Что такое интеллектуальные системы уличного освещения? Это система, которая включает в себя комплекс уличных ламп, между которыми может осуществляться обмен данными для того чтобы доставить информацию об освещении к локальному концентратору. Концентратор управляет и передает соответствующие данные, часто через цифровой модем сотового телефона, к защищенному серверу, который фиксирует данные и представляет их в веб-интерфейсе браузера.

Но есть ещё один уровень управления – ​​двусторонняя связь. Интеллектуальные системы уличного освещения позволяют руководителям предприятий дистанционно управлять уличным освещением, что даёт возможность снизить расход электроэнергии, потребляемой лампами и блоками управления.

Рис.1. Интеллектуальная система уличного освещения
Data flow – поток передаваемых данных
GPRS/3G network – сеть GPRS/3G
Lamp controller with connectivity – контроллер лампы с блоком передачи данных
PDA with RF connectivity – карманный ПК с радиочастотным блоком передачи данных
District data concentrator – локальный концентратор
Service center – сервис-центр

По сравнению с традиционными автономными уличными фонарями сети управляемого уличного освещения помогают снизить затраты на обслуживание – контролируется состояние лампы, планирование технического обслуживания становится более эффективным и рентабельным. Если лампа или ряд ламп выходят из строя, нет необходимости направлять группу для проверки состояния ламп, т.к. проблемная лампа может быть выявлена дистанционно.

Кроме того, если ночью ярко горит луна, интеллектуальная система уличного освещения также обеспечивает уменьшение потребления электроэнергии, регулируя яркость уличных ламп дистанционно. Такую же регулировку можно осуществлять в соответствии с погодными условиями, например, при тумане, дожде или по заданному графику. Гарантируется эффективный сбор данных о состоянии уличного освещения. Данные об освещении могут быть использованы компаниями, занимающимися проектированием развития города, а зоны действия интеллектуальных систем могут расширяться по мере роста городов.

Очевидно, что города являются основными потребителями интеллектуальных систем уличного освещения из-за экономии денежных средств на оплату электроэнергии и технического обслуживания, а также благодаря возможности перераспределять сэкономленные средства на другие программы, что, безусловно, выгодно городскому сообществу.

Умный, как фонарный столб

Основным компонентом интеллектуальной системы уличного освещения является интеллектуальный фонарный столб, содержащий следующие три блока:

1. Высокоэффективный выходной каскад управления лампой (балластный модуль или драйвер);
2. Модуль коммуникационного интерфейса, обеспечивающий цифровое управление, защиту передаваемых данных и надежность сетевого соединения;
3. Дополнительный набор различных интеллектуальных датчиков для мониторинга погодных условий, угла наклона фонарного столба и уровня загрязнение воздуха.

Интеллектуальная система уличного освещения — это нечто больше, чем простая лампочка, ярко сияющая у дороги. Система с целью обеспечения максимальной визуальной безопасности водителей и пешеходов должна обеспечивать определенные значения яркости, освещенности или затемнения, однородный световой поток или направленный свет в зависимости от типа дороги. Для этого используются высокопроизводительные источники света, такие как лампы высокой интенсивности (HID) и светодиодные лампы.

Интеллектуальный фонарный столб, в первую очередь, содержит балластный модуль, или драйвер. Инновационные решения для электронного балласта HID-лампы гарантированно увеличивают срок службы лампы, расширяют световой поток и снижают потребление электроэнергии. Диапазон решений простирается от электронных балластов для ламп высокой мощности (150 и 250 Вт) до «арт-решений» для ламп  малой и средней мощности (70 и 35 Вт). Для электропитания светодиодных уличных фонарей, инженеры требуют большого портфеля решений, которые касаются электрически изолированных и неизолированных приложений, управления одной или несколькими светодиодными лентами с различным уровнем мощности (от 60 Вт до 130 Вт), которые специально предназначены для наружного применения.

