基于物联网的道路照明系统设计

　　引言

　　随着城市经济和规模的发展，各种类型的道路越来越长，机动车数量迅速增加，夜间交通流量也越来越大，道路照明质量直接影响交通安全和城市发展。如何提高道路照明质量、降低能耗、实现绿色照明已成为城市照明的关键问题。道路照明的首要任务是在节约公共能源的基础上，提供安全和舒适的照明亮度，达到减少交通事故，提升交通运输效率的目的。由于基础设施的条件所限，目前普遍缺少路灯级的通信链路，路灯控制方式一般只能对整条道路统一控制，无法测量和控制到每一盏灯。本文基于物联网，设计了一种嵌入式无线路灯控制模块，实现了每盏路灯的无线自主组网，使每一盏路灯都能遥测和遥控，与路灯设施中的一些单元（如电子镇流器等）连接，达到路灯的亮度（或照度）在30%～100%无级可调，在保证道路照明质量、改善辨认可靠和视觉舒适情况下，根据环境光强度和时段，节约电能20～30%。

　　2系统结构

　　基于物联网道路照明系统的结构如图1所示，通过在每盏路灯嵌入一个无线通信模块，使它们自组网络，接受控制中心的命令并将路灯的状态反馈给控制中心；HG－2控制箱采用ZigBee技术与所管辖道路的所有路灯通信，采用GPRS与控制中心通信，根据控制中心的指令或时间和日照亮度对每盏路灯发出控制命令（路灯开启、关闭、照明度（功率大小）等），自动调节整条道路的功率平衡；控制中心由服务器、大屏显示、CenterView中央控制系统软件平台等组成，CenterView中央控制系统软件平台采用3D设计，通过缩放变换以俯视的角度观察和控制到整个城市、一个街道、一条道路、甚至一盏路灯的照明情况；移动计算工具（笔记本电脑、PDA、手机）和路灯维护车也能通过控制中心进行远程遥测和遥控。

　　3无线通信模块

　　3.1模块设计

　　无线通信模块的MCU为Freesclae公司MC13213，MC13213采用SiP技术在9×9mm的LGA封装内集成了MC9S08GT主控MCU和MC1320x射频收发器。MC13213拥有4KB的RAM、60KB的FLASH，具有1个串行外设接口（SerialPeripheralInterface，SPI），2个异步串行通信接口（SerialCommunicaTIonsInterface，SCI），1个键盘中断模块（KeyboardInterrupt，KBI），2个定时器/脉宽调制模块（TImer/PWM，TPM），1个8通道10位的模数转换器（Analog/DigitalConverter，ADC），以及多达32个的GPIO口等。如图2所示。

　　无线通信模块采用ZigBee技术、IEEE802.15.4协议，通信覆盖半径可达150m，能与在其覆盖范围内的任何路灯节点自组网络和进行通信，除了实现路灯的物物相联以外，还具有调节电子镇流器的功率输出（30%～100%），实现节能和绿色照明，检测供电线路的电流、电压、功率因数以及、每一盏灯的工作状态，当发生故障（如灯具损坏、灯杆撞击、人为破坏）时，实时向监控中心和相关部门报警等功能。

　　无线通信模块还进行了防雨、防潮、防雷电、防电磁干扰设计，并充分考虑了安装方便、维护简单和可恢复性（接入两根线就实现了路灯级的无线控制，拆除两根线又恢复到原来的状态），可以嵌入在路灯的不同位置（灯杆底部、灯杆内、灯罩内）。

　　3.2通信协议

　　无线通信模块的通信协议如下：对照明实施按路段顺序编号，通过命令转发和状态返回实现节点之间“手拉手”的通信。命令转发机制：每个节点通过一个位示图结构来记录哪些帧已经被转发（位示图最多可以表示256帧），如果节点接收到命令帧后，判断该帧是否已经被该节点转发，如已转发则丢弃该帧（节点只对收到的命令帧进行转发，对帧的内容不做修改），从而保证了以最快的速度控制一条线路，并且有效防止了某个节点故障影响整条线路的工作；状态返回机制：命令帧发送到达指定节点后，该指定节点则接收该命令并立即返回状态；转发规则：只有节点号比目标节点号小才转发，状态返回过程则相反。

　　3.3与中央监控的连接

　　一条传输通信链路由若干个ZigBee节点组成，在这些节点的中间设置一个簇节点（一条道路可以设置1个或多个簇节点），其作用是以GPRS的方式与控制中心通信（命令接受和状态返回），簇节点采用Freescale公司32位CodeFire系列MCF52223芯片作为控制单元，GTM900B（华为GPRS通讯模块）和EM770W（华为WCDMA的3G通讯模块）作为远距离无线通信模。MCF5222x系列利用常用的V2ColdFire内核构建而成，在80MHz的频率下性能高达76MIPS（Dhrystone2.1），接口功能包括：1个MiniUSB接口，支持USBOTG功能，3个2线串口，1个麦克风输入接口，1个HEADSET输入/出接口，1个HANDSET输入/出接口，1个8Ω/16Ω扬声器输出接口，1个132*96点阵LED，1个5*5按键键盘，支持RTC、ADC、PIT＆GPT、PWM等；GTM900B和EM770W则完成远距离的GPRS通信。