基于交通流檢測(cè)的路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉乃銘，趙庶旭，黨建武

（蘭州交通大學(xué) 甘肅 蘭州 730070）

路燈監(jiān)控系統(tǒng)是路燈系統(tǒng)中由來已久的研究課題。目前，路燈監(jiān)控系統(tǒng)普遍使用的控制方式是手動(dòng)、鐘控和光控，路燈設(shè)施的維護(hù)和管理采用人工巡檢方式，監(jiān)控手段粗放落后；在后半夜車流量大幅減少時(shí)，絕大多數(shù)路燈依然保持著最大功率運(yùn)行，造成了極大的能源浪費(fèi)。

基于以上原因，本文設(shè)計(jì)了一套基于交通流檢測(cè)的路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，將交通流信息采集和路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)燈、調(diào)節(jié)路燈的功率，從而達(dá)到路燈節(jié)能的優(yōu)化控制效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用監(jiān)控中心、監(jiān)控子站和監(jiān)控終端的三層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。監(jiān)控中心和監(jiān)控子站之間采用GPRS無線通信方式傳遞信息，交通流采集節(jié)點(diǎn)通過RFID技術(shù)實(shí)時(shí)采集交通流量信息，并與監(jiān)控子站間采用有線的方式傳遞信息，監(jiān)控子站和路燈節(jié)點(diǎn)之間采用ZigBee無線通信方式傳遞信息，從而形成一個(gè)大范圍的區(qū)域控制網(wǎng)絡(luò)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the streetlight energy-saving control system

2 基于RFID的交通流檢測(cè)子系統(tǒng)

在道路系統(tǒng)的選定地點(diǎn)或選定路段，為收集有關(guān)車輛運(yùn)行情況數(shù)據(jù)而進(jìn)行的調(diào)查分析工作稱為交通調(diào)查。交通調(diào)查的對(duì)象主要是交通流現(xiàn)象的各參數(shù)，其使用的技術(shù)稱為交通檢測(cè)技術(shù)[1]。傳統(tǒng)的交通檢測(cè)技術(shù)主要有環(huán)形線圈檢測(cè)、地磁感應(yīng)檢測(cè)、視頻檢測(cè)、紅外對(duì)射檢測(cè)等。目前我國(guó)城市廣泛采用的環(huán)形線圈檢測(cè)技術(shù)[2]對(duì)檢測(cè)車輛是可行的，但由于其安裝時(shí)會(huì)造成對(duì)路面的損壞，且維護(hù)不便，故線圈檢測(cè)器使用效率并不高。取而代之的是基于視頻圖像處理的交通流信息檢測(cè)，這種檢測(cè)技術(shù)對(duì)于非專業(yè)用戶而言過于復(fù)雜；另外，圖像處理算法用硬件實(shí)現(xiàn)，雖然提高了處理速度，但同時(shí)增大了系統(tǒng)的規(guī)格和價(jià)格。本系統(tǒng)將RFID技術(shù)引入到系統(tǒng)交通流檢測(cè)子系統(tǒng)中，可有效地避免環(huán)形線圈檢測(cè)和視頻檢測(cè)的缺點(diǎn)，而基于RFID技術(shù)本身的優(yōu)點(diǎn)，使得基于RFID的交通流檢測(cè)可以獲取到的信息量大大增加。

2.1 子系統(tǒng)工作原理

基于RFID的交通流檢測(cè)子系統(tǒng)主要工作原理如下：在十字交叉路東西南北四個(gè)方向的車輛入口處布設(shè)RFID閱讀器和天線。當(dāng)裝有RFID射頻標(biāo)簽的車輛進(jìn)入天線感應(yīng)區(qū)域時(shí)，閱讀器發(fā)射一定頻率的無線電能量給電子標(biāo)簽，用以驅(qū)動(dòng)RFID標(biāo)簽電路將車輛數(shù)據(jù)送出；天線接收到標(biāo)簽發(fā)送來的信息，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器讀取信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理。當(dāng)檢測(cè)到車輛通過時(shí)，內(nèi)置計(jì)數(shù)器自動(dòng)加一，周而復(fù)始閱讀器就會(huì)記錄一個(gè)周期內(nèi)（本文設(shè)為15 min）通過的車輛總數(shù)，再將這一數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控子站，將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入到交通流預(yù)測(cè)系統(tǒng)，由當(dāng)前周期的交通流量、歷史交通流量和交通流預(yù)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)出下一個(gè)周期（下一個(gè)15 min）的交通流量，將預(yù)測(cè)出的交通流量與設(shè)置好的交通流閾值進(jìn)行比較，得出路燈節(jié)能策略。

