制器的电路，采用无线通信技术，在控制中心实现每杆路灯的远程控制，使城市照明智能化，节约电能。3.项目内容及目标本作品所提出的基于物联网技术的LED智能路灯控制系统是专用物联网系统上的一个典型应用。作品融合了传感器技术、2.5G/3G通信技术、嵌入式软硬件设计技术、WEB数据库技术、网络编程技术，实现了城市路灯照明的智能化与精细化节能管理控制，从根本上解决了传统城市路灯照明的路检、单灯控制、节能、信息跟踪等问题，是现代城市照明的根本解决方案。4.项目可行性基于物联网技术的LED智能路灯控制系统（1）实现了自主知识产权的路灯专用传感网、2.5G/3G通信网及以太网的可靠融合应用；（2）提出了适用于路灯控制的ZIGBEE网络编址算法及路由协议，使得分散的路灯构成一个自适应动态拓扑的无线传感网络，组网方式灵活，便于移植；（3）解决了信号手拉手断裂、信号群发冲突、GPRS连接中断、常年不间断无人干预运行、复合节能模型等技术难题。实践表明本系统应用于路灯行业，符合国家节能减排的政策，是物联网技术特点最完全的体现。同时本系统采用专用传感网应用的典型结构，可以很方便地扩展到其他应用领域。（4）LED灯自身优势：光的单向性，没有光的漫射，保证光照效率；有独特的二次光学设计，进一步提高了光照效率，以达到节能目的；LED路灯的光显色性高；光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍达到道路使用照度要求；LED路灯有自动控制节能装置,能实现在满足不同时段照明要求情况下最大可能的降低功率；低压器件，驱动单颗LED的电压为安全电压；安装简便、散热控制出色、质量可靠、光色均匀等。三．项目发起人苏州大学嵌入式系统研究方向实验室及全体成员本组成员：葛新越联系方式：电话[phone]周欣邮箱[e-mail]徐逸骢何璟亮四．市场和销售安排照明的市场需求量大，采用先进控制技术节能型路灯照明产品是未来的发展方向。道路照明光源以高强度气体放电灯（HID）为主，主要指金属卤化物灯和高压钠灯，具有发光效率高,耗电少，寿命长等优点。但在运营管理方面，特别是对如何提高效率，降低能耗方面仍然存在一些无法克服问题，并且缺少有效的技术手段。传统路灯控制系统只能集体控制某一条路上的路灯，而不能精确到每一盏灯。本系统实现了对单灯的监控，为路灯节能、维修、智能化管理提供了技术手段。系统创新性地设计出专用ZIGBEE网络编址算法及路由协议，融合2.5G/3G网与以太网，细化控制粒度到单灯。克服了电力载波、单纯GPRS、有线控制等方式的不足。成功地解决了信号手拉手断裂、群发冲突等问题。多次重发、本地计时综合判定、WEB方式的监控软件设计、构件化系统设计等技术措施，保证了系统的稳定性、健壮性、可扩展性与可维护性。本系统成本低，一年半左右节能费用与投入成本平衡，不仅适用于现有路灯改造，也可以直接融合到新灯生产中。使用本系统，可在满足地面光照度要求的前提下，可以平均每天每盏灯节能2小时，400W*2=0.8度，每年每盏灯节能约0.8*360=288度，按每度电0.6元，每盏灯每年约节能172.8元。若推广安装40万盏，每年节能就可达6800万元左右。国内某公司的路灯控制系统主控芯片的适用温度范围为0℃~60℃，从而使系统的应用范围受限。而本系统使用的控制芯片在选型时便已考虑温度范围，为-40℃~125℃，可满足最大温度范围下的控制需求。另外，由于国内外使用电压等不一样，有些公司开发出的产品不能投放于国外市场。本系统产品只需在性能参数上加以配置，就可以调试应用于国外市场，本系统存在很大的潜在市场。实际上还有节能潜力可挖，本系统提供了基础条件。现有路灯改造及每年10%以上的新增路灯，构成本系统的巨大潜在市场。多个城市小规模实际推广应用表明，系统运行良好、路检准确、节能效果显著、使用方便。随着不断推广、技术完善升级、社会认可度逐步提高，将会产生良好的经济与社会效益。五．技术可行性及发展环境本系统按照分层软硬件设计思想，设计出终端层、电控柜主节点层和服务器层的三层工作结构，利用自主研发的网络编址和通信协议，实现了利用一台计算机控制到全市单灯的梦想。系统以遥控、遥测、遥信的方式，为节能、路灯自检、自动管理、延长路灯使用年限提供了技术基础。系统面-线-点的综合控制方式，为路灯管理提供了很大的灵活性；系统在有效网络编址基础上，提供了1/2、1/3等控制模式和按地球经纬度控制模式，实现了节能。本系统不仅可以应用于常规路灯，也可以扩展应用到新型LED路灯。所有路灯中的无线传感节点所构成的网络可以为智能交通、环境检测、局部气象服务等提供基础“信息高速公路”。设计思路：（1）终端层：主要由ZIGBEE路灯终端控制器组成。ZIGBEE路灯终端控制器的主要功能有：接收并执行高端发送的不同方式的控制命令；采集路灯工作电压电流状态并上传，供高端判断分析；通过自主研发的网络协议组成网络并能够根据不断改变的网络现状进行动态拓扑，对同一网段内命令进行存储转发，维持整个网络的有效通信。