基于交通流检测的路灯节能监控系统设计

刘乃铭，赵庶旭，党建武

（兰州交通大学 甘肃 兰州 730070）

路灯监控系统是路灯系统中由来已久的研究课题。目前，路灯监控系统普遍使用的控制方式是手动、钟控和光控，路灯设施的维护和管理采用人工巡检方式，监控手段粗放落后；在后半夜车流量大幅减少时，绝大多数路灯依然保持着最大功率运行，造成了极大的能源浪费。

基于以上原因，本文设计了一套基于交通流检测的路灯节能监控系统，将交通流信息采集和路灯节能监控系统联系起来，实现自动开关灯、调节路灯的功率，从而达到路灯节能的优化控制效果。

1 系统总体设计

本系统采用监控中心、监控子站和监控终端的三层结构，如图1所示。监控中心和监控子站之间采用GPRS无线通信方式传递信息，交通流采集节点通过RFID技术实时采集交通流量信息，并与监控子站间采用有线的方式传递信息，监控子站和路灯节点之间采用ZigBee无线通信方式传递信息，从而形成一个大范围的区域控制网络。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the streetlight energy-saving control system

2 基于RFID的交通流检测子系统

在道路系统的选定地点或选定路段，为收集有关车辆运行情况数据而进行的调查分析工作称为交通调查。交通调查的对象主要是交通流现象的各参数，其使用的技术称为交通检测技术[1]。传统的交通检测技术主要有环形线圈检测、地磁感应检测、视频检测、红外对射检测等。目前我国城市广泛采用的环形线圈检测技术[2]对检测车辆是可行的，但由于其安装时会造成对路面的损坏，且维护不便，故线圈检测器使用效率并不高。取而代之的是基于视频图像处理的交通流信息检测，这种检测技术对于非专业用户而言过于复杂；另外，图像处理算法用硬件实现，虽然提高了处理速度，但同时增大了系统的规格和价格。本系统将RFID技术引入到系统交通流检测子系统中，可有效地避免环形线圈检测和视频检测的缺点，而基于RFID技术本身的优点，使得基于RFID的交通流检测可以获取到的信息量大大增加。

2.1 子系统工作原理

基于RFID的交通流检测子系统主要工作原理如下：在十字交叉路东西南北四个方向的车辆入口处布设RFID阅读器和天线。当装有RFID射频标签的车辆进入天线感应区域时，阅读器发射一定频率的无线电能量给电子标签，用以驱动RFID标签电路将车辆数据送出；天线接收到标签发送来的信息，经天线调节器传送到阅读器，阅读器读取信号并对其进行处理。当检测到车辆通过时，内置计数器自动加一，周而复始阅读器就会记录一个周期内（本文设为15 min）通过的车辆总数，再将这一数据传送给监控子站，将该数据导入到交通流预测系统，由当前周期的交通流量、历史交通流量和交通流预测系统预测出下一个周期（下一个15 min）的交通流量，将预测出的交通流量与设置好的交通流阈值进行比较，得出路灯节能策略。

2.2 子系统结构

RFID系统通常由应用主机、阅读器和标签组成，阅读器通过无线通信方式获得标签信息，实时识别携带该标签的对象，识别过程无需人工干预。UHF 860~960 MHz频段的RFID阅读器具有阅读距离远、读卡速度快等优点，支持多个阅读器在同一小区内组网工作，不互相干扰，并能同时识别多张标签而广泛应用[3]。基于以上原因，本文使用UHF RFID阅读器和UHF RFID射频标签来检测交通流量。

基于RFID的交通流检测子系统主要由3部分组成：车载标签，道路入口阅读器和监控子站。

1）车载标签：车载标签采用了特高频的射频卡，安装于车辆上，相当于车辆的电子标签。当车辆进入阅读器天线读取范围时，车载标签会接收阅读器传来的射频波，激发其内部电路并主动返回标签内部信息给阅读器。

