基于交通流檢測的路燈節能監控系統設計

劉乃銘，趙庶旭，黨建武

（蘭州交通大學 甘肅 蘭州 730070）

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

基于以上原因，本文設計了一套基于交通流檢測的路燈節能監控系統，將交通流信息采集和路燈節能監控系統聯系起來，實現自動開關燈、調節路燈的功率，從而達到路燈節能的優化控制效果。

1 系統總體設計

本系統采用監控中心、監控子站和監控終端的三層結構，如圖1所示。監控中心和監控子站之間采用GPRS無線通信方式傳遞信息，交通流采集節點通過RFID技術實時采集交通流量信息，并與監控子站間采用有線的方式傳遞信息，監控子站和路燈節點之間采用ZigBee無線通信方式傳遞信息，從而形成一個大范圍的區域控制網絡。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the streetlight energy-saving control system

2 基于RFID的交通流檢測子系統

在道路系統的選定地點或選定路段，為收集有關車輛運行情況數據而進行的調查分析工作稱為交通調查。交通調查的對象主要是交通流現象的各參數，其使用的技術稱為交通檢測技術[1]。傳統的交通檢測技術主要有環形線圈檢測、地磁感應檢測、視頻檢測、紅外對射檢測等。目前我國城市廣泛采用的環形線圈檢測技術[2]對檢測車輛是可行的，但由于其安裝時會造成對路面的損壞，且維護不便，故線圈檢測器使用效率并不高。取而代之的是基于視頻圖像處理的交通流信息檢測，這種檢測技術對于非專業用戶而言過于復雜；另外，圖像處理算法用硬件實現，雖然提高了處理速度，但同時增大了系統的規格和價格。本系統將RFID技術引入到系統交通流檢測子系統中，可有效地避免環形線圈檢測和視頻檢測的缺點，而基于RFID技術本身的優點，使得基于RFID的交通流檢測可以獲取到的信息量大大增加。

2.1 子系統工作原理

基于RFID的交通流檢測子系統主要工作原理如下：在十字交叉路東西南北四個方向的車輛入口處布設RFID閱讀器和天線。當裝有RFID射頻標簽的車輛進入天線感應區域時，閱讀器發射一定頻率的無線電能量給電子標簽，用以驅動RFID標簽電路將車輛數據送出；天線接收到標簽發送來的信息，經天線調節器傳送到閱讀器，閱讀器讀取信號并對其進行處理。當檢測到車輛通過時，內置計數器自動加一，周而復始閱讀器就會記錄一個周期內（本文設為15 min）通過的車輛總數，再將這一數據傳送給監控子站，將該數據導入到交通流預測系統，由當前周期的交通流量、歷史交通流量和交通流預測系統預測出下一個周期（下一個15 min）的交通流量，將預測出的交通流量與設置好的交通流閾值進行比較，得出路燈節能策略。

2.2 子系統結構

RFID系統通常由應用主機、閱讀器和標簽組成，閱讀器通過無線通信方式獲得標簽信息，實時識別攜帶該標簽的對象，識別過程無需人工干預。UHF 860~960 MHz頻段的RFID閱讀器具有閱讀距離遠、讀卡速度快等優點，支持多個閱讀器在同一小區內組網工作，不互相干擾，并能同時識別多張標簽而廣泛應用[3]?；谝陨显?，本文使用UHF RFID閱讀器和UHF RFID射頻標簽來檢測交通流量。

基于RFID的交通流檢測子系統主要由3部分組成：車載標簽，道路入口閱讀器和監控子站。

1）車載標簽：車載標簽采用了特高頻的射頻卡，安裝于車輛上，相當于車輛的電子標簽。當車輛進入閱讀器天線讀取范圍時，車載標簽會接收閱讀器傳來的射頻波，激發其內部電路并主動返回標簽內部信息給閱讀器。

2）道路入口閱讀器：由于實際道路上交通信號燈是布設在東西南北四個方向車輛入口處的，故本文從實際出發將閱讀器布設在各個交通信號燈支架立柱上，將天線布設在支架的橫梁上，天線朝向向下，每個車道布設一個天線，讀取道路入口處的總交通流量。對于本系統而言，閱讀器在讀取到車載標簽的信息后，其內部計數器自動加1，以15 min為一個計數周期，到15 min后計數器自動歸0，重新記錄交通流量。

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

式中，f為頻率（Hz），V 為路段設計限速（km/h），D 為天線范圍長度（m）。

閱讀器要能夠讀到該道路上所有車輛，則V應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，所獲得的數據越逼近真實數值，誤差也越小[4]。

3）監控子站：監控子站布設在十字路口的路邊，閱讀器每隔15 min向監控子站發送一次數據，該數據作為單向道路的當前交通流，監控子站微處理器進行運算，采用自適應神經網絡算法預測未來15 min的交通流量情況，并最終得出路燈節能策略。

3 基于交通流檢測的路燈節能監控系統

本系統由監控中心依據在城市特定位置采集到的實時照度信息來決定全市路燈統一開關時間。當檢測到環境照度超過我們設定的開關燈臨界照度值時，監控中心發送開燈指令，通過GPRS網絡傳輸給各個監控子站，監控子站接收到開燈指令后立即結束休眠狀態，并將開燈指令轉發給各個路燈節點，并激活基于RFID的交通流檢測子系統開始工作，檢測交通流信息，剛開燈時的第一個周期（15 min）路燈按照最大功率運行，待第一個周期（15 min）結束時，交通流檢測子系統會將交通流信息傳遞給監控子站，監控子站將節能策略轉化為ZigBee指令信息發送到各個路燈終端節點，進而通過調節功率（亮度）來實現節能。

