Inteligentny system oświetlenia ulicznego

Także w razie na przykład jasnego oświetlenia księżycowego w nocy jasność lamp może być odpowiednio dla oszczędności energii ściemniana w zależności od warunków pogodowych, z uwzględnieniem wpływu mgły czy deszczu albo ustalonych uprzednio reguł. System gwarantuje również sprawną rejestrację danych, co ułatwia planowanie ewentualnej rozbudowy systemu. Inteligentny system oświetleniowy bardzo korzystnie wspomaga zarządzanie budżetem gospodarki miejskiej.

Artykuł prezentuje opracowane rozwiązanie inteligentnego systemu oświetleniowego firmy STMicroelectronics. Lampy uliczne tego systemu są podzielone na komunikujące się między sobą grupy, z których aktualne dane oświetleniowe są dostarczane do lokalnego koncentratora.

Koncentrator je porządkuje i przesyła zwykle za pośrednictwem cyfrowego modemu telefonii komórkowej do zabezpieczonego serwera, skąd są dostępne przez przeglądarkę internetową. Serwer dołącza przy tym do tej transmisji dodatkową warstwę, służącą do dwustronnej łączności. Taki inteligentny system umożliwia zdalne sterowanie i zarządzanie oświetleniem z równoczesnym obserwowaniem pobieranej przez lampy i układy sterujące energii.

Inteligentna oprawa

Rys. 1. Inteligentny system oświetlenia ulicznego

Podstawowym składnikiem inteligentnego systemu oświetleniowego jest inteligentna oprawa lampowa. Składa się ona z trzech bloków: zasilacza służącego do wysoko sprawnego zasilania lamp, interfejsu komunikacyjnego, łączącego zespoły w cyfrowo monitorowaną bezpieczną i niezawodną sieć oraz dołączanych opcjonalnie rozmaitych inteligentnych czujników, monitorujących warunki pogodowe, zanieczyszczenie powietrza.

Zadaniem inteligentnego systemu oświetleniowego jest nie tylko oświetlanie ulic. W zależności od rodzaju nawierzchni musi on panować nad jaskrawością oświetlenia, jego ściemnianiem, jednorodnością, odblaskami, zapewniając kierowcom i pieszym maksymalnie bezpieczną widoczność. Dlatego stosuje się w nim wysokiej jakości źródła światła, jak lampy wyładowcze HID i LED o dużej intensywności świecenia.

Najważniejszym elementem inteligentnej lampy jest zapłonnik lub zasilacz. Zapłonniki lamp HID zapewniają im dużą żywotność przy stabilnej jaskrawości i oszczędnym zużyciu energii. Dotyczy to zarówno lamp dużej mocy (150-250 W), jak średniej i małej (35-70 W). Do zasilania jednołańcuchowych lub wielołańcuchowych zespołów lamp LED stosuje się z kolei zasilacze o różnej mocy, przystosowane do aplikacji zewnętrznych, z elektryczną izolacją lub bez. Do sterowania lampami HID i LED używa się zwykle inteligentnych układów cyfrowych, najczęściej mikrokontroler 8- lub 32-bitowy obsługuje wszystkie niezbędne funkcje sterowania i zarządza danymi inteligentnej sieci oświetlenia ulicznego.

Systemy te mogą być obsługiwane bądź za pośrednictwem łączności przewodowej, bądź bezprzewodowej, w wielu sprawdzonych standardach komunikacyjnych. Opcja przewodowa może być zrealizowana w systemie sterowania i monitorowania za pośrednictwem elektrycznej sieci energetycznej.

W systemie tym można stosować rozmaite moduły i modulacje (B-SFK, S-FSK, B-PSK, Q-PSK czy 8-PSK). Opcję bezprzewodową można bezpiecznie i niezawodnie zrealizować w standardzie ZigBee. W obu opcjach, przewodowej i bezprzewodowej, łączność jest dwukierunkowa, a monitorujący system może wysyłać i odbierać informacje oraz polecenia do i od każdej z lamp.

Dane o stanie lampy, pobieranej przez nią energii, jej pozycji oraz zależne od pory dnia informacje o warunkach drogowych i aktualnym poziomie oświetlenia naturalnego są gromadzone w klastry i wysyłane do centralnego ośrodka obsługi, w którym są monitorowane i który generuje polecenia ściemniania, włączania i wyłączania.