2）道路入口阅读器：由于实际道路上交通信号灯是布设在东西南北四个方向车辆入口处的，故本文从实际出发将阅读器布设在各个交通信号灯支架立柱上，将天线布设在支架的横梁上，天线朝向向下，每个车道布设一个天线，读取道路入口处的总交通流量。对于本系统而言，阅读器在读取到车载标签的信息后，其内部计数器自动加1，以15 min为一个计数周期，到15 min后计数器自动归0，重新记录交通流量。

阅读器的读取是常发性行为，其读取频率由天线范围和道路限速共同决定，三者之间的关系为：

式中，f为频率（Hz），V 为路段设计限速（km/h），D 为天线范围长度（m）。

阅读器要能够读到该道路上所有车辆，则V应该至少取道路上的最大可能限速。例如D为10 m，最大可能车速V为60 km/h，则f至少为1.66 Hz，即最多0.6 s读一次。显然，阅读器读取频率越大，所获得的数据越逼近真实数值，误差也越小[4]。

3）监控子站：监控子站布设在十字路口的路边，阅读器每隔15 min向监控子站发送一次数据，该数据作为单向道路的当前交通流，监控子站微处理器进行运算，采用自适应神经网络算法预测未来15 min的交通流量情况，并最终得出路灯节能策略。

3 基于交通流检测的路灯节能监控系统

本系统由监控中心依据在城市特定位置采集到的实时照度信息来决定全市路灯统一开关时间。当检测到环境照度超过我们设定的开关灯临界照度值时，监控中心发送开灯指令，通过GPRS网络传输给各个监控子站，监控子站接收到开灯指令后立即结束休眠状态，并将开灯指令转发给各个路灯节点，并激活基于RFID的交通流检测子系统开始工作，检测交通流信息，刚开灯时的第一个周期（15 min）路灯按照最大功率运行，待第一个周期（15 min）结束时，交通流检测子系统会将交通流信息传递给监控子站，监控子站将节能策略转化为ZigBee指令信息发送到各个路灯终端节点，进而通过调节功率（亮度）来实现节能。

3.1 系统硬件设计

系统硬件主要包括监控子站和路灯节点两部分的设计。

监控子站硬件主要由主控芯片三星S3C6410、GPRS通信模块 H7200、ZigBee通信模块 CC2530、RFID 模块 M6e、触摸屏显示模块和电源模块等组成。监控子站硬件结构图如图2所示。

图2 监控子站硬件结构图Fig.2 Structure diagram of the control station hardware system

GPRS无线通信模块是各个监控子站和监控中心之间数据传输的桥梁。本系统GPRS模块选用的是宏电生产的H7200模块，H7200通过串口RS-232与S3C6410主控芯片相连。该模块是一款高速GPRS/EDGE模块，最大下行速度达到384 kbps，支持850/900/1 800/1 900 MHz 4种频段。H7200模块和其外围电路匹配后完全可以进行远距离GPRS通信，并且可以在-30~75℃的恶劣环境中工作。

RFID模块用来实时检测车流量信息，并通过UART或者USB接口将信息传输到监控子站。由于在检测时会有多个阅读器在同区域进行采集，故本系统采用ThingMagic公司生产的M6e UHF RFID阅读器。M6e UHF RFID模块支持ISO 18000-6C（EPC G2）和 ISO 18000-6B协议，每个M6e阅读器可同时外接4根天线，每秒钟可同时识读大于400个标签，工作温度在-40~60℃之间，RF输出在5 dBm到31.5 dBm之间。

ZigBee是一种新型的近距离、低速率、低功耗、低成本、短时延的自组织无线网络技术[5]。本系统ZigBee射频模块采用的是TI生产的2.4 GHz单芯片CC2530无线单片机，通过UART接口与S3C6410主控芯片相连。CC2530内部已集成了一个8051微处理器与高性能的RF收发器。CC2530能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点，拥有较大的Flash，其存储容量多达 256KB，它是理想的 ZigBee专业应用芯片[6]。