3.1 系統硬件設計

系統硬件主要包括監控子站和路燈節點兩部分的設計。

監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。監控子站硬件結構圖如圖2所示。

圖2 監控子站硬件結構圖Fig.2 Structure diagram of the control station hardware system

GPRS無線通信模塊是各個監控子站和監控中心之間數據傳輸的橋梁。本系統GPRS模塊選用的是宏電生產的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行遠距離GPRS通信，并且可以在-30~75℃的惡劣環境中工作。

RFID模塊用來實時檢測車流量信息，并通過UART或者USB接口將信息傳輸到監控子站。由于在檢測時會有多個閱讀器在同區域進行采集，故本系統采用ThingMagic公司生產的M6e UHF RFID閱讀器。M6e UHF RFID模塊支持ISO 18000-6C（EPC G2）和 ISO 18000-6B協議，每個M6e閱讀器可同時外接4根天線，每秒鐘可同時識讀大于400個標簽，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、短時延的自組織無線網絡技術[5]。本系統ZigBee射頻模塊采用的是TI生產的2.4 GHz單芯片CC2530無線單片機，通過UART接口與S3C6410主控芯片相連。CC2530內部已集成了一個8051微處理器與高性能的RF收發器。CC2530能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點，擁有較大的Flash，其存儲容量多達 256KB，它是理想的 ZigBee專業應用芯片[6]。

路燈節點硬件由控制模塊、信息采集模塊、ZigBee通信模塊和電源模塊組成?？刂颇K以STC生產的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傳至監控子站，監控子站傳來的亮度調節命令在控制模塊解碼后，經PWM控制來實現精確的恒流控制，調節路燈功率并實現節能。

3.2 系統軟件設計

系統軟件主要包括GPRS模塊、RFID模塊、ZigBee模塊和監控子站的軟件設計。

3.2.1 GPRS模塊軟件設計

本模塊在采用宏電的H7200實現遠程數據通信后，解決了監控中心和監控子站之間的通信問題。H7200通過AT指令進行相應的控制，數據傳輸采用TCP/IP協議的報文。GPRS可以在有效的范圍內實現即時收發數據而無需撥號建立連接[7]。GPRS這種工作原理完全滿足本系統功能并方便軟件開發。

GPRS通信終端軟件設計部分可分為系統初始化模塊、網絡建立模塊、數據發送模塊、數據接收模塊和串口發送模塊。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模塊軟件設計

本模塊采用ThingMagic公司的M6e UHF RFID模塊實現交通流檢測，M6e閱讀器在監控子站監控下進行工作，該系統與監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，進入待機狀態，等待監控子站發來檢測交通流指令，當接收到監控子站指令后，按照主控程序進行交通流信息檢測工作。處理完畢后，將交通流信息送回監控子站。基于RFID的交通流檢測程序流程圖如圖4所示。

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

3.2.3 ZigBee模塊軟件設計

本模塊采用TI公司生產的CC2530模塊，來實現實時收發路燈節點和監控子站之間的信息。監控子站和ZigBee模塊通過UART接口相連，并通過各個充當ZigBee路由節點的路燈節點把控制指令轉發下去，一直到每條道路的路燈終端節點。由于在實際的系統運行中，要將監控命令和相應的路燈對應起來，這就要求各個路燈節點需要在加入網絡后把自己的網絡地址發送給監控子站，監控子站接收到各個路燈節點的網絡地址后建立地址表并存儲，以便控制命令能夠準確發到確定的路燈，每盞路燈的信息也能實時傳送到監控子站，最終上傳至監控中心。本系統各個ZigBee模塊軟件設計流程圖如圖5所示。

圖5 ZigBee模塊軟件設計流程圖Fig.5 The flow chart of the ZigBee terminal software design

3.2.4 監控子站軟件設計

當整個系統上電后，監控子站建立和維護ZigBee網絡的運行，各節點按照入網的先后獲得一個網絡地址，并將網絡地址傳給監控子站，監控子站存儲各網絡節點地址并建立地址表。當一定時間內不再有新的節點加入并且地址數目與所在子網內節點總數相同時，監控子站默認本區ZigBee子網建立完成，隨后監控子站通過GPRS網絡把節點的地址發給監控中心，由監控中心進一步處理并存儲，數據包傳輸采用基于TCP/IP的命令包方式，GPRS模塊會把接收到的數據通過串口RS-232發送給監控子站。監控中心會通過各個路燈節點傳回來的信息實時更新，結合具體參數判定路燈故障與否，并最終顯示在監控子站觸摸顯示屏上。圖6是設計出的監控子站路燈實時信息查詢數據庫，通過該庫可以獲得路燈故障情況，便于維修。

圖6 路燈實時信息查詢數據庫圖Fig.6 Database diagram of streetlight real-time information query

4 結 論

本設計在已有路燈監控系統基礎上引入了交通流檢測的節能思想，并采用基于光照度和交通流兩信息決策的路燈自動節能監控系統，將RFID技術與ZigBee技術、GPRS技術結合在一起，在保證行車安全的前提下提高了路燈節能水平。此外本系統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，在路燈監控領域有著廣泛的應用前景。

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