Ważnym elementem inteligentnego systemu oświetlenia ulicznego jest prawidłowa ocena. Co się dzieje, gdy stanowisko lampowe przestanie działać albo gdy zostanie odchylone od prawidłowej pozycji np. przez padający śnieg? Bez informacji od przechodnia, nie wiadomo. Detekcję nachylenia lub upadku stanowiska może zapewnić czujnik MEMS. Do tego zadania najlepiej nadaje się wysokiej jakości trójosiowy nanoakcelerometr ultramałej mocy. Takie działające w czasie rzeczywistym rozwiązanie poprawia bezpieczeństwo drogowe, a zarazem obniża koszty obsługi i serwisu.

Protokół sieciowy PLM

Rys. 2. Struktura oprogramowania sprzętowego modemu linii elektroenergetycznej

System inteligentnego oświetlenia firmy STMicroelectronics jest siecią, złożoną z modemów sieci energetycznej (PLM), zwanych dalej węzłami. Te modemowe węzły są rozmieszczone wśród stanowisk lampowych i łączą je z zasilaniem. Jeden z węzłów modemowych jest używany w roli koncentratora danych i zwykle mieści się w trójfazowej skrzynce rozdzielczej, zasilającej grupę stanowisk lampowych. Zatem koncentrator i wszystkie węzły łączy wspólna linia zasilająca, używana również w roli kanału łączności do przesyłania danych i poleceń.

W opisywanej aplikacji koncentrator jest sterowany przez Zdalne Centrum Obsługi (RSC) za pośrednictwem modemu GPRS. Wszystkie informacje ze stanowisk lampowych - pobór, stan i błędy - a także informacje o samej skrzynce - temperatura otoczenia i stan odłączników - są przekazywane do RSC i tam przechowywane w bazie danych.

Serwer internetowy pozwala poprzez RSC analizować te dane i zdalnie wykonywać wiele akcji: zmianę harmonogramu oświetlenia włączania/wyłączania/ściemniania, ręczne włączanie, wyłączanie czy ściemnianie lamp, zmianę ustawień wewnętrznego sygnału zegarowego modemów. Sieć została logicznie zaprogramowana w postaci struktury masterslave, w której koncentrator danych jest traktowany jako urządzenie nadrzędne, a każdy węzeł jako podrzędne. Ale każde z urządzeń może zainicjować połączenie, stając się masterem, a docelowy węzeł, z których każdy ma unikalny identyfikator (ID), staje się slave'em.

Dowolny z węzłów może także działać w roli regeneratora (repeatera) danych bez jakichkolwiek dodatkowych funkcji programowych. Zwiększa to niezawodność sieci i prawdopodobieństwo bezbłędnego przekazywania danych od urządzenia nadrzędnego do podległego, nawet w trudnych warunkach działania sieci.

Jednakże współistnienie więcej niż jednego urządzenia nadrzędnego i większej liczby regeneratorów stwarza potrzebę zapobiegania kolizjom danych. Połączenia mogłyby bowiem być inicjowane równocześnie przez więcej niż jedno urządzenie i zakłócać się wzajemnie. Zagrożenie to może być usuwane na dwa sposoby.

Jeden z nich, wielokrotny dostęp z wykrywaniem nośnej i detekcją kolizji (CSMA/CD), jest używany, gdy każda kolizja jest wykrywana sprzętowo w czasie transmisji danych. Drugi, wielokrotny dostęp z wykrywaniem nośnej i unikaniem kolizji (CSMA/CA) - opisany w niniejszym artykule - jest używany, gdy sprzęt nie jest zdolny do detekcji kolizji.

Realizacja mechanizmu unikania konfliktów wymaga od PLM sprzętowego uaktywniania stanów "back-off time" i "band in use" (BU). Przed zainicjowaniem połączenia każde urządzenie odczekuje na zwolnienie pasma, sprawdzając swoją flagę BU, a gdy pasmo jest wolne, oblicza losowy back-off time. Gdy ten czas upłynie, a pasmo pozostaje nadal wolne, rozpoczyna się transmisja. W przeciwnym przypadku pętla zaczyna od początku (czekając na BU i ponownie obliczając "back-off time").

