應(yīng)用于智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)智能路燈系統(tǒng)

應(yīng)用于智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)智能路燈系統(tǒng)

摘要：節(jié)能減排是社會(huì)發(fā)展的必然要求，文章給出了應(yīng)用于智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)能夠按照智能電網(wǎng)的節(jié)能要求動(dòng)態(tài)地調(diào)整路燈的亮度，以完成節(jié)能目標(biāo)。文中同時(shí)提出了單車節(jié)能控制公式，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)節(jié)能效果進(jìn)行了驗(yàn)證，從而證明其符合智能電網(wǎng)的節(jié)能要求。

關(guān)鍵詞：

0引言

物聯(lián)網(wǎng)最先起源于1999年麻省理工學(xué)院(MIT)自動(dòng)識(shí)別中心提出的網(wǎng)絡(luò)無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)?2005年ITU在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)上正式提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念，并發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005:物聯(lián)網(wǎng)》ITU報(bào)告中指出將任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、連接任何人，擴(kuò)展到連接任何物品，萬(wàn)物的連接就形成了物聯(lián)網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)被提出之后引起了廣泛地關(guān)注，研究人員對(duì)其做了大量研究。從技術(shù)角度來(lái)看，文獻(xiàn)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)問(wèn)題，提出了一種面向物聯(lián)網(wǎng)傳感器采樣數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)庫(kù)集群系統(tǒng)構(gòu)架IoT-ClusterDB,為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢處理提供了一種可行的解決方案叫文獻(xiàn)研究物聯(lián)網(wǎng)的安全與隱私問(wèn)題，利用可信計(jì)算技術(shù)和雙線性對(duì)的簽密方法提出了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)安全傳輸模型，滿足了物聯(lián)網(wǎng)的ONS查詢及物品信息傳輸兩個(gè)環(huán)節(jié)的安全需求叫從應(yīng)用角度來(lái)看，文獻(xiàn)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于購(gòu)物引導(dǎo)系統(tǒng)，大大提高了工作效率，為了顧客節(jié)省等待時(shí)間。文獻(xiàn)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車電池高效有序的管理。文獻(xiàn)提出基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程智能家居控制系統(tǒng)，將家居中的電器產(chǎn)品連入網(wǎng)絡(luò)，真正實(shí)現(xiàn)了智能化。文獻(xiàn)針對(duì)多車道復(fù)雜車輛行駛狀況，借助物聯(lián)網(wǎng)解決方案提出利用改進(jìn)邊緣勢(shì)場(chǎng)函數(shù)來(lái)描述車輛行駛中動(dòng)態(tài)產(chǎn)生威脅關(guān)系的方法。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，路燈系統(tǒng)的功能越來(lái)越完善，智能化程度越來(lái)越高。而路燈系統(tǒng)所使用的傳感器如光強(qiáng)度傳感器、微波車輛檢測(cè)傳感器，不需要在所有的路燈上都安裝或者不需要安裝在路燈上。路燈節(jié)點(diǎn)與在其周圍分布的傳感器相互通信，構(gòu)成一個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，適合用物聯(lián)網(wǎng)方案來(lái)解決。

1物聯(lián)網(wǎng)路燈體系構(gòu)架

物聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)分為四層：感知識(shí)別層、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層、管理服務(wù)層和綜合應(yīng)用層［10］。在物聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)中，路燈節(jié)點(diǎn)（包括其中的各種檢測(cè)、報(bào)警裝置）、光傳感器、微波車輛檢測(cè)器、攝像頭構(gòu)成了傳感層。ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、Internet構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)層。管理服務(wù)層包括數(shù)據(jù)中心、控制中心服務(wù)器、智能手機(jī)、平板電腦等。綜合應(yīng)用層包括智能電網(wǎng)、智能交通網(wǎng)絡(luò)、智能路燈。

在感知識(shí)別層中，光傳感器用于檢測(cè)光照強(qiáng)度，對(duì)路燈進(jìn)行光控。由于相鄰路燈的光照強(qiáng)度基本相同，不需要每盞路燈都安裝光傳感器，系統(tǒng)中將路燈覆蓋區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，每區(qū)中安裝一個(gè)光傳感器即可。凌晨時(shí)車輛很少，系統(tǒng)用微博車輛檢測(cè)器檢測(cè)車輛的出現(xiàn)，然后適時(shí)開(kāi)啟路燈。路燈上的攝像頭采集道路交通信息，為智能交通提供數(shù)據(jù)支持。