2.2 子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RFID系統(tǒng)通常由應(yīng)用主機(jī)、閱讀器和標(biāo)簽組成，閱讀器通過無線通信方式獲得標(biāo)簽信息，實(shí)時(shí)識(shí)別攜帶該標(biāo)簽的對(duì)象，識(shí)別過程無需人工干預(yù)。UHF 860~960 MHz頻段的RFID閱讀器具有閱讀距離遠(yuǎn)、讀卡速度快等優(yōu)點(diǎn)，支持多個(gè)閱讀器在同一小區(qū)內(nèi)組網(wǎng)工作，不互相干擾，并能同時(shí)識(shí)別多張標(biāo)簽而廣泛應(yīng)用[3]。基于以上原因，本文使用UHF RFID閱讀器和UHF RFID射頻標(biāo)簽來檢測(cè)交通流量。

基于RFID的交通流檢測(cè)子系統(tǒng)主要由3部分組成：車載標(biāo)簽，道路入口閱讀器和監(jiān)控子站。

1）車載標(biāo)簽：車載標(biāo)簽采用了特高頻的射頻卡，安裝于車輛上，相當(dāng)于車輛的電子標(biāo)簽。當(dāng)車輛進(jìn)入閱讀器天線讀取范圍時(shí)，車載標(biāo)簽會(huì)接收閱讀器傳來的射頻波，激發(fā)其內(nèi)部電路并主動(dòng)返回標(biāo)簽內(nèi)部信息給閱讀器。

2）道路入口閱讀器：由于實(shí)際道路上交通信號(hào)燈是布設(shè)在東西南北四個(gè)方向車輛入口處的，故本文從實(shí)際出發(fā)將閱讀器布設(shè)在各個(gè)交通信號(hào)燈支架立柱上，將天線布設(shè)在支架的橫梁上，天線朝向向下，每個(gè)車道布設(shè)一個(gè)天線，讀取道路入口處的總交通流量。對(duì)于本系統(tǒng)而言，閱讀器在讀取到車載標(biāo)簽的信息后，其內(nèi)部計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，以15 min為一個(gè)計(jì)數(shù)周期，到15 min后計(jì)數(shù)器自動(dòng)歸0，重新記錄交通流量。

閱讀器的讀取是常發(fā)性行為，其讀取頻率由天線范圍和道路限速共同決定，三者之間的關(guān)系為：

式中，f為頻率（Hz），V 為路段設(shè)計(jì)限速（km/h），D 為天線范圍長(zhǎng)度（m）。

閱讀器要能夠讀到該道路上所有車輛，則V應(yīng)該至少取道路上的最大可能限速。例如D為10 m，最大可能車速V為60 km/h，則f至少為1.66 Hz，即最多0.6 s讀一次。顯然，閱讀器讀取頻率越大，所獲得的數(shù)據(jù)越逼近真實(shí)數(shù)值，誤差也越小[4]。

3）監(jiān)控子站：監(jiān)控子站布設(shè)在十字路口的路邊，閱讀器每隔15 min向監(jiān)控子站發(fā)送一次數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)作為單向道路的當(dāng)前交通流，監(jiān)控子站微處理器進(jìn)行運(yùn)算，采用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)未來15 min的交通流量情況，并最終得出路燈節(jié)能策略。

3 基于交通流檢測(cè)的路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)

