大數據理念層次化節電控制系統

李芳 李哲康 吳旭陽 李卓然 靳召雪

摘 要：為節約耗電，構建節約型社會，文中設計了一款大數據理念層次化節電控制系統。系統采集一段時間內人或車流量并將數據發送給路燈系統網關，實現對路燈的開關控制、定時控制、故障提示等，不僅方便系統維護，還能減少政府財政支出。

關鍵詞：大數據;節電控制

1 研究背景

據統計，中國路燈有2 800萬～3 000萬盞。近幾年路燈每年增長速率為15%～20%，約300萬～600萬盞。在我國照明耗電中，城市路燈照明占我國照明耗電約30%，年用電約850億千瓦時，折合標準煤約3 000萬噸，每年市政路燈照明的開支就高達550億元。在節能減排已成為國策的今天，對路燈照明系統的設計更多地考慮對能源的節約利用，這不僅是落實國家節能政策的重要內容，同時也是地方政府減少財政支出的有效途徑。

2 設計方案

2.1 系統組成

本系統包含后臺服務軟件、路燈系統網關和單燈控制器三部分。后臺服務軟件用于實現對路燈的開關控制、定時控制、故障提示等操作，簡化了管理成本，提高了管理效率;路燈系統網關用于轉發信息，既可以與后臺服務軟件通信，也可與單燈控制器通信，實現了后臺服務軟件控制單燈控制器和獲取單燈控制器采集數據的目的;單燈控制器用于控制路燈開關，采集一段時間內人或車流量并將數據發送給路燈系統網關，接收來自路燈系統網關的指令并作出相應處理。

2.2 系統設計

2.2.1 后臺服務軟件設計

后臺服務軟件使用Python語言編寫，路燈管理人員可通過管理軟件實現對路燈的關開，在減少人力巡查力度的同時提高了管理和維護效率。后臺服務軟件既可以對路燈控制器采集到的車（人）流量進行大數據處理，也可以將車（人）流量打印成報表，甚至利用大數據進行學習，使系統進行自我優化處理，實現路燈的智能化、現代化。

2.2.2 路燈系統網關電路設計

路燈系統網關由STM32F103系列單片機和無線通信模塊組成。路燈系統網關一方面要與后臺服務軟件通信，另一方面要與單燈控制器通信。由于兩邊的通信協議不同，所以采用的通信方式亦不同。

與后臺服務軟件通信時，根據路燈系統網關與安裝后臺服務軟件終端的距離選擇通信方式。遠距離可采用以太網方式;近距離可采用WiFi方式或有線連接方式。路燈系統網關通過WiFi接收來自后臺服務軟件的指令，處理后再轉發給單燈控制器。

ZigBee無線通信技術傳輸范圍為10～100 m，增加發射功率后，可增加到1～3 km。WiFi無線通信技術傳輸距離為10～100 m，且不容易延長傳輸距離。nRF24L01無線通信距離一般大于15 m，在增加發射功率和天線時，可增加到1 km以上。考慮成本及實際應用環境，本產品采用nRF24L01進行通信。路燈系統網關通過nRF24L01接收來自路燈控制器的數據后，再通過WiFi傳給后臺服務軟件。

2.2.3 單燈控制器電路設計

單燈控制器主要由STM32F103系列單片機、DS1302時鐘模塊、nRF24L01無線通信模塊、LED燈驅動電路、微波雷達感應開關、光敏開關等組成，結構如圖1所示。時鐘模塊和光敏開關用于判斷當前光照度，無線通信模塊用于與路燈系統網關進行數據交互，時鐘模塊和微波雷達感應開關用于采集人或車流量。

2.3 后臺服務軟件程序設計

使用Java語言編寫Android手機APP，通過點擊應用程序按鍵實現功能。通過手機控制無需配備額外的控制器，大大節省了管理成本。

2.3.1 路燈系統網關程序設計

路燈系統網關程序如圖2所示。

使用ESP8266 WiFi模塊與后臺服務軟件進行數據通信。接收數據后，根據接收到的數據做出相應處理。例如，接收到開啟所有路燈的命令，則處理函數將給所有無線路燈控制器發送開燈程序。當接收到無線路燈控制器發來的報警信號后，則通過WiFi發送數據程序至后臺服務軟件。

使用nRF24L01與單燈控制器進行數據通信，由于是一對多模式，每一個nRF24L01的接收地址和發送地址可相同，因此通過頻分復用實現數據的發送和接收。

路燈從常亮模式轉換為人或車來才亮模式時，需要設定人或車流量閾值。由于某些路段每天的人或車流量的曲線存在關聯性，所以可根據之前的人或車流量和當天之前時段的人或車流量估算下一時間段的人或車流量。然后再根據估算值判斷下一個時間段是否轉換模式。

2.3.2 單燈控制器程序設計

控制器需要與路燈系統網關進行數據通信，控制路燈關開，檢測路燈工作狀態，感應是否有人或車經過，采集人和車流量。路燈的開啟是光控和時控的結合。

使用nRF24L01和路燈系統網關進行數據通信時，單燈控制器充當從機。程序等待接收來自路燈系統網關的數據，然后根據接收到的數據做出相應處理。

使用MOS驅動電路控制路燈關開。根據當前需要，調整PWM波的占空比就可以實現路燈的關開及亮度的調節。

通過檢測MOS驅動電路在路燈亮時是否有電流通過來判斷路燈是否出現故障。通過MAX471電流檢測芯片把電流轉換為電壓，經AD采集獲知當前路燈狀態，若路燈出現故障，則發送信息給路燈系統網關。

考慮到路燈的照射距離等因素，選用一款感應距離合適的微波雷達。當人或車經過時，雷達模塊會反饋一個電壓信號，通過檢測該信號即可獲知是否有車或人經過。無線路燈控制器程序流程如圖3所示。

通過檢測微波雷達的信號和時鐘模塊的時間換算出該時間段的人或車流量。

通過DS1302獲取當前時間，通過光敏模塊獲取當前環境的亮暗情況，當兩者情況都滿足閾值條件時，開啟路燈。

當采集信號顯示路燈工作狀態不正常時，無線路燈控制器發送路燈故障信息給無線路燈網關。在軟件上使用外部中斷，以便快速反應、減少不必要的運算量。

3 創新點

（1）首次將大數據技術應用于路燈控制系統，實現智能化控制。

（2）用2.4G無線傳輸與WiFi技術將物物相連，實現多路燈的遠程控制和數據采集。

（3）系統具有自我學習功能。

（4）可感應控制路燈。

（5）可遠程控制管理，使故障維修更加快速便捷，降低管理成本。