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目前，國內大部分城市的道路照明管理系統至今仍在沿用相對單一的光控、時(shí)控等傳統控制方式。這些系統普遍存在著(zhù)難以反饋路燈運行狀態(tài)信息、難以進(jìn)行遠程控制等局限，節電效果不理想。另外我國大部分城市路燈采用“全夜燈”的方式進(jìn)行照明，普遍存在的問(wèn)題有兩點(diǎn)：一方面，后半夜行人稀少，采用“全夜燈”的方式浪費太大，因此，有的地方采取前半夜全亮，后半夜全滅的“半夜燈”照明方式;有的地方在后半夜采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的節電措施，此種方式雖然節約了電費支出，卻帶來(lái)了社會(huì )治安和交通安全問(wèn)題，不利于城市形象。 1 系統方案概述 該系統由照明區域控制器與智能節點(diǎn)組成，照明區域控制器負責所轄路段的智能化照明控制，而智能節點(diǎn)負責單個(gè)路燈的控制和狀態(tài)檢測。智能節點(diǎn)和照明區域控制器之間采用無(wú)線(xiàn)通信方式進(jìn)行數據傳輸。 該系統是通過(guò)路況具體情況來(lái)設定輸出功率等級，以此改變路燈的光照來(lái)實(shí)現節能。其基本思想是：路燈可以隨著(zhù)馬路上車(chē)輛或行人的行進(jìn)速度以及數量來(lái)調節燈光的亮度，即動(dòng)態(tài)調光策略。其工作框圖如圖1所示。 智能控制器1的工作過(guò)程：在智能控制器1的控制下，通過(guò)光敏元件來(lái)探測周?chē)h(huán)境的光線(xiàn)強度，并根據光敏元件的探測結果向功率調節單元發(fā)出指令來(lái)實(shí)現夜晚時(shí)燈光開(kāi)啟及天亮時(shí)路燈熄滅的操作。在路燈開(kāi)啟的情況下，對射檢測單元開(kāi)始工作，當車(chē)輛或行人通過(guò)馬路時(shí)，對射探測接收單元會(huì )產(chǎn)生相關(guān)的脈沖信號傳送給控制器1，控制器會(huì )根據脈沖信號以及時(shí)間間隔，通過(guò)軟件得到車(chē)輛或行人的數量及行進(jìn)速度等相關(guān)參數，并向功率調節單元發(fā)出相關(guān)指令，使其采取不同的燈光亮度等級并持續一段時(shí)間。與此同時(shí)，控制器1將相關(guān)參數通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信單元傳遞給下一個(gè)或幾個(gè)單片機。 下一個(gè)接收到信號的單片機會(huì )在人未到達前改變亮度等級，而持續的時(shí)間可滿(mǎn)足車(chē)輛或行人通過(guò)此燈一定距離，此燈也實(shí)時(shí)檢測車(chē)輛或行人的通過(guò)，并把相關(guān)參數傳遞給以后的路燈。各個(gè)路燈節點(diǎn)與主控制室的計算機相互通信，可實(shí)時(shí)監控路燈運行狀況。其系統框圖如圖2所示。 2 系統主要單元硬件結構設計 2.1 移動(dòng)物體監測單元 信號發(fā)生電路由兩個(gè) 2.2 無(wú)線(xiàn)傳輸單元 本系統的主控制器采用了Atmel公司的ATmegal6，它是真正的RISC結構的單片機，內部資源非常豐富，并在片內集成了各種功能強大的外圍接口和通信接口。在本次設計中，單片機的任務(wù)主要是完成對經(jīng)過(guò)降壓處理而采集到的市電電壓進(jìn)行變換，通過(guò)軟件完成對節電等級的判斷，并控制相應的繼電器進(jìn)行相應的通斷動(dòng)作;還要對一段時(shí)間內的開(kāi)關(guān)燈時(shí)間及狀態(tài)進(jìn)行記錄，以及完成和外部設備的通信等功能。 該系統的無(wú)線(xiàn)通信模塊是Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)芯片nRF905，工作電壓為1.9～3.6 V，體積小，可工作于333/868/915 MHz三個(gè)ISM頻道，輸出增益范圍為-10～+10 dE，最大無(wú)線(xiàn)數據傳輸速率達50 Kb/s，適用于無(wú)線(xiàn)數據通信、無(wú)線(xiàn)報警及安全系統等諸多領(lǐng)域。該芯片通過(guò)單片機的簡(jiǎn)單控制即可方便實(shí)現無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的設計，它通過(guò)SPI口與單片機進(jìn)行數據交換，工作于從方式時(shí)，時(shí)鐘由單片機的SPI時(shí)鐘確定。 3 系統工作模式與軟件設計 3.1 系統工作模式 照明區域控制器與智能節點(diǎn)之間通過(guò)nRF905模塊實(shí)現數據傳輸，依然采用主/從結構，即照明區域控制器給出控制指令，在指令中包含目標智能節點(diǎn)地址信息，以廣播的方式下傳，智能節點(diǎn)接到指令后根據指令中的節點(diǎn)地址信息判斷是否執行操作。