Далее воспользуемся библиотекой Adafruit_BBIO.ADC для использования выводов ВВВ и считаем значение с вывода AIN1 BBB [28]


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
1


РЕФЕРАТ


Выпускная квалификационная работа
107

с.,
23
рис.,

39 табл., 66
источников,
1
прил.


Ключевые слова:
интеллектуальная система освещения, система коммуникации,
система детектирования, зона уличного освещения, микрокомпьютер
Beaglebone
.


Объектом и
сследования является
интеллектуальная система освещения.


Цель работы


проектирование интеллектуальной системы освещения и
предварительное исследование возможностей внедрения интеллектуальной системы
освещения в городе Томске.


В п
роцессе исследования про
водился аналитический обзор существующих систем
детектирования и коммуникации. Была разработана экспериментальная установка, с
помощью которой проведены экспериментальные исследования скорости реакции датчиков
на движение в зоне контроля, в ходе которой бы
ли определены оптимальные датчики для
детектирования движения в зоне контроля. На основе технического анализа и анализа
правовых норм было разработан алгоритм определения и контроля зоны освещения.
Проведено технико
-
экономическое обоснование внедрения инте
ллектуальной системы
освещения в городе Томске на примере улиц Савиных и Советская, что может быть
использовано в дальнейшей имплементации проекта по разработке интеллектуальной
системы освещения в Томске.


Основные конструктивные, технологические и техник
о
-
эксплуатационные
характеристики:

разработанная экспериментальная установка может быть использована как
система детектирования интеллектуальной системы освещения для определения движения и
изме
нения естественной освещенности. Разработанный
алгоритм позвол
яет определять зону
освещения в зависимости от поступающих данных от системы детектирования.


Облас
ть применения:
городское уличное освещение.


Экономическая эффективность/значимость работы

больше чем в два раза превышает
используемые системы освещения. Пр
и внедрении системы возможен возврат инвестиций в
течение 5 лет при текущих уровнях обмена валют.


В будущем пла
нируются экспериментальные исследования интеллектуальной
системы освещения при условии доработки основных модулей системы в рамках всего
научног
о проекта по разработке интеллектуальной системы освещения.


Выпускная квалификационная работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft
Office Word 2016 и представлена в распечатанном виде.





2



3





4


Введение


Уличное освещение в современных городах охватывает как
функциональную, т
ак и декоративную функции.
В настоящее время, освещение
улиц составляет 53% от наружного исполь
зования освещения во всем мире [
1
].
Кроме того, рынок решений

в области наружного
освещения продолжает расти
(совокупные ежегодные темпы роста рынка наружной осв
ещения оценивается в
42% в период 2011
-
2020 годов [
2
]). В условиях роста цен на энергоносители и
растущего экологического сознания, вышеупомянутые тенденции требуют
повышения эффективности уличного освещения.

Повсеместное развитие и внедрение в эксплуатаци
ю встроенных систем
на основе микрокомпьютеров позволяет внедрять современные методы
автоматизации и управления в различных технических системах. Такое
применение находит себя в интеллектуальных системах освещения [
3
,
4
]. В
отличие от классических систем ос
вещения интеллектуальные системы
освещения позволяют добиться снижения потребления электроэнергии за счет
адаптивности системы при изменении внешних условий: интенсивности
дорожного движения, погодных факторов, времени суток [
5,6
].

Кроме снижения затрат эл
ектроэнергии за счет высокой адаптивности
интеллектуальной системы освещения ресурсоэффективность разработки
может быть обеспечена за счет использования светодиодного освещения [
7
].

Важная составляющая при разработке интеллектуальных систем
освещения


это

баланс между энергоэффективностью и безопасностью для
участников дорожного движения, так как освещенность дорожных пространств
влияет как на вероятность дорожно
-
транспортных происшествий, так и на
общий уровень преступности [
8
].

Таким образом, объектом ис
следования является интеллектуальная
система освещения.

