路灯节能控制系统设计及其软件实现

路灯节能控制系统设计及其软件实现姚丹丹，王宜怀，谭碧云(苏州大学计算机科学与技术学院，江苏苏州215006)摘要：在分析路灯巡检方法、节能模式的基础上，设计路灯节能控制系统。该系统框架总体分为3层，终端层在每盏路灯中嵌入物联网通信模块作为控制单元，实现路灯的单灯控制，中间层采用32位CodeFire系列MCF52223芯片作为控制单元，结合MC13211实现数据传输，服务器层直接面向路灯管理者，使其通过浏览网页即可对整个城市路灯进行智能化控制。在此基础上，提出路灯节能控制系统的Web软件设计方案。应用结果表明，该系统运行稳定、节能效果明显。关键词：路灯管理；节能模式；Web数据库；GPRS-ZigBee通信DesignofStreetLampEnergySavingControlSystemandItsSoftwareImplementationYAODan-dan,WANGYi-huai,TANBi-yun(CollegeofComputerScienceandTechnology,SoochowUniversity,Suzhou215006,China)【Abstract】Onthebasisofanalyzingthemethodsofmonitoring,energysavingmodesofstreetlamps,thispaperdesignsanovelenergysavingcontrolsystem.Thissystemframeworkisdividedintothreelayers,includingterminallayer,middlelayerandserverlayer.Intheterminallayer,inordertocontrolasinglestreetlamp,itputsathingscommunicationmoduleintothelampascorecontrolunit.Inthemiddlelayer,itusesthechipof32bitCodeFireseriesMCF52223asacontrolunit,withthechipofMC13211,completingthetransmissionofdata.Intheserverlayer,streetmanagerscancontrolallofthecitylightsintelligentlythroughvisitingtheWebsite.Onthisbasis,thepaperproposesanovelsoftwarecontrolschemeofWeb.Applicationresultsshowthatthesystemdeploysintooperationstablyforalongtimeandobviouspowerconsumptionisachieved.【Keywords】streetlampmanagement;energysavingpattern;Webdatabase;GPRS-ZigBeecommunicationDOI:10.3969/j.issn.1000-3428.2012.03.079计算机工程ComputerEngineering第38卷第3期Vol.38No.32012年2月February2012·工程应用技术与实现·文章编号：1000—3428(2012)03—0240—03文献标识码：A中图分类号：TP3931概述目前路灯控制中，极少能实现利用一台计算机控制单灯及自动检测单灯故障。针对这种状况，本项目充分研究并融合传感网络技术、3G通信技术及嵌入式计算机系统软硬件设计技术等应用于城市照明，开发新型智能路灯控制系统。实现利用一台计算机控制全市单灯。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，是现代路灯智能控制的根本解决方案。目前，市面上的路灯控制系统大部分不能实现单灯控制、路检与节能[1]。有的采用进口部件，利用电力载波通信，实际效果表明不适合中国电网，波动大、通信误差多、成本也高[2]。还有一部分采用GPRS直接控制单灯，这种方案不可行，需要大量电信通信，成本高、效率低。本文系统是GPRS到路端，ZigBee完成单灯之间的通信，是物联网的典型应用，成本低、效率高、稳定性好。限于篇幅，本文重点分析节能模式及节能潜力，并在硬件系统基础上，提出控制系统及节能模式的Web软件设计方案。2路灯控制系统的节能模式研究本文采用Freescale公司的高性能32位CodeFire系列[3]MCF52223芯片[4]作为控制单元，结合MC13211[5]的无线传感网络的微控制器完成数据传输，实现单灯控制。为了达到节能的目的，需要控制软件具有灵活的控制方式。本文提出多种节能控制模式，以下简单列举2种。(1)1/2、1/3等控制模式。在行人车辆不太多的情况下，可以采用隔一盏、隔2盏亮灯的模式。这样，既能满足地面基本光照，又能达到节能的目的。(2)按地球经纬度控制模式。由于地球经纬度的差异，使得各地的日出日落时间不一样，同一地方不同时间的日出日落时间也不一样。如果统一设定开关灯时间，既浪费能源，又不能达到很好的控制效果。比如说，大冶市一月中旬的日出时刻为07︰21︰00，日落时刻为17︰33︰00，七月中旬的日出时刻为05︰28︰00，日落时刻为19︰28︰00。如果统一设定开灯时刻为17︰30︰00，那么到七月份，则会造成很大的资源浪费。基于该情况，本文提出按日出日落时间自动调整开关灯时间。将当地的日出日落时间表导入系统，设置开关灯偏移时间。这样随着季节的变动，开关灯时间会自动地随日出日落时间的变化而变化。开灯偏移量与日落时间决定了开灯时间，即开灯时刻=日落时刻+开灯偏移量；关灯偏移量与日出时间决定了关灯时间，即关灯时刻=日出时刻+关灯偏移量。