本系統(tǒng)由監(jiān)控中心依據(jù)在城市特定位置采集到的實(shí)時(shí)照度信息來決定全市路燈統(tǒng)一開關(guān)時(shí)間。當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境照度超過我們?cè)O(shè)定的開關(guān)燈臨界照度值時(shí)，監(jiān)控中心發(fā)送開燈指令，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給各個(gè)監(jiān)控子站，監(jiān)控子站接收到開燈指令后立即結(jié)束休眠狀態(tài)，并將開燈指令轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)，并激活基于RFID的交通流檢測(cè)子系統(tǒng)開始工作，檢測(cè)交通流信息，剛開燈時(shí)的第一個(gè)周期（15 min）路燈按照最大功率運(yùn)行，待第一個(gè)周期（15 min）結(jié)束時(shí)，交通流檢測(cè)子系統(tǒng)會(huì)將交通流信息傳遞給監(jiān)控子站，監(jiān)控子站將節(jié)能策略轉(zhuǎn)化為ZigBee指令信息發(fā)送到各個(gè)路燈終端節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)功率（亮度）來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括監(jiān)控子站和路燈節(jié)點(diǎn)兩部分的設(shè)計(jì)。

監(jiān)控子站硬件主要由主控芯片三星S3C6410、GPRS通信模塊 H7200、ZigBee通信模塊 CC2530、RFID 模塊 M6e、觸摸屏顯示模塊和電源模塊等組成。監(jiān)控子站硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控子站硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the control station hardware system

GPRS無線通信模塊是各個(gè)監(jiān)控子站和監(jiān)控中心之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸１鞠到y(tǒng)GPRS模塊選用的是宏電生產(chǎn)的H7200模塊，H7200通過串口RS-232與S3C6410主控芯片相連。該模塊是一款高速GPRS/EDGE模塊，最大下行速度達(dá)到384 kbps，支持850/900/1 800/1 900 MHz 4種頻段。H7200模塊和其外圍電路匹配后完全可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離GPRS通信，并且可以在-30~75℃的惡劣環(huán)境中工作。

RFID模塊用來實(shí)時(shí)檢測(cè)車流量信息，并通過UART或者USB接口將信息傳輸?shù)奖O(jiān)控子站。由于在檢測(cè)時(shí)會(huì)有多個(gè)閱讀器在同區(qū)域進(jìn)行采集，故本系統(tǒng)采用ThingMagic公司生產(chǎn)的M6e UHF RFID閱讀器。M6e UHF RFID模塊支持ISO 18000-6C（EPC G2）和 ISO 18000-6B協(xié)議，每個(gè)M6e閱讀器可同時(shí)外接4根天線，每秒鐘可同時(shí)識(shí)讀大于400個(gè)標(biāo)簽，工作溫度在-40~60℃之間，RF輸出在5 dBm到31.5 dBm之間。

ZigBee是一種新型的近距離、低速率、低功耗、低成本、短時(shí)延的自組織無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5]。本系統(tǒng)ZigBee射頻模塊采用的是TI生產(chǎn)的2.4 GHz單芯片CC2530無線單片機(jī)，通過UART接口與S3C6410主控芯片相連。CC2530內(nèi)部已集成了一個(gè)8051微處理器與高性能的RF收發(fā)器。CC2530能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，擁有較大的Flash，其存儲(chǔ)容量多達(dá) 256KB，它是理想的 ZigBee專業(yè)應(yīng)用芯片[6]。

路燈節(jié)點(diǎn)硬件由控制模塊、信息采集模塊、ZigBee通信模塊和電源模塊組成。控制模塊以STC生產(chǎn)的89C58芯片為核心，信息采集模塊采用HCT206B電流互感器，ZigBee通信模塊采用CC2530芯片。通過HCT206B采集路燈電流信息，并通過CC2530傳至監(jiān)控子站，監(jiān)控子站傳來的亮度調(diào)節(jié)命令在控制模塊解碼后，經(jīng)PWM控制來實(shí)現(xiàn)精確的恒流控制，調(diào)節(jié)路燈功率并實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括GPRS模塊、RFID模塊、ZigBee模塊和監(jiān)控子站的軟件設(shè)計(jì)。

3.2.1 GPRS模塊軟件設(shè)計(jì)

本模塊在采用宏電的H7200實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信后，解決了監(jiān)控中心和監(jiān)控子站之間的通信問題。H7200通過AT指令進(jìn)行相應(yīng)的控制，數(shù)據(jù)傳輸采用TCP/IP協(xié)議的報(bào)文。GPRS可以在有效的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)即時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)而無需撥號(hào)建立連接[7]。GPRS這種工作原理完全滿足本系統(tǒng)功能并方便軟件開發(fā)。