Целью работы является
проектирование интеллектуальной системы
освещения и
предварительное исследование возможностей внедрения
5


интеллектуальной системы освещения в городе Томске. Для достижения
необход
имо решить ряд задач:

-

провести анализ альтернатив создания системы детектирования для
дальнейшего использования в интеллектуальной системе освещения и провести
соответствующие экспериментальные исследования;

-

провести анализ возможных способов коммуника
ции для
последующего внедрения в интеллектуальной системе освещения;

-

разработать алгоритм
определения
и контроля
зоны освещения для
интеллектуальной системы освещения
;

-

провести технико
-
экономический анализ и обоснование внедрения
интеллектуальной систе
мы освещения в условиях городской зоны Томска.

Полученные результаты позволя
т
применить полученные ранее
результаты работы научной группы по тематике ВКР на примере конкретных
улиц. Алгоритм определения и контроля зоны освещения дополнит
разработанные ране
е алгоритмы автоконфигурации узлов и определения
соседних узлов для любого узла.
Данные технические решения возможно
использовать при разработке плана повышения эффективности городской
системы уличного освещения
.


6


1
Концепция

интеллектуальной

системы

освещ
ения


Интеллектуальная

система

уличного

освещения



это

концепция

эффективного

распределения электроэнергии в

процессе уличного
освещения.
Данное направление бурно развивается в данный момент за счет
ориентированности общества на ©зеленыеª технологии, что
подтверждается
принятием важных регламентирующих документов на
государственном и
международном уровне: в частности, можно выделить Киотский протокол

[
9
]
.

Выделяют

интеллектуальные системы освещения двух поколений.
Первое поколение


это системы освещения
на основе светодиодов. Замена
классических источников освещения на светодиодные источники освещения,
позволяет значительно увеличить срок эксплуатации, избежать последствий
загрязнения окружающей среды при утилизации

[10]
. Также светодиоды
позволяют настра
ивать уровень освещенности, что применяется в настоящее
время в интеллектуальных система
х

освещения второго поколения, где
реализу
ю
тся принципы адаптивности и ресурсоэффективности.

В настоящее время
проводится серьезная работа по стандартизации и
развитию
концепции интеллектуального уличного освещения. В частности,
работа проводится в ведущих альянсах и обществах по интеллектуальным
системам освещения, интернету вещей


IERC
,
StreetLight

Vision
,
IEEE
,
OMG
,
Industrial

Internet

Consortium

и т.д.

[
11
-
15
].

И
ссл
едование
в рамках магистерской диссертации
направлено на
разработку интеллектуальной системы освещения для муниципалитетов города
Томска. В частности,
целевыми

улицами были выбраны Савиных и Советская.

Проводимое исследование выполняется на базе Томского
политехнического университета и Университета прикладных наук Анхальта
,

и
является развитием и внедрением технических решений, разработанных в
рамках проекта
SmartLighting
. Проект
SmartLighing
,
проводимый в первую
очередь на базе
лаборатории
FILA

Университе
та прикладных наук Анхальта,
направлен на разработку интеллектуальной системы освещения для
7


пешеходных пространств города Кётена в земле Саксония
-
Анхальт,
Германия

[
16
]
.


1.1
Сравнительный

анализ

аналогов


В настоящее время рынок решений в области интеллек
туальных систем
освещения представлен
множеством решений. Несколько европейских городов
полностью заменили городскую систему освещения в пользу интеллектуальных
систем освещения
. В
пример можно привести систему освещения Лейпцига в
Германии,

Квебек
а в Кана
де и Санкт
-
Петербурга
в

России

[
10
][
17
]
.

Для детального рассмотрения
типичных
используемых решений были
выбраны 5 интеллектуальных систем освещения от производителей:

OSRAM
,
Amko

Solara
,
Lux

Monitor
,
Citenergy
,
Echelon

(Табл. 1)

[
18
]
.