3路灯节能控制系统的体系结构基于B/S的路灯控制系统框架总体分为3层，系统框架如图1所示。基金项目：国家自然科学基金资助项目(61070169)作者简介：姚丹丹(1985－)，女，硕士研究生，主研方向：嵌入式系统；王宜怀，教授、博士；谭碧云，硕士研究生收稿日期：2011-04-20E-mail：[e-mail]第38卷第3期241姚丹丹，王宜怀，谭碧云：路灯节能控制系统设计及其软件实现手持式路灯巡视检测仪手持式路灯巡视检测仪ZigBee无线通信HG-2控制箱HG-2控制箱HG-2控制箱GPRS网络控制服务器和监控中心Internet移动手持设备服务器层电控柜主节点层终端层防火墙GPRS无线通信ZigBee无线通信图1路灯节能控制系统框架在终端层，往每盏路灯中嵌入一个物联网通信模块作为核心控制单元，硬件设计和传感网路灯控制协议具有完全自主知识产权，并且控制器模块小、可靠性强、成本低，易于安装，性能高效、低耗、稳定，在旧城路灯改造上具有很大优势。中间层采用32位CodeFire系列MCF52223芯片作为控制单元，结合MC13211实现数据的传输。可选的3G或2.5G的技术，根据城市的不同可以选择合适的通信方式。最上面的一层，即Web网站，直接面向路灯管理者，使得路灯管理者可以通过浏览网页对整个城市的路灯进行智能化控制，实现路检、节能、维修表单生成、统计等自动化。4路灯节能控制系统的软件设计4.1需解决的问题在3层结构中，下面的2层属于低端，跟硬件有关，实现基本功能。Web软件是低端与用户交互的一个接口。为了适应低端已经实现的功能，并且方便用户使用，需要建立一个具有足够交互能力的动态网站，使用户通过浏览器能够获得实时的信息，并且应用丰富的故障查询分析功能[6]。为实现这一目标，需要解决以下问题：(1)低碳节能是人类社会永恒不变的主题，城市照明有很大的节能潜力可以挖掘。因此，要求该软件能够提供多种控制方式，可以根据时间、天气、纬度等进行灵活控制，在满足地面光照的情况下实现节能。(2)进行大量的报表统计。如何让浏览用户从大量的数据中方便快捷地找到所需要的数据是本系统成功的关键。(3)系统具有很好的实时性，可以实时显示GPRS的通信状态。(4)系统具有很高的可靠性，如果出现故障，轻则浪费资源(白天亮灯)，重则造成交通事故(夜晚突然灭灯)。4.2Web数据库的设计Web数据库系统维护费用低廉，软件版本的更新不用涉及用户，只需将服务器端的软件更新，这种方式简化了客户端的管理和使用，使系统的管理和维护集中于服务器上，具有很强的扩展性和可维护性。表1为系统的数据表名及其功能。限于篇幅，选取部分罗列。表1数据表名及其功能数据表名功能ControlCommand该表存储的是通信中用到的控制命令指令，如11表示全开，13表示奇数开等ControlMethod该表存储的是通信中用到的控制方式指令，如11表示全功率，12表示降功率RoadLightControl该表存储发送到控制器的控制指令，如01000620116400表示查询1号路上的6号灯的状态RoadLightStatus该表存储低端上传的状态指令，如01000103000000表示1号路上1号灯的电流值为3，可根据阈值判断其亮暗HeartPackage该表存储低端上传的心跳包，用来判断GPRS的通信状况User用户表，用来进行用户管理4.3主要技术采用当前Web技术中的Ajax[7]技术，实现网页无闪自动局部刷新。采用Session[8]技术存储会话，在进行页面跳转时，不丢失信息。采用Cookie技术存储用户信息，以便下次无须输入用户名与密码可以自动登录。为了解决数据量过大造成系统运行缓慢，甚至崩溃，系242计算机工程2012年2月5日统会自动删除过期的数据。期限由用户设置，存放到配置文件中。系统运行时，读配置文件，删除过期数据。另外，为了使系统可靠稳定的运行，每次发送命令时都要获取反馈信息。在手工控制灯亮暗时，每条控制指令后，发送一条获取状态的指令。如果控制指令执行成功，则告诉用户命令已经执行。如果失败，则提示用户再发送一次。在进行时段控制时，当时间到达时，发送指令。为了确保指令能够执行，隔一段时间再次发送，一共发送n次。n由用户根据当地的网络通信情况设置，将失败率降到最低。采取可靠的加密算法，不同权限的用户访问的信息不一样。只有超级管理员才有权利管理用户，只有管理员以上级别的用户才可以发送控制命令。每个用户的登录密码都经过MD5加密，不容易破解。本系统还提供备忘录功能，每个用户都可以建立自己的备忘录，修改、添加、删除备忘录里的内容，只可以查看别人备忘录中的内容，不可以修改、删除。备忘录功能为路灯管理者提供了一个交流的平台，管理更加方便智能。4.4软件实现4.4.1通信模块通信主要分为2个部分，一个部分作为高低端通信的接口，采用TCP通信技术，通过一个定时器定时扫描表RoadLightControl，有新指令到达时，发送到低端。采用Socket侦听TCP口，有数据包到达则进行解析，如果是心跳包，则放在表HeartPackage中，若是状态包，则放在表RoadLightStatus中，非法包则丢弃。另一部分进行时段控制与实时监控，使用一个定时器，不断地扫描数据表TimeControl与RoadLightStatus，扫描表TimeControl查看时段控制记录，如果时间到达，则发命令到表RoadLightControl中。扫描表RoadLightStatus解析上传的状态，判断灯与GPRS的状态，将判断结果记录在对应的数据表中，等待用户查询。4.4.2人机交互界面由于系统具有较复杂的图形图表显示、数据库处理和实时交互等，因此软件体系采用MicrosoftVisualStudio2005+Internet信息服务(IIS)+SQLServer2005模式。(1)登录模块。登录模块主要负责用户的登录管理。用户输入用户名和密码后，服务器调用数据库用户表进行验证，若验证通过，则允许用户进入系统主页面，并将该用户加入到在线用户链表，记录用户登录的Sessi