大数据理念层次化节电控制系统

李芳 李哲康 吴旭阳 李卓然 靳召雪

摘 要：为节约耗电，构建节约型社会，文中设计了一款大数据理念层次化节电控制系统。系统采集一段时间内人或车流量并将数据发送给路灯系统网关，实现对路灯的开关控制、定时控制、故障提示等，不仅方便系统维护，还能减少政府财政支出。

关键词：大数据;节电控制

1 研究背景

据统计，中国路灯有2 800万～3 000万盏。近几年路灯每年增长速率为15%～20%，约300万～600万盏。在我国照明耗电中，城市路灯照明占我国照明耗电约30%，年用电约850亿千瓦时，折合标准煤约3 000万吨，每年市政路灯照明的开支就高达550亿元。在节能减排已成为国策的今天，对路灯照明系统的设计更多地考虑对能源的节约利用，这不仅是落实国家节能政策的重要内容，同时也是地方政府减少财政支出的有效途径。

2 设计方案

2.1 系统组成

本系统包含后台服务软件、路灯系统网关和单灯控制器三部分。后台服务软件用于实现对路灯的开关控制、定时控制、故障提示等操作，简化了管理成本，提高了管理效率;路灯系统网关用于转发信息，既可以与后台服务软件通信，也可与单灯控制器通信，实现了后台服务软件控制单灯控制器和获取单灯控制器采集数据的目的;单灯控制器用于控制路灯开关，采集一段时间内人或车流量并将数据发送给路灯系统网关，接收来自路灯系统网关的指令并作出相应处理。

2.2 系统设计

2.2.1 后台服务软件设计

后台服务软件使用Python语言编写，路灯管理人员可通过管理软件实现对路灯的关开，在减少人力巡查力度的同时提高了管理和维护效率。后台服务软件既可以对路灯控制器采集到的车（人）流量进行大数据处理，也可以将车（人）流量打印成报表，甚至利用大数据进行学习，使系统进行自我优化处理，实现路灯的智能化、现代化。

2.2.2 路灯系统网关电路设计

路灯系统网关由STM32F103系列单片机和无线通信模块组成。路灯系统网关一方面要与后台服务软件通信，另一方面要与单灯控制器通信。由于两边的通信协议不同，所以采用的通信方式亦不同。

与后台服务软件通信时，根据路灯系统网关与安装后台服务软件终端的距离选择通信方式。远距离可采用以太网方式;近距离可采用WiFi方式或有线连接方式。路灯系统网关通过WiFi接收来自后台服务软件的指令，处理后再转发给单灯控制器。

ZigBee无线通信技术传输范围为10～100 m，增加发射功率后，可增加到1～3 km。WiFi无线通信技术传输距离为10～100 m，且不容易延长传输距离。nRF24L01无线通信距离一般大于15 m，在增加发射功率和天线时，可增加到1 km以上。考虑成本及实际应用环境，本产品采用nRF24L01进行通信。路灯系统网关通过nRF24L01接收来自路灯控制器的数据后，再通过WiFi传给后台服务软件。

2.2.3 单灯控制器电路设计

单灯控制器主要由STM32F103系列單片机、DS1302时钟模块、nRF24L01无线通信模块、LED灯驱动电路、微波雷达感应开关、光敏开关等组成，结构如图1所示。时钟模块和光敏开关用于判断当前光照度，无线通信模块用于与路灯系统网关进行数据交互，时钟模块和微波雷达感应开关用于采集人或车流量。

2.3 后台服务软件程序设计

使用Java语言编写Android手机APP，通过点击应用程序按键实现功能。通过手机控制无需配备额外的控制器，大大节省了管理成本。

2.3.1 路灯系统网关程序设计

路灯系统网关程序如图2所示。

使用ESP8266 WiFi模块与后台服务软件进行数据通信。接收数据后，根据接收到的数据做出相应处理。例如，接收到开启所有路灯的命令，则处理函数将给所有无线路灯控制器发送开灯程序。当接收到无线路灯控制器发来的报警信号后，则通过WiFi发送数据程序至后台服务软件。

使用nRF24L01与单灯控制器进行数据通信，由于是一对多模式，每一个nRF24L01的接收地址和发送地址可相同，因此通过频分复用实现数据的发送和接收。

路灯从常亮模式转换为人或车来才亮模式时，需要设定人或车流量阈值。由于某些路段每天的人或车流量的曲线存在关联性，所以可根据之前的人或车流量和当天之前时段的人或车流量估算下一时间段的人或车流量。然后再根据估算值判断下一个时间段是否转换模式。

2.3.2 单灯控制器程序设计

控制器需要与路灯系统网关进行数据通信，控制路灯关开，检测路灯工作状态，感应是否有人或车经过，采集人和车流量。路灯的开启是光控和时控的结合。

使用nRF24L01和路灯系统网关进行数据通信时，单灯控制器充当从机。程序等待接收来自路灯系统网关的数据，然后根据接收到的数据做出相应处理。

使用MOS驱动电路控制路灯关开。根据当前需要，调整PWM波的占空比就可以实现路灯的关开及亮度的调节。

通过检测MOS驱动电路在路灯亮时是否有电流通过来判断路灯是否出现故障。通过MAX471电流检测芯片把电流转换为电压，经AD采集获知当前路灯状态，若路灯出现故障，则发送信息给路灯系统网关。

考虑到路灯的照射距离等因素，选用一款感应距离合适的微波雷达。当人或车经过时，雷达模块会反馈一个电压信号，通过检测该信号即可获知是否有车或人经过。无线路灯控制器程序流程如图3所示。

通过检测微波雷达的信号和时钟模块的时间换算出该时间段的人或车流量。

通过DS1302获取当前时间，通过光敏模块获取当前环境的亮暗情况，当两者情况都满足阈值条件时，开启路灯。

当采集信号显示路灯工作状态不正常时，无线路灯控制器发送路灯故障信息给无线路灯网关。在软件上使用外部中断，以便快速反应、减少不必要的运算量。

3 创新点

（1）首次将大数据技术应用于路灯控制系统，实现智能化控制。

（2）用2.4G无线传输与WiFi技术将物物相连，实现多路灯的远程控制和数据采集。

（3）系统具有自我学习功能。

（4）可感应控制路灯。

（5）可远程控制管理，使故障维修更加快速便捷，降低管理成本。