Большинство решений по созданию драйвера – как для HID-ламп, так и LED-ламп – основано на цифровом методе регулирования. Основную интеллектуальную работу выполняет 8-разрядный или 32-разрядный микроконтроллер, обеспечивающий все сигналы, необходимые для управления лампой. В то же время, МК управляет передачей данных, необходимых для реализации работы интеллектуальной системы уличного освещения.

Последовательно рассматривая ключевые блоки интеллектуальной системы уличного освещения, давайте сосредоточимся на второй по интеллекту функции – связи.

Сетевыми системами уличного освещения можно управлять через проводные или беспроводные каналы связи, используя несколько проверенных стандартов связи. Для проводного варианта цифровое управление и мониторинг ламп можно осуществить, передавая информацию по линиям электроэнергии. Для реализации задачи может быть использован широкий диапазон изделий — от трансиверов для линий передачи электроэнергии до новейших систем на кристалле SoC, которые поддерживают различные режимы модуляции сигнала — B-FSK, S-FSK, B-PSK, Q-PSK, 8-PSK. Для беспроводного варианта создания безопасных и надежных сетей может использоваться технология ZigBee.

В проводных и беспроводных каналах связь является двунаправленной, а устройства, дистанционно контролирующие состояние системы, могут отправлять и получать информацию и команды от лампы.

Передача команд, регулирующих уровни затемнения, и команд включено/выключено зависит от времени суток, дорожных условий и естественной освещенности в конкретный момент времени. Эта информация, как и информация о состоянии лампы, энергии потребляемой лампой и драйвером, всем комплексом оборудования. находящемся в фонарном столбе и т.д. , могут быть собраны в информационный блок и направлены в центральный сервисный центр, где отслеживается состояние системы и инициируется рассылка команд.

Последний блок интеллектуальной системы уличного освещения мы обсудим следующим образом. Что произойдет, если фонарный столб упадёт или он отклонится от своего положения? До тех пор, пока не сообщит прохожий, об этом никто не будет знать. В системе реального времени контроля угла наклона столба или его падения эту информацию можно сформировать с помощью MEMS-датчика. Идеальным решением для этого случая является высокопроизводительный трехосевой акселерометр с ультрамалым энергопотреблением. Можно отметить тот факт, что та же технология, которая используется для распознавания жестов. может улучшить уличное освещение в интеллектуальных системах, что позволит повысить безопасность дорожного движения и снизить затраты на обслуживание сети в режиме реального времени.

Как это работает?

1. Сетевой протокол PLM
В нашем интеллектуальном приложении уличного освещения сеть состоит из нескольких модемов (часто называемых узлами), принимающих/передающих данные по линии передачи электроэнергии (PLM-модемы). Эти PLM-модемы находятся на всех фонарных столбах, где находится источник света и источник электропитания. Один из PLM-модемов используется в качестве концентратора данных и, как правило, располагается в силовом распределительном шкафу (через который происходит распределение электроэнергии на определённую группу столбов), к которому подведена трехфазная линия электропитания. Каждое устройство может быть подключено к трем различным фазам линии. Таким образом, все узлы и концентратор подключены к линии электропередачи, которая используется в качестве канала передачи данных.

В данном случае концентратор управляется из удалённого сервис-центра (RSC) через модем GPRS. Вся информация о лампах – потребляемая мощность, текущее состояние, и т.д., а также информация о распределительном шкафе (температура окружающей среды и состояние выключателей) – передаётся и хранится в базе данных. Веб-сервер со специальным интерфейсом позволяет RSC осуществлять анализ данных и выполнять множество дистанционных операций: изменять график освещения, переключая режим лампы (включено/выключено/затемнение), вручную изменять режим лампы (включено/выключено/затемнение) или устанавливать/изменять внутренние часы модемов.

Сеть предназначена для работы в режиме мастер-ведомый, где концентратор данных считается ведущим устройством – мастером, а каждый узел является ведомым устройством. Любое устройство может инициировать установление связи, и таким образом, получить статус мастера. Каждый целевой узел имеет уникальный адресный идентификатор и может стать ведомым устройством.