網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層主要利用ZigBee、GPRS接入Internet。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和路由器將信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)RS232與GPRS模塊連接，GPRS通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將信息上傳給服務(wù)器。

管理服務(wù)層包括服務(wù)器、手機(jī)、平板電腦，通過(guò)這些設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將大規(guī)模數(shù)據(jù)高效可靠地組織起來(lái)，為上層應(yīng)用提供支持平臺(tái)。

在綜合應(yīng)用層中，物聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)與智能電網(wǎng)進(jìn)行交互,按照智能電網(wǎng)能耗要求進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)；同時(shí)系統(tǒng)將傳感器和攝像頭采集到的信息傳遞給交通管理系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)處理后用于交通管理。圖1為物聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)的構(gòu)架圖。

微波車輛檢測(cè)器攝像頭光傳感器電流互感器

圖1物聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)構(gòu)架圖

2物聯(lián)網(wǎng)路燈控制策略

凌晨車輛較少時(shí)，路燈系統(tǒng)不需要像傍晚車流量大時(shí)全功率開(kāi)啟工作，無(wú)車時(shí)可以以最低亮度進(jìn)行照明；而當(dāng)車輛出現(xiàn)時(shí)，由于車輛很少，也可以以低于標(biāo)準(zhǔn)的亮度進(jìn)行照明以節(jié)約能源。本文綜合考慮照明亮度和智能電網(wǎng)的節(jié)能要求，提出了物聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)的照明策略。

2.1系統(tǒng)工作流程及相關(guān)參數(shù)計(jì)算

（1）確定節(jié)能要求

系統(tǒng)首先由智能電網(wǎng)根據(jù)城市節(jié)能要求提出路燈系統(tǒng)期望能耗要求W，然后根據(jù)城市歷史車流量情況確定時(shí)刻t。在t之前車輛較多，路燈常亮；在t時(shí)刻之后車輛較少，路燈智能調(diào)節(jié)亮度。最后根據(jù)道路照明要求確定路燈常亮?xí)r的亮度4并通過(guò)轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算出能耗aA.

（2）智能調(diào)節(jié)時(shí)期期望能耗計(jì)算

t時(shí)刻之前路燈亮度不變，能耗也不變，路燈節(jié)能主要是在智能調(diào)節(jié)時(shí)期。定義W1為智能調(diào)節(jié)期間期望總能耗，定義T（n，n）為"1?n時(shí)刻之間的時(shí)間長(zhǎng)度。

（3）單車期望能耗計(jì)算

定義P為單車期望能耗,N為智能調(diào)節(jié)期間歷史平均車流量，N為第前n天智能調(diào)節(jié)時(shí)期總車輛數(shù)目。根據(jù)智能調(diào)節(jié)時(shí)期期望總能耗償和車輛歷史數(shù)據(jù)，可以確定智能調(diào)節(jié)期間每輛車經(jīng)過(guò)時(shí)期望的能耗。

（4）單車動(dòng)態(tài)能耗計(jì)算

每天智能調(diào)節(jié)時(shí)期經(jīng)過(guò)的車輛一般與歷史平均數(shù)據(jù)不同，若車輛經(jīng)過(guò)時(shí)以單車期望能耗對(duì)應(yīng)的亮度照明，最終無(wú)法達(dá)到智能電網(wǎng)的能耗要求，所以要?jiǎng)討B(tài)地調(diào)節(jié)路燈亮度。調(diào)節(jié)思想是，若當(dāng)天智能調(diào)節(jié)時(shí)期車輛較多，路燈亮度就低一點(diǎn)（不能低于下限）；若車輛較少，路燈亮度就高一點(diǎn)，用第n輛車出現(xiàn)的早晚來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)天車流量的大小。定義Q1為路燈亮度下限所對(duì)應(yīng)的能耗，即出于安全考慮，路燈亮度不能低于Q1所對(duì)應(yīng)的亮度。定義Q為單車動(dòng)態(tài)能耗,/為波動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)，，“為第n輛車出現(xiàn)的時(shí)刻。用當(dāng)天的T（t，tn）與歷史平均數(shù)據(jù)T（t，t）比較，預(yù)測(cè)當(dāng)天車流量情況。若當(dāng)天車輛較多超出了歷史數(shù)據(jù)，則超出的車輛以Q1對(duì)應(yīng)的亮度進(jìn)行照明。定義n{Tw（t,t?））為TO所對(duì)應(yīng)n的值。