Wymiana danych pomiędzy wszystkimi przyłączonymi do tej samej linii sieci energetycznej węzłami obejmuje także mechanizm potwierdzania odbioru ramki danych. Dzięki temu urządzenie nadrzędne jest powiadamiane o poprawnym odbiorze przez węzeł docelowy każdej wysłanej ramki danych. Potwierdzanie to nie obejmuje niektórych ramek danych, rozsyłanych przez urządzenie nadrzędne.

Potwierdzanie zwiększa prawdopodobieństwo dotarcia ramki danych do węzłów odległych lub w zakłócanej sieci. Gdy wszystkie pozostałe węzły są przyłączone do tej samej linii energetycznej, nieustannie czuwają i przechwytują wszystkie dane przez nią przepływające. W zależności od urządzenia adresującego i przepływu ramek danych/potwierdzeń, każdy węzeł może rozpoznać, czy dana ramka ma zostać powtórzona, pominięta czy przetworzona. Dzięki technice identyfikacji (ID ramki) i wyprzedzającej redundancji błędu (FEC) unikane są cykliczne powtórzenia lub straty danych, powodujące ich zbędny ruch.

Kod sprzętowy i GUI PC

Rys. 3. Przepływ danych w przypadku powtórzenia

Sprzętowe oprogramowanie sieci składa się z kilku warstw, z których każdej są przypisane inne zadania. Górna warstwa implementuje w tym przypadku protokół oświetlenia ulicznego. Do modemu można wysyłać ramki trzech typów. Typ pierwszy to ramki danych, zawierające dane od użytkownika (włącz, wyłącz lampę, ściemnij) i parametry odczytane z zasilacza lampy (moc, napięcie, temperatura otoczenia lampy).

Typ drugi to ramki programujące, zawierające parametry programowania węzła (adres węzła i dane od użytkownika do zapisania w pamięci Flash). Typ trzeci to ramki serwisowe, zawierające parametry stosu PLM wraz z powtórzeniami danych ustawienia taktowania sygnału zegarowego węzła. Ramki serwisowe zawierają także parametry ustalające sposób działania węzła, zależne od implementowanego sposobu działania sieci (na przykład tryb powtórzeń, z potwierdzeniem czy bez, sposób rozsyłania).

Wysyłaniem ramek zajmuje się silnik aplikacji, obsługujący przekazywanie informacji do węzłów. Ramki danych z danymi od użytkownika silnik przekazuje z poziomu użytkownika na poziom stosu PLM. Tu informacje od użytkownika są po kompresji i dołączeniu takich niezbędnych informacji, jak FEC i CRC, wysyłane do PLM. Jeżeli PLM odbierze odpowiednie pakiety danych, są one przetwarzane w stosie. FEC służy w razie potrzeby do korekcji danych, CRC również, a poprawne dane są po zdekodowaniu przesyłane do silnika w celu przetworzenia i zaadresowania. Stos PLM zarządza bezpośrednio powtórzeniami i potwierdzaniem.

Jeśli urządzenie docelowe nie potwierdzi ramki danych, każdy sąsiedni węzeł z uaktywnioną funkcją powtórzeń, który odczytał przepływającą ramkę danych, prześle ją dalej, po potwierdzonym upływie czasu, o ile pasmo nie zostało zajęte. Ten mechanizm powtórzeń, zarządzany bezpośrednio przez silnik stosu PLM, jest uruchamiany w stosunku do każdego węzła, aż do potwierdzenia ramki danych albo jej powtórzenia przez każdy węzeł. Mechanizm powtórzeń obejmuje również ramkę potwierdzenia, jeśli urządzenie nadrzędne jej nie otrzyma.

Każda warstwa oprogramowania sprzętowego dodaje do ramki swoje informacje, zatem każde sto bajtów danych od użytkownika wzrasta do ponad dwustu na poziomie linii zasilania. Wzrost ten jest przede wszystkim skutkiem dodawania redundancji FEC do każdego bajtu, gdy tylko dotrze on do docelowego węzła. Ale dzięki temu ruch w sieci jest redukowany, ponieważ algorytm FEC może poprawiać przekłamane informacje.

Każda ramka zawiera także adres docelowy, adres źródła i inne parametry. Wśród nich może być bajt flagi oznaczający model sieci (flaga sygnalizuje, czy powtórzenie może zostać dla tej ramki pominięte, względnie czy potwierdzenie jest oczekiwane), ID ramki dla uniknięcia wielokrotnych powtórzeń tej samej ramki, bajty CRC16, nagłówek modemu i bajt kończący.

