基于实时定位技术的分布式照明监控系统
时间：2023-04-15 03:07:01
基于实时定位技术分布式照明监控系统
摘要
一照明监控系统和照明监控方法包括携带RFID标签运动目标、照明控制单元、网络设备、集控器、标签激活单元和目标监控无线收发模块，照明控制单元包括连接光源的光源和控制照明控制器；每个照明控制单元连接一个组网设备，每个照明组有一个标签激活单元和一个目标准监控无线收发模块，一个或多个照明控制单元形成照明组，多个照明组连接形成照明区；目标监控无线接收模块与激活的标签和网络设备、照明控制单元与网络设备通信连接，网络设备与集控器网络连接。该方法基于上述系统实现照明控制。节能显著，尤其是城市道路照明和高速公路照明。能同时实现运动目标的实时定位。
一、 背景技术
随着城市建设的不断发展，照明在整个城市的能耗中所占比例日益增加。例如，据有关报道，广东省东莞市现有3800余公里路约架设20万盏路灯日耗电量超过60年耗电量超过万度21亿度，相应的电费超过1亿元；例如，江苏省南京市仅路灯数量就达到了约1亿元20万盏灯平均每天开灯10小时计算，年电费支出约2.2亿元。
节能降耗，是现代社会发展的重要主题，对于城市照明而言，世界各国都非常重视推行“绿色照明”。在现有技术中，照明节能可以通过采用高效照明装置（如使用LED节能灯）来降低照明装置的单位用电量，而在照明控制方面（即实现“在需要照明时使用，不需要照明时关断，尽量减少不必要的开灯时间、开灯数量和过高照明亮度”），现有技术是采用适当的照明控制设备来提高照明系统的工作效率，例如：采用红外线运动检测技术，在照明环境中有人进入需要照明时，通过照明控制系统接通照明光源，反之，如果照明环境无人，不需要照明时，就关断照明光源，达到节能的效果。
现有的照明控制技术存在如下缺陷和不足：
1、 采用的大部份传感器，如红外传感器、声控传感器等易受外界因素干扰，特别是在室外运用环境中，容易受到多种因素干扰而影响其灵敏度，如将传感器的灵敏度调高，容易产生误触发，如将传感器的灵敏度调低，又可能使传感器的感应范围减小或者使其响应时间变长；
2、 不能实现对被照明的运动目标进行身份识别和定位。
实时定位系统(RTLS :Real-Time Location Systems)是利用无线通讯技术，在指定的空间范围内，即时的或者接近即时的将特定目标定位的系统。目标的位置信息则是透过量测无线电波的物理特性来取得。一般用于物流供应链、配送中心、工业环节等领域的物品追踪管理。
RFID技术: RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）的传输特性自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。主动式RFID系统（又称Active RFID），标签利用内置的微型电池主动发送某一频率的信号；阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
二、 工作原理
针对上述问题，本方案设计一种采用实时定位与照明控制相结合之系统，目的是实现照明设备(光源)跟随人员、车辆运动自动提前开启、驶离关闭，在尽可能节能的前提下，满足照明需要，同时对目标实时定位，定位与照明功能相辅相成，以一套系统实现照明节能与实时定位的双重目的。
2．1、系统组成
基于实时定位技术的分布式照明监控系统主要由主动式RFID标签101、照明控制单元102、组网设备103、RFID标签激活单元104、监控中心105、无线收发模块106、局域网107、集控器109组成，参见(附图1)。
（1） 主动式RFID标签101：使用“激活-发射-休眠”模式，当标签收到RFID标签激活单元104发出的激活信号时，从休眠状态“苏醒”,向周向360度范围发射信号，无激活信号时进入休眠状态；(下文中车辆、人员、物体携带主动式RFID标签的对象均简称为“目标”）