2.2能耗曲線

對(duì)于通過(guò)PWM方式調(diào)光的LED光源，其能耗正比于亮度，假設(shè)比例系數(shù)為a智能電網(wǎng)對(duì)路燈系統(tǒng)能耗的要求為W,路燈從傍晚18點(diǎn)鐘點(diǎn)亮，一直持續(xù)到第二天早晨6點(diǎn)。18點(diǎn)到f點(diǎn)由于車輛較多，路燈以標(biāo)準(zhǔn)亮度A持續(xù)照明，，點(diǎn)到6點(diǎn)車輛很少路燈釆取動(dòng)態(tài)照明。當(dāng)t確定后，，到6點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)的能耗也可確定。無(wú)車時(shí)路燈以aA的亮度照明(a為無(wú)車狀態(tài)亮度下限系數(shù)，0WaV1)。有車經(jīng)過(guò)時(shí)路燈以陽(yáng)的亮度進(jìn)行照明(成為可變參數(shù)，根據(jù)智能電網(wǎng)對(duì)路燈的能耗要求以及實(shí)際工作情況來(lái)確定，0V&V1)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)路燈亮度，但車輛經(jīng)過(guò)時(shí)若路燈亮度過(guò)低會(huì)造成安全隱患，所以定義YA為有車時(shí)最低照明亮度。系統(tǒng)的能耗曲線如圖2所示。

3實(shí)驗(yàn)與仿真

為測(cè)量物聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)實(shí)際能耗與期望能耗之間的誤差，本文對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測(cè)試。N=30,并且由于在智能控制期間車輛出現(xiàn)的時(shí)刻完全是隨機(jī)的，認(rèn)為30天的平均數(shù)據(jù)汽車是等時(shí)間間隔出現(xiàn)的,則汽車出現(xiàn)的時(shí)刻為0.204,0.6,…,6。

每組實(shí)驗(yàn)需要產(chǎn)生2次隨機(jī)數(shù)，第一次產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)n,表示當(dāng)天智能控制期間出現(xiàn)的車輛數(shù)，25VnW35。第二次產(chǎn)生n個(gè)隨機(jī)數(shù)，表示車輛出現(xiàn)的時(shí)刻，隨機(jī)數(shù)范圍為(0,6]?？偣策M(jìn)行130組實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出每次試驗(yàn)實(shí)際功耗與期望功耗之間的誤差。正數(shù)表示實(shí)際功耗超過(guò)期望功耗，負(fù)數(shù)表示實(shí)際功耗低于期望功耗，并將誤差累加，觀測(cè)較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)總功耗是否能達(dá)到期望功耗。前30組實(shí)驗(yàn)?zāi)芎恼`差如圖3所示,正數(shù)表示超過(guò)期望能耗，負(fù)數(shù)表示低于期望能耗。從圖中可知單組實(shí)驗(yàn)誤差較大，最大超過(guò)30%。將30組實(shí)驗(yàn)誤差累加,得出一月內(nèi)的總的累計(jì)誤差，分別為25.4%、13.92%、1.41%。進(jìn)行130組實(shí)驗(yàn)時(shí)，累計(jì)誤差分別為6.52%、3.95%、1.05%,圖3實(shí)驗(yàn)誤差曲線

4結(jié)語(yǔ)

本文提出的應(yīng)用于智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)能夠根據(jù)車流量和智能電網(wǎng)能耗要求智能地調(diào)節(jié)路燈亮度，實(shí)驗(yàn)仿真顯示系統(tǒng)的累計(jì)誤差較小，能夠符合實(shí)際的工程要求。論文提出的單車動(dòng)態(tài)能耗計(jì)算公式中參數(shù)A取值分別為5%、10%、15%,后續(xù)的研究中可以嘗試對(duì)/進(jìn)行動(dòng)態(tài)取值，以求達(dá)到更好的調(diào)光和節(jié)能效果。仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，認(rèn)為30天平均歷史數(shù)據(jù)中汽車是等時(shí)間間隔出現(xiàn)，可能會(huì)與實(shí)際情況有所差別，接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中可以對(duì)平均歷史數(shù)據(jù)汽車出現(xiàn)時(shí)刻進(jìn)行隨機(jī)模擬，以更好地貼近實(shí)際情況。

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