Каждый узел также может выступать в качестве ретранслятора данных, без дополнительных функций программирования, что увеличивает надежность сети и статистическую вероятность того, что информация от ведущего к ведомому будет доставлена даже в сложных сетевых условиях.

Тем не менее, сосуществование нескольких устройств со статусом «мастер» и большого числа ретрансляторов приводит к необходимости использования механизма арбитража данных. Так как инициировать установление связи в любое время может несколько устройств, возможно возникновение сетевого хаоса, что приведёт к снижению общей производительности сети. Это потенциальная проблема может быть решена одним из двух основных методов. Первый метод – множественный доступ с обнаружением столкновений (CSMA/CD) – используется, когда аппаратура может обнаруживать любые конфликты во время передачи данных. Второй метод – множественный доступ с предупреждением о конфликте (CSMA/CA), о котором пойдёт речь в этой статье, – используется, когда аппаратура не имеет такой возможности.

Реализованный механизм предотвращения конфликтов использует резервное нерабочее время и аппаратное формирование сигнала «диапазон занят» (BU) для управления режимом передачи данных. Перед инициализацией любого сообщения каждое устройство ожидает освобождения диапазона и готовит свой флажок BU. Как только диапазон становится свободным, рассчитывается продолжительность резервного времени. После истечения резервного времени, если диапазон остаётся свободным, начинается передача данных, в противном случае стартует новый цикл ожидания.

Обмен данными между всеми узлами осуществляется по той же линии электропередачи, и в процессе обмена данными используется механизм подтверждения пакета данных. Таким образом, «мастер» получает подтверждение о том, что отправленный им пакет данных был доставлен в целевой узел, и на каждый отправленный «мастером» пакет приходит соответствующее подтверждение от целевого устройства. Квитирование полученных пакетов исключает возможность неправильной обработки команд «мастера».

Функция ретрансляции повышает вероятность того, что пакет данных будет доставлен в узлы, которые находятся далеко от сервис-центра или если передача данных проходит в условиях больших шумов. Так как все узлы подключены к одной линии электропитания, они постоянно «ловят» данные, проходящие по линии. В зависимости от адреса устройства и пакета данных/квитанции, каждый узел в состоянии обнаружить необходимость ретранслирования/игнорирования данных или обработки пакета. Для того чтобы избежать циклического повторения или потери данных, которые могут привести к ненужному увеличению трафика данных, используется идентификатор пакета данных (ID) и предварительное кодирование для коррекции ошибок (FEC).

2. Пакетные данные и графический интерфейс пользователя GUI
Рассмотренный выше алгоритм работы сети можно разделить на несколько слоев, причём, внутри каждого слоя будут выполняться определённые операции.

Рис.2. Структура PLM
User Firmware (Street Lighting Management) – пакет пользователя (управление уличным освещением)
Node firmware – пакет узла
Application engine – процессорный блок
PLM stack – стек PLM
Network – сеть
Link – соединение
Phiscal – физический (уровень)
PLM – модем для работы по линии электропередачи
Communicaton – связь
Flash Memory – флеш-память
Device – устройство
Firmware Update – коррекция данных пакета

Верхний слой алгоритма создаётся пользователем сети и в данном случае он соответствует протоколу работы системы уличного освещения. Автоматы управления для осветительных ламп, принимающие и передающие сигналы подключения ламп к линии электропитания, относятся к данному слою. Есть три типа пакетов, которые могут быть направлены к PLM-модему. Первый тип представляют собой пакеты данных, которые содержат предназначенные для передачи пользовательские данные (например, «лампа включена», «лампа выключена», «лампа в режиме затемнения») и параметры, полученные от источника электропитания лампы (например, мощность лампы, напряжение на лампе, температуры окружающей среды). Второй тип пакета содержит такие параметры узла/ как идентификационный адрес узла и данные пользователя, предназначенные для хранения во флэш-памяти. Последний тип пакета содержит служебную информацию, т.е. параметры стека PLM-модема, включая данные и время повторов, внутреннее время узла. Служебные пакеты также содержат параметры настройки узла, которые зависят от реализованной сетевой модели (сеть с/без подтверждения, наличие режима ретрансляции, наличие режима повторения).

