基于物聯網的智能太陽能路燈分區段數據采集與控制系統

周 娟，盛蘊霞，陳秉巖，王 熠

(1.河海大學常州校區信息中心，江蘇 常州 213022；2.河海大學常州校區物理實驗中心，江蘇 常州 213022)

1 引言

智能太陽能路燈具有以下特點：以市電和太陽能互補供電，具有電能計量功能；具有可變功率、長明等多個照明模式，可以根據交通流量進行調節；具有一定的智能控制功能[1]。

智能太陽能路燈的運行產生大量對路燈管理控制有用的實時感知數據。由于無線通信模塊各狀態按能量消耗的降序排列，依次為發送、接收、偵聽、處理、睡眠狀態[2,3]，大量實時數據若全部直接發送到遠程路燈管理中心，會大大消耗系統能量，同時既延遲了處理時間又耗費網絡流量，這種管理控制方式效率低下，不符合節能環保理念。智能路燈感知數據量大[4]，數據傳輸有實時性，在有限的節點通信能力、節點計算能力和分布式網絡結構環境下，對傳感器網絡的軟、硬件提出高健壯性和容錯性[5]，同時，數據查詢和管理也要具有高效性。

本文對智能太陽能路燈的監控管理進行研究，設計基于物聯網[6]、對鄰近多區段路燈進行實時數據采集、存儲，初步數據處理和進行路燈控制的便攜式系統，提高路燈管理控制效率，系統要實現的功效指標如表1所示。

表1 系統功效指標Table 1 System effect ion standard

2 總體架構

分區段數據采集與控制系統(SDACS)總體架構如圖1所示，能夠同時對鄰近多區段的智能太陽能路燈自動實時數據采集、處理和控制。系統內部硬件結構包括，微處理器、通過串口擴展模塊連接的液晶顯示LCD接口和串行打印機接口、GPRS模塊、無線通信模塊、串行鍵盤接口、外部存儲模塊、內部存儲模塊、時鐘同步模塊。系統通過無線射頻模塊與鄰近多區段的智能路燈通信；由GPRS模塊通過公網提供的GPRS網絡服務與遠程路燈管理中心通信。

圖1 系統總體架構Fig.1 General system architecture

3 系統設計原理

3.1 硬件結構

SDACS系統硬件結構如圖2所示，其中微處理器采用基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS單片機ATmega128，具有先進的指令集以及單周期指令執行時間，ATmegal28的數據吞吐率高達l MIPS/MHz，大大緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。系統采用TL16C554芯片擴展出多個串口，連接LCD液晶顯示接口、串行打印機接口；采用兩片八位串行輸入/并行輸出移位寄存器74HC164芯片進行數據串并轉換，分別與LCD芯片JM240128A的接口和串行打印機的數據總線接口連接，以節省數據輸出端口，如圖3所示。串行鍵盤接口與單片機的4個I/O口連接，實現系統和用戶之間的人機交互。內部存儲模塊分別采用串行SRAM芯片X24C45和Flash芯片AT25FS040與微處理器連接，為系統提供靜態內存和程序代碼；外部存儲模塊采用串行SD卡與微處理器連接，用于存儲采集的實時數據和統計分析的數據結果。時鐘同步模塊采用時鐘日歷芯片DS12C887，用于對路燈提供時間基準，進行時鐘同步管理。

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 System hardware structure

圖3 串口擴展模塊連接示意圖Fig.3 Serial expansion module wiring diagram

無線模塊采用ZigBee芯片CC2420收發無線信號，負責通信端口管理、通信數據的接收解碼與發送編碼，與鄰近多區段的智能路燈通信；由GPRS模塊采用MC35i芯片與微處理器的串口連接，通過公網提供的GPRS網絡服務實現微處理器與遠程路燈管理中心通信。