對于需要作為中繼的節點(diǎn)，接到指令后首先判斷控制字和目標節點(diǎn)地址信息，當為單點(diǎn)控制或查詢(xún)指令時(shí)，如果自身地址等于目標節點(diǎn)地址，則執行該操作，否則判斷該目標節點(diǎn)地址是否處于自己中繼的有效范圍，是則中繼該指令，反之不做任何操作。 3.1.1 智能化照明控制策略設計 在沒(méi)有人為或管理中心干預的情況下，照明區域控制器按照預設的照明控制策略完成自主的現場(chǎng)照明控制。本設計中采用了時(shí)間控制(時(shí)控)、環(huán)境參數輔助控制和手動(dòng)控制相結合的照明控制策略。環(huán)境參數輔助控制為可選功能，禁止使用時(shí)，為時(shí)控和手控相結合。三種控制方式的優(yōu)先級遵循以下原則： (1)手動(dòng)控制優(yōu)先級最高，手動(dòng)控制時(shí)，時(shí)控和環(huán)境參數輔助控制被屏蔽。 (2)當手動(dòng)控制取消后，環(huán)境參數輔助控制、時(shí)間控制恢復正常使用，如果處于時(shí)控有效期內，系統按照時(shí)間控制策略維持/更新運行狀態(tài);如果處于時(shí)控有效期外，則根據環(huán)境狀況進(jìn)行控制。 (3)系統退出手動(dòng)控制模式時(shí)，由照明區域控制器判斷當前所屬時(shí)段，決定各交流接觸器是否打開(kāi)或關(guān)閉。 3.1.2 環(huán)境參數與流量控制策略 智能化的道路照明控制系統還應該能夠根據天氣、交通流量等實(shí)際的環(huán)境參數調整照明控制措施，以獲得更好的照明質(zhì)量和節電效果。 (1)照度輔助控制考慮到天氣異常變化的影響，需綜合考慮自然環(huán)境照度和當前時(shí)間，執行相應的開(kāi)燈或關(guān)燈操作。需要注意的是，為了保證系統的穩定性，在進(jìn)行環(huán)境照度采集時(shí)必須采取延時(shí)或者軟件濾波等措施消除環(huán)境照度尖峰干擾(如閃電)。此外，還應該限定根據照度進(jìn)行控制的作用時(shí)間段或者采用模糊控制手段區分干擾和正常情況，避免因突變持續性干擾造成的誤動(dòng)作。 (2)交通流量輔助控制在智能化的照明控制系統中要實(shí)現人性化的照明控制，還必須考慮同一照明季節內交通流量變化規律的異常情況，尤其是在一些比較重要的節假日，人們的作息習慣會(huì )和平時(shí)出現差異，因此道路交通流量曲線(xiàn)與平時(shí)相比會(huì )出現較大波動(dòng)，這時(shí)就不能再按照正常的時(shí)間段劃分進(jìn)行控制，而必須借助于交通流量輔助控制�？紤]到這種波動(dòng)主要集中在較集中的時(shí)段內，因此在軟件設計時(shí)就只限定在特定的時(shí)段內有效。 3.1.3 區域控制策略 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展使得低成本的單燈控制和檢測成為可能，也使路燈的控制變得更加靈活。同一路段的不同路燈，由于其所處位置的不同，對其照明控制的要求可能也不相同。比如某個(gè)路段處于十字路口的路燈，由于位置的重要特殊性，就不能和其他路燈同時(shí)進(jìn)行相同的場(chǎng)景控制。另外對于一桿多燈的情況，需要考慮在交通流量減小時(shí)部分關(guān)閉以節約電能。區域控制可以通過(guò)配置控制系統底層(照明區域控制器智能節點(diǎn))之間的通信協(xié)議實(shí)現。區域控制數據幀格式如下： 控制類(lèi)型聲明單燈智能控制器應該執行何種控制操作，起始地址、終止地址和作用范圍一起聲明了對受控路燈節點(diǎn)的地址編號要求，這樣就相當于將符合相同條件的路燈節點(diǎn)綁定在了一起，從而可以實(shí)現區域控制。作用范圍根據單燈智能控制器地址編號的數學(xué)特征可以分為奇數有效、偶數有效等多種情況，因此可以實(shí)現多樣化的控制區域組合。 3.1.4 時(shí)間控制策略 時(shí)間控制主要包括每天的開(kāi)關(guān)燈控制和夜間按照道路交通流量分時(shí)段進(jìn)行的調光控制。這些控制操作不僅應該能夠取得明顯的節電效果，還應該能夠提高道路照明質(zhì)量。 (1)開(kāi)關(guān)燈時(shí)間可以一個(gè)月為時(shí)間段將一年分為12個(gè)時(shí)間段。每個(gè)月的起止時(shí)間應以當地具體日照情況為準，可采用多次測量后的平均值得到，并將得到的數據保存在單片機中供軟件查詢(xún)用。 (2)夜間分時(shí)段多樣化控制。夜間的路燈照明控制主要是根據道路夜間交通流量變化規律進(jìn)行分時(shí)段控制，盡管在一條道路上每天夜間不同時(shí)刻的交通流量會(huì )略有差異，但在一段時(shí)間(一個(gè)月或幾個(gè)月)的統計規律來(lái)看，這種變化的波動(dòng)并不很大，所以完全可以按照平均交通流量變化規律把一年的照明周期劃分成若干照明季節。