Все рассмотренные выше пакеты обрабатываются процессорным блоком (ПБ), после чего инструкции передаются в узел. Пакеты, содержащие пользовательские данные, направляются ПБ из слоя пользователя в стек PLM-модема. Здесь пользовательская информация упаковывается и к ней добавляется корректирующая информация: FEC, код проверки четности – CRC и сформированный пакет отправляется в PLM-модем. Этот процесс является двунаправленным: если PLM «ловит» предназначенные узлу пакеты данных, то обработка данных производится по командам из стека PLM-модема. FEC-данные используются для коррекции неверных данных (если таковые имеются), Осуществляется проверка четности с помощью кодов CRC, и если достоверность данных подтверждена, то данные расшифровываются и направляются в ПБ для последующей обработки. Стек PLM непосредственно управляет повторной передачей данных, тактированием и формированием подтверждений (квитанций).

Если целевое устройство не подтверждает пакет данных, то пакет поступает в любой соседний узел, где  включена функция повторения. Пакет будет отправлен в следующий узел после истечения интервала времени, которое отводится на формирование квитанции. Этот процесс управляется непосредственно из стека PLM. Каждый узел обрабатывает пакет один раз. Пакет будет двигаться по сети до тех пор, пока его не подтвердит один из узлов или пока все узлы не транслируют его.

Рис.3. Поток передаваемых данных в случае повтора
ACK – подтверждение (квитанция)
Data – данные
bACK – повторное подтверждение
Not Sended Ack – (подтверждения нет)

Каждый слой добавляет свою собственную информацию к исходному пакету. 100 байт добавляет ПБ, и т.о. размер пакета увеличивается более чем вдвое по сравнению с тем, что был получен из линии электропередачи. Происходит это, в первую очередь, потому что код избыточности FEC добавляется в каждый байт, как только пакет поступает в целевой узел. Механизм обработки FEC кода может скорректировать поврежденные данные, и если в линии электропередачи нет значительного шума, то трафик уменьшается.

Каждый пакет содержит адрес назначения, адрес источника, и другие параметры. Параметры могут включать байт флага – указывает на сетевую модель (флаг указывает должно ли быть проигнорировано повторение для этого пакета или то, что ожидается получение квитанции), ID пакета – позволяет избежать многократного повторения одного и того же пакета, байт CRC (CRC16), преамбулу модема, заголовок и байт постамбулы.

Другой механизм, который встроен в систему, относится к режиму повторов, и его можно назвать механизмом прыжков, или хоп-уровнем. Параметры хоп-уровня задаются  пользователем и предназначены для определения иерархии повторения пакета. Если пакет должен быть повторен, но хоп-уровень ниже значения, хранящегося в флеш памяти, то пакет не передается. Как правило, иерархия устанавливается в зависимости от расстояния и шума линии электропередачи. Чем ближе узел, в котором установлено разрешение режима повторения к концентратору, тем выше хоп-уровень, что позволяет уменьшить трафик незначительных повторений.

Формирование сетевых групп является еще одной возможностью, которая может быть использована потребителем. Например, первые два байта из адресной части любого пакета (длина адресной части пакета составляет 6 байт) может быть адресом группы. Пакет, в адресной части которого нет указания на целевую группу, игнорируется. Таким образом, возможно подключение к одной линии электропередачи нескольких сетевых групп систем управления освещением, которые не будут взаимодействовать между собой.

Рассмотренная структура может работать с любым типом устройств, мастером, ведомым или ретранслятором. Стек PLM, в зависимости от полученных данных, может определить  устройство, которое должно выполнять операцию – мастер, ведомый или ретранслятор.