外部存儲模塊、內部存儲模塊、無線通信模塊均通過如圖4所示的SPI總線方式與微處理器之間傳送指令和數據。

圖4 SPI串行總線接線圖Fig.4 SPI serial bus wiring diagram

3.2 軟件功能模塊

針對路燈分區段管理需要，如圖5所示，SDACS軟件提供實時信息采集、基礎數據統計、路燈控制和數據輸出等功能。

圖5 系統功能模塊圖Fig.5 System function modules

實時信息采集模塊建立實時狀態管理數據結構，采用輪詢算法實時輪詢，采集用電方式、用電量及故障報警等實時數據。

基礎數據統計功能提供從實時點燈信息中計算指定時間段內的點燈時長和用電量統計，計算光伏用電和市電用電比例；對實時路燈狀態數據進行分析，與參數指標對比，判斷路燈工作狀態是否異常，按期進行統計；對實時故障報警數據進行分析，統計指定時間段內路燈故障類型和頻數。

路燈控制功能對三個方面進行控制：(1)路燈工作模式控制，包括對可變功率、長明等多個照明模式的設置；(2)用電方式控制，包括光伏用電和市電用電切換控制；(3)照明參數調整，包括路燈地址、預點燈時間、亮度等照明參數的設置。數據輸出模塊以文件形式導出或打印指定的數據及統計結果。

4 通信協議設計

每個SDACS節點都是一個可以進行數據采集、數據處理和數據通信的智能單元。由于無線傳感器網絡受價格、體積和功耗的限制，節點計算能力、程序空間和內存空間等資源[7]有限，因此系統通信協議設計應盡量簡化；數據處理盡量由節點自身完成，從而減少GPRS及無線鏈路中傳送的數據量。最后，無線數據傳輸的出錯率高，某些路燈節點隨時可能失效，通信協議應具備健壯性和容錯性，確保任何路燈節點故障不會影響整個系統運行。

4.1 通信地址分配

SDACS與路燈通信雙方的地址統一由區段地址和段內地址碼組成，共12位二進制碼編碼，范圍為0 x 000～0 x FFF，除了用于所轄區段內單盞路燈的地址，還包含特殊用途地址：

0x000：SDACS系統地址；

0xFFF：十字路口路燈地址；

0xExx：最高四位為1110開頭的地址預留，不分配給任何區段路燈；

0xEEE：轄區內所有區段路燈的全局廣播地址；

0xE+四位段號+0000：最高四位為1110開頭、中間四位為區段地址、最后四位為零的地址為指定區段內的廣播地址，稱為局域廣播地址。

4.2 通信指令

為便于管理維護，在統一編址基礎上，SDACS與路燈間采用如圖6所示的統一指令格式，總長度為144位，其中前導碼字段8位，源地址和目標地址字段各12位，指令類型字段8位，數據位長度字段8位，數據位及填充位字段共96位，校驗碼8位。通信指令包括指令類型和指令格式。

系統指令包括對單個路燈和對批量路燈發送兩類，通過目標地址和指令類型字段加以區別。如對批量路燈的區段地址進行修改，則在目標地址字段填寫帶有原段號的局域廣播地址、在指令類型字段填寫修改段地址指令的代碼進行發送。為減少無線鏈路中傳送的數據量、節約節點能源，路燈不需要答復系統批量發送的指令。

圖6 通信指令格式Fig.6 Format of communication instruction

5 實時輪詢算法

實時信息采集是SDACS核心功能，其采集效率決定了智能路燈管理性能。系統采用輪詢方式采集實時數據，針對路燈區段管理特點建立如圖7所示的三層實時狀態管理數據結構，包括區段地址鏈表、段內地址鏈表及路燈實時狀態表。區段地址鏈表的每一個節點指向該區段段內地址鏈表的頭節點；段內地址鏈表的每一個節點指向路燈實時狀態表的一條記錄；路燈實時狀態表由索引、輪詢次數、發送時間、狀態判斷、收到應答及多個輪詢參數字段構成。

圖7 實時狀態管理數據結構圖Fig.7 Data structure for real-time statement

由于無線傳感器網絡具有帶寬狹窄、雙向鏈路易受干擾、數據傳輸可靠性低、通信質量有限等特點，系統輪詢算法設置最大輪詢次數Nmax，按區段地址鏈表和各段內地址鏈表遍歷每個節點，對各節點對應路燈首次發送輪詢請求指令時，在路燈實時狀態表中建立一條記錄，記錄第Npoll次發送輪詢和發送時間；收到來自路燈的輪詢應答信息，則修改該記錄收到的相關參數信息，并作狀態判斷，然后開始對下一路燈進行輪詢請求；如超時未收到應答，則記錄未收到應答，如發送次數Npoll