由于每個(gè)照明季節的開(kāi)關(guān)燈時(shí)間有所差別，又將每天的整個(gè)時(shí)段分為三個(gè)小時(shí)段，每個(gè)小時(shí)段可以配合行人檢測對路燈進(jìn)行調光、部分開(kāi)關(guān)或者全部開(kāi)關(guān)等。 3.2 系統軟件設計 本文采用了ICCAVR編輯器，結合Atmel公司的AVR Studio集成開(kāi)發(fā)平臺進(jìn)行設計。 系統的工作流程如圖4所示，系統在外界光線(xiàn)達到照明需求時(shí)開(kāi)始初始化，并進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)紅外探測器將不斷監測路段行人或車(chē)輛，將檢測到的數據傳送給AVR主控制器，主控制器將根據數據量來(lái)點(diǎn)亮路燈，并開(kāi)始利用nRF905向后一組路燈傳送消息，后一組在接收到消息后在主控制器中處理信息，提前點(diǎn)亮路燈，等待著(zhù)再次監測到物體，如此循環(huán)。其中軟件記錄開(kāi)啟時(shí)間，進(jìn)入相應劃分的時(shí)段時(shí)開(kāi)啟相應調光程序。 單片機芯片和無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片在開(kāi)始工作前都要進(jìn)行初始化配置，本系統中的包含了以下兩個(gè)部分的配置： (1)ATmegal6L的SPI接口初始化。ATmegal6L的異步串行接口和SPI接口用同一個(gè)USART模塊，且要選擇SPI的主/從機方式，還要保證系統中只有一個(gè)主機，對于此系統應將AVR單片機設置為主機，nRF905模塊設置為從機。 (2)nRF905的初始化配置。對無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的初始化參數的配置是通過(guò)nRF905的配置寄存器進(jìn)行設置的。nRF905中有一個(gè)144 b的配置字，該配置字規定了無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的無(wú)線(xiàn)收發(fā)工作模式、收發(fā)頻率、發(fā)射頻率、收發(fā)地址寬度、接收地址、無(wú)線(xiàn)傳輸速率、晶振頻率以及CRC校驗和的長(cháng)度及有效數據長(cháng)度等。在同一時(shí)刻，nRF905無(wú)線(xiàn)收發(fā)只能處于工作模式之一。不管模式想發(fā)送還是要接收數據，模塊上電后都要進(jìn)行初始化配置。 nRF905發(fā)送數據時(shí)，系統通過(guò)軟件設置TRX_CE，并使得TX_EN和PWR_UP為高電位來(lái)激活nRF905的Shock Burst TM發(fā)送模式來(lái)實(shí)現數據發(fā)送。通過(guò)Shock Burst TM可以使收發(fā)芯片自動(dòng)上電，且完成數據打包(加字頭和CRC校驗碼)并發(fā)送數據包。當數據發(fā)送完成后，數據準備(DR)引腳被置高，若AUTO_RETRAN被置高，那么，nRF905將連續地發(fā)送數據包，直到檢測到TRX_CE為低電平;而當TRX_CE被置為低電平時(shí)，表明nRF905數據傳輸已經(jīng)結束，并且會(huì )自動(dòng)進(jìn)入節電模式。 當TR_CE為高TX_EN為低時(shí)，nRF905進(jìn)入Shock Burst TM接收模式;再650μs后，nRF905不斷檢測，等待數據接收;當nRF905檢測到同一頻段的載波時(shí)，載波檢測(CD)引腳被置高;但檢測到一個(gè)相匹配的地址后，地址匹配(AM)引腳被置高;之后就開(kāi)始接收數據包，接收完成后，nRF905自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗位，然后把DR引腳置高。在此之后，單片機會(huì )將TRX_CE置低，使nRF905處于空閑模式;然后單片機會(huì )通過(guò)SPI接口將數據以一定的速率傳送到單片機內;當所有的數據都接收完畢后，nRF905會(huì )把DR引腳和AM引腳置低。至此已完成整個(gè)接收流程。 單片機接收到信息后，會(huì )對和已存信息進(jìn)行分析比較，并發(fā)出相關(guān)指令，之后開(kāi)始進(jìn)入下一個(gè)發(fā)送周期。 4 結語(yǔ) 該智能路燈照明控制系統運用多種控制方法，配合當地具體時(shí)段來(lái)管理路燈開(kāi)關(guān)狀況及亮度等級，并運用無(wú)線(xiàn)射頻通信技術(shù)實(shí)現路段的區域控制和實(shí)時(shí)信息交換，實(shí)現“追光”照明。配有自動(dòng)故障報警功能，同時(shí)它降低了運行維護費用，該系統使用方便，制造成本合理，維護較容易，綜合來(lái)看，有廣闊的前景。 |
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