（2） 照明控制单元102:照明控制器1021、光源1022组成。其中照照明控制器1021与光源1022连接，照明控制器1021负责检测环境光线，当外界亮度暗到符合需要照明条件时，根据无线收发模块106或者网络传送的指令控制光源开/关或者调整光源亮度；
（3） 组网设备103：包括有线、无线等各型组网设备,组网设备103负责将各照明控制102、无线收发模块单元106、集控器109、监控中心105各单元联接组网，某一无线收发模块单元106读取到目标信号，经组网设备通知相邻照明设备开启，同时上传集控器109和监控中心105;集控器负责各控制单元之间的协调。
（4） RFID标签激活单元104:置于每个无线收发模块106的前方或者与照明控制单元102放于同一位置，负责激活进入无线收发模块106覆盖区域的RFID标签101，令其发出信号；考虑到RFID标签激活单元为24小时不间断工作，为避免电磁辐射污染，RFID标签激活单元的发射功率应小于100mw。
（5） 监控中心105:包括GIS系统1051、数据库1052，通过联网单元103与各照明控制单元102连接，负责监视区域内各目标的位置。
（6） 无线收发模块单元106: 无线收发模块106负责接收主动式RFID 101发出的信号(相当于RFID阅读器)，与照明控制单元102中的照明控制器1021相连接。
2.2集控器的“即时登记-延时注销”控制策略
即时登记：目标进入一组照明单元范围后，本组照明立刻开启，同步上传集控器登记目标ID号，集控器为每组照明单元建立缓存队列，记录进入各组照明单元的目标ID；
延时注销：目标驶离本组进入下一组时，下一组单元读取到标签ID，于下一组队列中登记此ID号，集控器延时10秒后，若上组单元未再收到此ID的登记信号，则从上一组队列中注销，若检测到标签已运动至网络边界单元,则从集控器中注销此标签ID号。
当每组照明单元内存队列中的标签ID数大于1个时，说明本路段还有人或车未离开，应保持照明设备打开，若队列中的计数为0时，则说明无人，关闭照明。
关闭照明时应遵循“关闭照明单元地址未在开启照明组中出现”的原则，以防止相邻照明组有部份照明单元重叠时，后激活的照明单元(重叠部份)被前一单元注销时关闭。
为防止目标RFID标签运行中突然停止工作，或意外原因漏读标签，导致某一组照明设备不关闭的现象发生，集控器上可设置一个最大时延Tmax,当目标在一组照明单元上有效登记时间大于Tmax时，可强制注销。
2．3、运行流程（参见附图2）
（1） 目标进入照明范围，首先主动式RFID标签101被激活，向周边360度范围发射信号;
（2） 接收到信号的照明控制单元102中的照明控制器1021开启照明光源1022，同时经过组网设备103，按预存于存储器中的路由表数据，通知相邻照明单元102(相邻的若干照明单元编为一组)开启光源;
（3） 目标运动一段距离后，激发下一组照明单元开启;
（4） 上组照明单元检测不到标签信号，同时按照集控器的“即时登记-延时注销”控制策略，检查该组照明范围内有无标签记录，若无登记标签则关闭光源或降低光源亮度。
（5） 各照明控制单元接收到RFID标签101信号的同时，网设备103向监控中心105上传标签ID和本单元的地址码，监控中心105经数据库1052查询可知目标所属对象及其位置，实时显示在GIS平台1051上。通过计算目标经过两单元时间差，两单元距离，估算出RFID标签101运动速度和方向。
三、 系统实施方法
3.1、 道路场景
道路场景中，目标具有移动速度快、停留时间短、运动方向固定，环境具有范围广、无线信号视距内传输的特点，方案上可考虑无线方式组网， 无线收发模块采用超高频、微波段的工作频率，RFID标签激活单元发射信号间隔要短，利于激活快速经过的主动式标签装置，具体实现方式如下：