Выделенный графический интерфейс пользователя (GUI) позволяет тестировать систему или вручную управлять функциями уличного освещения. С помощью GUI пользователь имеет возможность настроить все параметры PLM, чтобы управлять каждой лампой и непосредственно направлять команды целевому узлу, выполнить общесетевые команды для всех ламп – включение/выключение/затемнения лампы, или получить все параметры лампы (состояние лампы, мощность лампы, напряжение линии электропередачи). GUI реализован на ПК, который подключается к узлам через последовательный интерфейс RS232. После завершения фазы программирования, в которой для каждого узла формируется уникальный адрес, создаётся локальная база данных, которая хранится в ПК. Все установленные узлы отображаются в соответствующем списке (list box) GUI.

Рис.4. Графический интерфейс пользователя «Дистанционный контроллер работающий с помощью PLM»

В разделе HID пользователь может в ручном режиме управлять каждой лампой, подключённой к указанному в списке узлу или установить режим автоматической проверки узла. Специальная часть выделенного графического интерфейса GUI, как показано на рис. 4, позволяет пользователю создать профиль (включено/выключено/затемнение) операции для конкретного узла и синхронизировать профиль с внутренним временем каждого фонаря. Узел выполняет определённую операцию после того как внутренние часы узла совпадут с хранящимся в памяти значением. В памяти PLM могут храниться данные для выполнения операций шести шагов.

С помощью интерфейса и модема результаты выполнения каждой операции передаются в сервис-центр и сохраняются в журнале, что позволяет выявить ошибки или подтвердить корректное исполнение операции.

Примеры
1. Аппаратная часть интеллектуальной системы уличного освещения
Пример PLM-решения. В предлагаемом компанией STMicroelectronics решении (рис. 5) аппаратная часть PLM реализована с помощью оценочной платы STEVAL-IHP003V1, на которой установлены FSK трансивер ST7540 и 32-разрядный микроконтроллер с ARM-ядром STM32F103C8.

Рис.5. Плата STEVAL-IHP003V1, прототип сетевого PLM

Оценочная плата STEVAL-IHP003V1 снабжена специально разработанным импульсным блоком питания AC-DC, который соответствует реальным условиям электропитания уличных ламп, работает в широком диапазоне входных напряжений и обеспечивает необходимые напряжения для работы микроконтроллера.

STM32F103C8 содержит ARM 32-разрядный микроконтроллер Cortex-M3 с RISC-ядром (работающий на частоте 72 МГц) и высокоскоростную встроенную память. Этот микроконтроллер с его мощным ядром, расширенным набором устройств ввода/вывода и периферийных устройств, обеспечивает высокопроизводительную и эффективную обработку данных.

ST7540 является полудуплексным синхронным/асинхронным FSK трансивером, разработанным для применения в PLM приложениях. ИС работает от одного однополярного  источника питания. Скорость передачи данных через линию электропередачи по умолчанию составляет 2400 бит/с и может быть увеличена до 4800 бит/с.

Основные характеристики ключа приведены в таблице 1.

Табл.1. Основные характеристики STEVAL-IHP003V1

тип модуляции	FSK модем с низкочастотной девиацией
частота	132,5 кГц ± 0.2%
скорость передачи в битах	2400 бит/с
тип сети	соединение типа plug-and-play
конфигурация сети	мастер/ведомый и равноправное соединение узлов
администрирование в сети	автоматическое, использующее персональный ID номер
адресное управление в сети	выбор, объявления и разрешение конфликтов
рабочая температура	0° – +50° С

Изделия STMicroelectronics, которые используются в STEVAL-IHP003V1, приведены в таблице 2. Дополнительная информация изложена в документах AN2046 и AN2451.