系統設計特定的數據結構進行實時數據采集，可以對所轄路燈按區段進行創建和刪除，根據路燈地址容易找到路燈對應的鏈表成員和查詢相關參數信息，實時跟蹤目標分段供電路燈照明系統的工作狀態，及時發現運行故障，適應本照明系統的分區段管理特點，管理效率高。該輪詢算法減輕系統處理大量路燈地址和輪詢信息的內存消耗和處理器開銷，加快處理每個輪詢節點的效率，大大減化生成和管理輪詢路燈數據的操作，節省操作用時和內存空間。

6 系統流程與特性

系統工作流程為：系統上電運行后，讀取Flash程序代碼，讀取配置參數，初始化各功能模塊，如系統未找到路燈地址文件，則屏幕顯示提供路燈地址設置；根據所轄區段路燈地址初始化路燈數據鏈表，然后進入實時信息采集模塊，對各路燈進行實時輪詢，按設定的時間間隔將輪詢異常信息和報警信息交給GPRS模塊發送給遠程管理中心。當系統產生中斷信號，則進入中斷處理程序。首先判斷中斷來源：(1)如果是用戶按鍵中斷：則判斷按鍵內容，如查詢數據，則按用戶指定參數到外部存儲模塊讀取數據及統計信息文件，按用戶選擇進行LCD顯示或打印數據；如為用戶對路燈發出管理控制指令，則根據用戶選擇構造和發送通信指令；(2)如果是收到來自所轄區段路燈的通信指令中斷，則判斷是路燈上報點燈及用電量數據、對輪詢的應答指令還是故障報警指令。如果收到路燈上報數據，則存儲實時數據，對光伏用電和市電用電分別統計用電量；如果是來自路燈的應答指令，則分析應答數據，更新輪詢信息表，對收到的實時數據進行計算、存儲和統計，與參數指標對比，判斷路燈工作狀態是否異常；如果是故障報警指令，則提取報警具體數據內容，進行存儲，并統計路燈故障類型、次數；(3)如果收到來自GPRS模塊的中斷，則判斷是控制指令還是數據查詢請求，如果是控制指令，則根據指定的控制參數和選擇的路燈地址構造和發送通信指令；如果是數據查詢請求，則根據請求指令到外部存儲模塊讀取數據及統計信息文件由GPRS模塊發送應答數據。

與傳統路燈控制系統對比，SDACS具有如表2所示的性能特點：

表2 系統性能對比Table 2 System effect ion contrast

7 系統測試

測試實驗采用5個SDACS對總共100盞智能太陽能路燈進行實時數據采集和控制，每個SDACS采集和控制鄰近區段馬路兩邊各10盞路燈，路燈間隔為15～20米。輪詢間隔設為30秒，經系統數據處理后通過帶寬為50kbps的GPRS向城市路燈管理中心每5分鐘上傳一次統計數據和故障信息，每天路燈工作12小時，共運行15天。則每次發送數據指令約耗時144×100/50000=0.288秒，每天系統通過GPRS發送數據量大約144×100×12×12=2.073Mb；如果按原來的所有數據完全上傳，則每天通過GPRS發送數據量約為144×(60/30)×60×12×100=41.47Mb。對比二者，GPRS流量大大減少。按每Kb流量0.01元的價格，100盞路燈15天可節省約27元流量費用；同時，由于系統發送次數和流量減少，在不降低系統性能的前提下節約了系統能耗，延長了系統生存時間。

8 結論

SDACS系統針對鄰近多區段智能太陽能路燈分段采集和處理實時感知數據，提供快速本地存儲，只在必要時將統計信息通過GPRS發送給遠程路燈管理中心，縮短傳輸和處理時間，節約公網流量和費用，節省系統能耗，符合節能環保理念。

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