ZIGBEE路灯终端控制器模块小、成本低、可靠性强、性能高效、低耗稳定，易于安装。（2）电控柜主节点层：主要由GPRS-ZIGBEE路由器组成。GPRS-ZIGBEE路由器的主要功能有：采用物联网技术与终端层进行通信，发送命令到ZIGBEE路灯终端控制器或接收ZIGBEE路灯终端控制器上传的路灯状态；采用GPRS技术与高端通信，接收高端发送的命令并将命令下传给终端层，定时发送心跳包维持通信链路，将路灯状态信息反馈到高端。（3）服务器层：主要由基于B/S（浏览器/服务器）模式的城市照明控制软件组成，包括管理软件和通信软件两个部分。城市照明管理软件以大型商用数据库SQLServer2005为基础，采用B/S模式，具有丰富友好的图形用户界面，提供实时路灯控制、状态显示、故障报警、数据统计、报表生成等功能，实现路灯管理自动化。城市照明通信软件使用多线程的异步Socket机制实现通信的高稳定性与高可靠性。采用无线路灯控制器可以改变目前有线网络布局的施工复杂、灵活性差、能源浪费等问题，节约电能，提高城市路灯管理水平。本系统开发的ZIGBEE路灯终端控制器是嵌入式技术与传统路灯控制器相结合的高科技产品，在通用的路灯控制器中嵌入通信控制芯片，基本不需要修改已安装路灯控制器的电路，采用无线通信技术，在控制中心实现每杆路灯的远程控制，使城市照明智能化，节约电能。六．项目准备项目分解1.终端层的设计1.1硬件设计在设计时，本系统综合考虑功能需求、芯片功能、芯片性价比、对芯片的熟悉程度等因素，选用飞思卡尔公司的基于IEEE802.15.4标准的MC13213作为主控芯片。ZIGBEE路灯终端控制器的硬件设计主要包括：MC13213主控器最小系统、天线系统、采集系统、控制系统、电源系统的设计。为更具灵活性，硬件设计采用分层结构，将主控器MC13213的最小系统、天线系统设计为通信模块，预留出全部的外围接口。将采集系统、控制系统、电源系统等外围模块设计为扩展板模块，通过接插件将扩展板模块和通信模块连接起来。此种设计方案可以实现应用的可扩展性、多样性、灵活性及通用性；分层设计使得各层功能分明、易于实现、测试方便。由ZIGBEE路灯终端控制器控制的路灯分为三种状态，分别为：灯关状态、全功率状态和半功率状态。三种状态可以结合实际需要任意选择以控制路灯的状态和亮度来节省电能。1.2软件设计总体结构设计ZIGBEE路灯终端控制器的软件设计包括以下几个模块：硬件各个模块驱动程序的设计、主程序的设计和中断处理函数的设计。根据面向硬件对象和程序模块构件化封装的设计思想，对软件的工程文件进行组织，将与硬件相关的驱动程序和上层功能性程序分割开来。网络协议的设计为了实现城市道路照明智能“三遥”（遥控、遥测、遥信），需要制定出合理有效研发的无线传感器网络协议，主要涉及网络节点编址机制、帧格式的定义、命令转发机制和状态返回机制。2.电控柜主节点层的设计电控柜主节点层是Internet和路灯网络的接口网关，主要组成部分是GPRS-ZIGBEE路由器，采用飞思卡尔公司高性能的32位ColdFire系列MCF52223芯片作为主控芯片，结合MC13213无线传感网络微控制器实现双向通信。它一方面可以将服务器层的命令发送给终端层，另一方面也可以将终端层路灯的状态信息返回到服务器层。2.1硬件设计GPRS-ZIGBEE路由器的硬件总体框图如图3所示。GPRS-ZIGBEE路由器以32位ColdFire系列芯片MCF52223为核心。MCF52223芯片具有3个UART接口和1个USB2.0接口。2.5G模块使用华为公司的GPRS模块EM310，3G模块使用华为公司的WCDMA模块EM770W。AD模块和继电器模块用于路端控制箱的控制和监测，该部分功能用户根据需求可选。SPI、IIC接口便于扩展，使得硬件具有灵活性和可扩展性。图2GPRS-ZIGBEE路由器硬件总体框图2.2软件设计GPRS-ZIGBEE路由器主要包括两个部分：MC13213路灯网络主控节点的软件设计和数据收发处理模块的软件设计。（1）MC13213路灯网络主控节点的软件设计在设计时，我们采用面向硬件对象和程序模块化封装的设计思想，对软件的工程文件进行组织，将与硬件相关的驱动序和上层功能性程序分割开来，以便于维护和区分。（2）数据收发处理模块的软件设计数据收发处理模块以MCF52223为主控芯片。根据硬件构件的嵌入式底层软件构件的编程方法，将各个模块分为源文件和头文件两个部分，详细分析模块的属性和对外接口，并提供了合理的实现方法。3.服务器层的设计服务器层的设计主要是指城市照明控制系统软件的设计，该软件基于Windows2003平台，以大型商用数据库SQLServer2005为基础，采用B/S通信模式。设计为通信软件部分和管理软件两个部分。管理软件具有丰富