GPRS通信終端軟件設(shè)計(jì)部分可分為系統(tǒng)初始化模塊、網(wǎng)絡(luò)建立模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊和串口發(fā)送模塊。其流程圖如圖3所示。

圖3 GPRS終端軟件流程圖Fig.3 The flow chart of the GPRSterminal software

3.2.2 RFID模塊軟件設(shè)計(jì)

本模塊采用ThingMagic公司的M6e UHF RFID模塊實(shí)現(xiàn)交通流檢測(cè)，M6e閱讀器在監(jiān)控子站監(jiān)控下進(jìn)行工作，該系統(tǒng)與監(jiān)控子站之間形成主從通信模式。主控模塊上電完成初始化過程后，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待監(jiān)控子站發(fā)來檢測(cè)交通流指令，當(dāng)接收到監(jiān)控子站指令后，按照主控程序進(jìn)行交通流信息檢測(cè)工作。處理完畢后，將交通流信息送回監(jiān)控子站。基于RFID的交通流檢測(cè)程序流程圖如圖4所示。

圖4 基于RFID的交通流檢測(cè)流程圖Fig.4 The flow chart of the traffic flow detection based on RFID

3.2.3 ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)

本模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2530模塊，來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)收發(fā)路燈節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控子站之間的信息。監(jiān)控子站和ZigBee模塊通過UART接口相連，并通過各個(gè)充當(dāng)ZigBee路由節(jié)點(diǎn)的路燈節(jié)點(diǎn)把控制指令轉(zhuǎn)發(fā)下去，一直到每條道路的路燈終端節(jié)點(diǎn)。由于在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行中，要將監(jiān)控命令和相應(yīng)的路燈對(duì)應(yīng)起來，這就要求各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)需要在加入網(wǎng)絡(luò)后把自己的網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給監(jiān)控子站，監(jiān)控子站接收到各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址后建立地址表并存儲(chǔ)，以便控制命令能夠準(zhǔn)確發(fā)到確定的路燈，每盞路燈的信息也能實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控子站，最終上傳至監(jiān)控中心。本系統(tǒng)各個(gè)ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 The flow chart of the ZigBee terminal software design

3.2.4 監(jiān)控子站軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)上電后，監(jiān)控子站建立和維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，各節(jié)點(diǎn)按照入網(wǎng)的先后獲得一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，并將網(wǎng)絡(luò)地址傳給監(jiān)控子站，監(jiān)控子站存儲(chǔ)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址并建立地址表。當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)不再有新的節(jié)點(diǎn)加入并且地址數(shù)目與所在子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)總數(shù)相同時(shí)，監(jiān)控子站默認(rèn)本區(qū)ZigBee子網(wǎng)建立完成，隨后監(jiān)控子站通過GPRS網(wǎng)絡(luò)把節(jié)點(diǎn)的地址發(fā)給監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心進(jìn)一步處理并存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)包傳輸采用基于TCP/IP的命令包方式，GPRS模塊會(huì)把接收到的數(shù)據(jù)通過串口RS-232發(fā)送給監(jiān)控子站。監(jiān)控中心會(huì)通過各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)傳回來的信息實(shí)時(shí)更新，結(jié)合具體參數(shù)判定路燈故障與否，并最終顯示在監(jiān)控子站觸摸顯示屏上。圖6是設(shè)計(jì)出的監(jiān)控子站路燈實(shí)時(shí)信息查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，通過該庫(kù)可以獲得路燈故障情況，便于維修。

圖6 路燈實(shí)時(shí)信息查詢數(shù)據(jù)庫(kù)圖Fig.6 Database diagram of streetlight real-time information query

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)在已有路燈監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入了交通流檢測(cè)的節(jié)能思想，并采用基于光照度和交通流兩信息決策的路燈自動(dòng)節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，將RFID技術(shù)與ZigBee技術(shù)、GPRS技術(shù)結(jié)合在一起，在保證行車安全的前提下提高了路燈節(jié)能水平。此外本系統(tǒng)還可以推廣到高速公路、隧道公路等其他交通道路路燈的控制，在路燈監(jiān)控領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

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