Innym mechanizmem związanym z powtórzeniami jest skakanie (hopping). Poziom przeskoku jest jednym z definiowanych przez użytkownika parametrów PLM, używanym do ustalania hierarchii powtórzeń. Jeśli ramka ma być powtórzona, ale poziom przeskoku jest niższy niż zapisany w parametrach PLM, ramka nie zostanie przesłana dalej. Hierarchia jest zwykle ustalana w zależności od dystansu i warunków szumowych w otoczeniu. Im węzeł przygotowany do powtórzenia znajduje się bliżej koncentratora, tym wyższy jest poziom przeskoku, dzięki czemu zostaje ograniczony ruch mało znaczących powtórzeń.

Użytkownik może także zaimplementować w sieci grupowanie. Wówczas pierwsze dwa bajty sześciobajtowego adresu każdej ramki są traktowane jak adres grupy. Każda ramka o grupowym adresie różniącym się od przydzielonego jest ignorowana. Dzięki temu na tej samej linii energetycznej może bez kolizji działać więcej sieci.

Płytki demonstracyjne inteligentnego oświetlenia ulicznego Projekt sprzętowego węzła PLM powstał na płytce ewaluacyjnej STEVAL-IHP003V1, na której umieszczono transceiver linii elektroenergetycznej ST7540 FSK i 32-bitowy mikrokontroler STM32F103C8, służący jako interfejs transceivera PLM (rys. 4). Płytka zawiera impulsowy zasilacz specjalnie przystosowany do szerokiego zakresu napięciowego zasilającej linii elektroenergetycznej. Rys. 4. Płytka klucza sprzętowego sieciowego węzła PLM STEVAL-IHP003V1 Rys. 5. Płytka zapłonnika lampy HID STEVAL-ILH005V2 ST7540 jest półdupleksowym synchronicznym/asynchronicznym modemem FSK, przeznaczonym do komunikacji sieciowej przez linie elektroenergetyczne. Jest zasilany pojedynczym napięciem i zawiera sterownik linii i dwa liniowe stabilizatory 5 V i 3,3 V. Szybkość połączeń linią elektroenergetyczną wynosi 2400 bps, ale może zostać zwiększona do 4800 bps. Zapłonnik lamp HID został wykonany w oparciu o zestaw ewaluacyjny STEVAL-ILH005V2 (rys. 5), o konstrukcji dwustopniowej. Zawiera on przetwornicę podwyższającą z regulacją współczynnika mocy, pracującą w trybie przejściowym, oraz przemiennik z prostownikiem mostkowym, zasilający prostokątnym przebiegiem o niskiej częstotliwości lampy metalohalogenowe i wysokociśnieniowe sodowe 150 W.

Podsumowanie

Opisany system inteligentnego oświetlenia ulicznego firmy STMicroelectronics jest rozwiązaniem służącym do sprawnego zarządzania publiczną siecią oświetlenia ulicznego. Daje się szybko zainstalować za pomocą dostępnego sprzętu i oprogramowania. Zapewnia łatwość i elastyczność zarówno w konfiguracji, jak i w zarządzaniu i przyczynia się do znacznych oszczędności energii. Monitorowanie i wgląd w sieć oraz wszystkie jej składowe ogromnie ułatwia serwis. System jest skalowalny i może być łatwo rozszerzany na sąsiednie tereny, zgodnie z wymaganiami i potrzebami władz administracyjnych.

Charakterystyka funkcjonalna każdego z węzłów sieci i właściwie implementowany protokół danych pozwalają na rozszerzanie aplikacji. System może zostać przystosowany do ulicznego oświetlenia LED , obszar jego zastosowań może nawet obejmować inne dziedziny.

Węzeł PLM STMicroelectronics działa jako elektroniczny pomost do energetycznej sieci rozdzielczej, ale może także komunikować się z innymi płytkami elektronicznymi, stanowi bowiem port RS232 z wykorzystaniem podstawowego kodu sprzętowego może służyć jako pomost do wymiany danych, ułatwiając inteligentne sterowanie stanowisk lampowych monitorowanymi parametrami środowiskowymi. Tak pomyślana koncepcja inteligentnego stanowiska lampowego może stać się elementem rozwoju inteligentnych miast. (KKP)