（1） 主动式RFID标签：可采用Zigbee（2.4GHz）无线收发模块作为主动式标签；
（2） 照明控制单元:光源系统为太阳能供电的LED照明，照明控制器1021中包括外界光线检测器；
（3） 联网单元：无线联网采用Zigbee无线通讯模块，即与无线收发模块共用，Zigbee主动式标签相当于联网系统中的子节点，而照明控制单元中的Zigbee收发模块相当于路由节点。
（4） RFID标签激活单元：采用Zigbee 收发模块，2.4GHz定向天线制作的发射器，以5秒间隔向目标进入方向发射激活信号。
（5） 无线收发模块单元:采用 Zigbee无线收发模块。
实施该系统时，首先要为经过的车辆和人员发放一张主动式RFID标签卡，可通过以下两种方式实施：①临时发卡，入口处发卡，出口处收回；②固定安装方式，对经常途经的车辆可固定安装于车内。
系统设备架设位置如附图3所示，当目标进入照明区后，接收到路边RFID标签激活单元104发出的激活信号，RFID标签101发射信号，并持续10秒，信号触发路边的无线收发单元106，H段两侧照明全部打开；
当目标运动至3号位时，RFID标签被再次激活，此处是路口，目标下一步可能进入I段或J段，3号位附近的无线收发模块106检测到目标，经组网设备103提前通知I、J段照明全部开启，若目标直行进入I段，则I段照明继续开启，集控器关闭H、J段照明，若目标转弯进入J段，集控器会关闭H、I段照明。
3.2小区场景（参见附图4）
小区场景中，目标具有移动速度慢、停留时间长、运动方向不固定，环境条件有范围小、建筑障碍物多（无线信号需具有一定的绕射、穿透能力）的特点，因此，结合上述特点，在方案上可考虑有线组网方式，无线收发模块采用高频段工作频率，相应减少RFID标签激活单元的发射间隔时间和发射时长，可利用多种传感装置与RFID标签激活单元104、无线收发模块106组成联动单元，如在小区各路口、车库出入口、大厅进出口附近安装红外对射、地磁线圈等感应设置。
（1） 主动式RFID标签：采用主动式433MHz无线数传模块作为主动式标签101，标签上设“应急”与“求救”开关。应急开关用于强制触发周边照明设备打开;求救开关使标签切换到大功率发射，发射间隔加密，发射时间加长，用于老人或行动不便人士特殊情况下求救定位。
（2） 照明控制单元:光源系统可选用市电220V交流供电的照明灯。
（3） 联网单元：可采用CAN总线、RS485总线等有线方式组网。
（4） RFID标签激活单元：同样采用433MHz 收发模块，以30秒间隔向周边360度发射激活信 号。工作模式：平常处于不发射状态，通过门禁、传感系统、无线收发模块触发，使其进入发射状态。
（5） 无线收发模块单元:433MHz无线收发模块。
实施该系统时，首先为进出小区人员发放主动式RFID标签卡，系统设备架设位置如附图4所示，当目标从小区大门进入时，门禁与RFID标签激活单元104联动，RFID标签激活单元104进入工作状态，发出激活信号，目标被激活信号覆盖后，主动发射信号，周边照明单元开启。目标进入室内范围后，经过大厅门禁系统可采集到目标标签ID号，室内各照明单元开启，同时集控器将此ID号在室内范围登记，从室外范围注销，按照“即时登记-延时注销”策略，若室外无标签活动时，照明关闭，以达到节电目的。
四、 收益效果
实施本系统后，节电效果可通过如下方式计算：我国大中城市晚间路灯的开启时间为 19:00-次日07:00时，晚间人们活动时间基本上集中于19:00-23:00时前后，此时段可近似为开启照明时段，即5小时左右；
00:00-06:00时，人员活动较少，可近似为照明关闭时段，计6小时；
06:00-07:00时，照明开启一小时；
以上合计照明开启时间近似6小时，关闭时间近似为6小时；考虑系统自身的用电和0点至6点行人的偶尔出行，照明零星开启，可将晚间照明时间估算为开7小时，关5小时,即节电总量40%左右。