Табл.2. Основные компоненты платы STEVAL-IHP003V1

Наличие последовательного порта позволяет обеспечить передачу данных между устройством и ПК или другими платами. В этом интеллектуальном решении системы уличного освещения для удалённого управления оборудованием фонарного столба, PLM был соединён с электронным балластом HID-лампы (STEVAL-ILH005V2). При создании опытной сети для тестирования протокола PLM в реальных условиях эксплуатации было создано несколько вариантов рассмотренных устройств.

2. Электронный балласт для HID-лампы
На рис. 6 показан внешний вид электронного балласта HID-лампы. Данная плата (STEVAL-ILH005V2) разработана компанией ST и имеет двухуровневую архитектуру: повышающий преобразователь (контроллер коэффициента мощности PFC), работающий в переходном режиме, и инвертор. Данный электронный балласт может работать с 150-Вт металлогалогенной и натриевой лампами высокого давления.

Рис.6. STEVAL-ILH005V2, Балласт HID лампы

Основные характеристики лампы приведены таблице 3.

Табл.3. Основные характеристики STEVAL-ILH005V1

Изделия STMicroelectronics, которые используются в STEVAL-ILH005V2, приведены в таблице 4. Дополнительная информация изложена в документе AN3159.

Табл.4. Основные изделия STEVAL-ILH005V2

Заключение
В представленном в данной статье описании разработанного компанией ST полного системного решения подробно рассмотрена эффективная система управления сетью уличного освещения. С помощью предоставленных аппаратных и программных материалов может быть быстро создана реальная система управления освещением. Платы, составляющие аппаратную часть системы, находятся в свободном доступе, а программные продукты и детальная информация, касающаяся графического  интерфейса, предоставляются по запросу.

В интеллектуальной системе управления уличным освещение компании ST понятие эффективности включает в себя такие важные аспекты, как энергия и энергосбережение, конфигурируемость системы и гибкость управления сетью, дистанционное управление и постоянный мониторинг состояния сети. Системное решение, по своей сути, является масштабируемым, поэтому оно может быть немедленно расширено для управления сетью на любой территории, и ограничено только требованиями, установленными государственными администрирующими органами.

Функциональные характеристики каждого узла сети и реализованный протокол передачи данных влияют на параметры приложения. То же можно сказать в отношении светодиодных уличных систем освещения. Рассмотренный вариант построения сети управления может использоваться не только для управления сетями уличного освещения. На самом деле, узел PLM действует как электронный мост в сети распределения электроэнергии. С другой стороны, он может быть подключён к устройству, имеющему порт RS232 и предназначенному для приёма и передачи данных. С помощью этого моста различная пользовательская информации может быть передана и получена, позволяя умным фонарным столбам не только управлять освещением, но и контролировать условия окружающей среды. Интеллектуальные фонарные столбы могут найти место в качестве основных элементов энергосетевых решений, составляющих основу развития интеллектуальных городов.

Об авторах:

Антонио Бруно (Antonino Bruno) – старший инженер по вопросам технического маркетинга, Лаборатория систем и технического маркетинга (Systems Lab & Technical Marketing), Мультисегментный и промышленный сектор IMS (Industrial & Multisegment Sector), STMicroelectronics.

Фабрицио Ди Франко (Fabrizio Di Franco) – технический руководитель секции маркетинга, Лаборатория систем и технического маркетинга, сектор электроэнергетики и освещения (Systems Lab & Technical Marketing), Мультисегментный и промышленный сектор IMS (Industrial & Multisegment Sector), STMicroelectronics.

Гаэтано Раскона (Gaetano Rasconà) – старший руководитель группы разработки приложений/менеджер промышленной группы, Лаборатория систем и технического маркетинга, Мультисегментный и промышленный сектор IMS (Industrial & Multisegment Sector), STMicroelectronics.

Клаудио Руджери (Claudio Ruggieri) – старший промышленной группы, Лаборатория систем и технического маркетинга, Мультисегментный и промышленный сектор IMS (Industrial & Multisegment Sector), STMicroelectronics.

Перевод: Илья Фурман