路灯节点硬件由控制模块、信息采集模块、ZigBee通信模块和电源模块组成。控制模块以STC生产的89C58芯片为核心，信息采集模块采用HCT206B电流互感器，ZigBee通信模块采用CC2530芯片。通过HCT206B采集路灯电流信息，并通过CC2530传至监控子站，监控子站传来的亮度调节命令在控制模块解码后，经PWM控制来实现精确的恒流控制，调节路灯功率并实现节能。

3.2 系统软件设计

系统软件主要包括GPRS模块、RFID模块、ZigBee模块和监控子站的软件设计。

3.2.1 GPRS模块软件设计

本模块在采用宏电的H7200实现远程数据通信后，解决了监控中心和监控子站之间的通信问题。H7200通过AT指令进行相应的控制，数据传输采用TCP/IP协议的报文。GPRS可以在有效的范围内实现即时收发数据而无需拨号建立连接[7]。GPRS这种工作原理完全满足本系统功能并方便软件开发。

GPRS通信终端软件设计部分可分为系统初始化模块、网络建立模块、数据发送模块、数据接收模块和串口发送模块。其流程图如图3所示。

图3 GPRS终端软件流程图Fig.3 The flow chart of the GPRSterminal software

3.2.2 RFID模块软件设计

本模块采用ThingMagic公司的M6e UHF RFID模块实现交通流检测，M6e阅读器在监控子站监控下进行工作，该系统与监控子站之间形成主从通信模式。主控模块上电完成初始化过程后，进入待机状态，等待监控子站发来检测交通流指令，当接收到监控子站指令后，按照主控程序进行交通流信息检测工作。处理完毕后，将交通流信息送回监控子站。基于RFID的交通流检测程序流程图如图4所示。

图4 基于RFID的交通流检测流程图Fig.4 The flow chart of the traffic flow detection based on RFID

3.2.3 ZigBee模块软件设计

本模块采用TI公司生产的CC2530模块，来实现实时收发路灯节点和监控子站之间的信息。监控子站和ZigBee模块通过UART接口相连，并通过各个充当ZigBee路由节点的路灯节点把控制指令转发下去，一直到每条道路的路灯终端节点。由于在实际的系统运行中，要将监控命令和相应的路灯对应起来，这就要求各个路灯节点需要在加入网络后把自己的网络地址发送给监控子站，监控子站接收到各个路灯节点的网络地址后建立地址表并存储，以便控制命令能够准确发到确定的路灯，每盏路灯的信息也能实时传送到监控子站，最终上传至监控中心。本系统各个ZigBee模块软件设计流程图如图5所示。

图5 ZigBee模块软件设计流程图Fig.5 The flow chart of the ZigBee terminal software design

3.2.4 监控子站软件设计

当整个系统上电后，监控子站建立和维护ZigBee网络的运行，各节点按照入网的先后获得一个网络地址，并将网络地址传给监控子站，监控子站存储各网络节点地址并建立地址表。当一定时间内不再有新的节点加入并且地址数目与所在子网内节点总数相同时，监控子站默认本区ZigBee子网建立完成，随后监控子站通过GPRS网络把节点的地址发给监控中心，由监控中心进一步处理并存储，数据包传输采用基于TCP/IP的命令包方式，GPRS模块会把接收到的数据通过串口RS-232发送给监控子站。监控中心会通过各个路灯节点传回来的信息实时更新，结合具体参数判定路灯故障与否，并最终显示在监控子站触摸显示屏上。图6是设计出的监控子站路灯实时信息查询数据库，通过该库可以获得路灯故障情况，便于维修。

图6 路灯实时信息查询数据库图Fig.6 Database diagram of streetlight real-time information query

4 结 论

本设计在已有路灯监控系统基础上引入了交通流检测的节能思想，并采用基于光照度和交通流两信息决策的路灯自动节能监控系统，将RFID技术与ZigBee技术、GPRS技术结合在一起，在保证行车安全的前提下提高了路灯节能水平。此外本系统还可以推广到高速公路、隧道公路等其他交通道路路灯的控制，在路灯监控领域有着广泛的应用前景。

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