В рассматриваемых си
стемах освещения реализовано светодиодное
освещение. При этом адаптивный контроль реализован во всех системах кроме
Citenergy
.
Lux

Monitor

и
Echelon

используют беспроводную передачу данных с
помощью
mesh
-
сетей и
IPv
6
.
В случае беспроводной передачи использ
уется
стандарт
6LowPAN
.

В

OSRAM
,
Amko

Solara

и

Citenergy

используется

технология

power

line

communication

(
PLC
)



передача данных

с помощью
линии электропередач, которая основана на стандарте
ISO

14908

[19]
.

Контроль источниками освещения осуществляется по
средством
Digital

addressable

lighting

interface

(
DALI
)



интерфейса, который был разработан как
интерфейс между логическим и физическим уровнями контроля
светодиодными фонарями. Непосредственный контроль обеспечивается
системой

программного

управления

Str

Vision
, стандартизированным
решением, которое может объединять интеллектуальные системы освещения
нескольких производителей
[
18
]
.




8


Таблица 1


Сравнительный анализ интеллектуальных систем освещения

Характеристики

OSRAM

Amko

Solara

Lux

Monitor

Ci
tenergy

E
chelon

Технология
связи

PLC
ISO14908

PLC
ISO14908

Wireless
mesh IPv6

6LowPAN

PLC

Wireless
mesh IPv6

IPv6

Нет

Нет

Да

Нет

Да

Скорость
передачи
данных и
пропуск.
способность

5 кб/с

5 кб/с

10 кб/с

15 кб/с


5 кб/с

Поддержка
динамич.
режима работы
с

датчиками
движения

Да

Да

Да

Нет

Да

Поддержка
динамич.
режима работы
с учетом
траффика

Да,
SLV
CMS

Да,
SLV
CMS

Да,
SLV
CMS

Нет

Да

Интерфейс для
источника
освещения

1
-
10 В,
DALI

1
-
10 В

1
-
10 В,
DALI

1
-
10 В,
DALI

1
-
10 В,
DALI

Данные о
неполадках

Да

Да

Да

Д
а

Да

*
-

система

программного

управления

StreetLight Vision


Также во всех системах осуществляется мониторинг на наличие
неполадок, что позволяет оперативно реагировать при наличии последних.

Для ср
авнительного анализа были выбраны зарубежные производители,
так как комплексные решения в области интеллектуального освещения
российского происхождения не были найдены в ходе проведения
аналитического обзора. В российских масштабах этой проблемой занималис
ь в
группе Роснано
, но готовый продукт все еще не был представлен

[
20
].

Наиболее
распространенными в настоящее время являются отдельные фонари с
9


датчиками движения, либо светодиодные системы освещения без адаптивного
управления российского производства.

Те
м не менее
, например, в Санкт
-
Петербурге и Казани были внедрены системы интеллектуального освещения
Echelon

[
21
].

Таким образом, согласно
анализу разработанных интеллектуальных
систем освещения,

можно выявить следующие тренды и ключевые особенности
развити
я таких систем:

-

разрабатываемые системы используют светодиодное освещение, что
влияет на э
нергоэффективность
вс
ей системы. В настоящее время основным
интерфейсом для драйверов управления
LED

является
DALI
;

-

большинство систем адаптируются под внешние ус
ловия


наличие
движения в зоне контроля,
интенсивность дорожного движения, погодные
условия. Обеспечивается максимальная автономность систем, но при этом
возникающие неполадки могут быть оперативно отслежены и устранены;

-

коммуникация в интеллектуальных
системах освещения
осуществляется на основе
mesh
-
сетей либо
PLC
. В данный момент обе
технологии активно развиваются и унифицируются, что позволяет
испо
льзовать их в больших масштабах.

Согласно приведенным трендам возможно проектирование
интеллектуальной си
стемы освещения, отвечающей современным требованиям
и превосходящей аналоги по характеристикам.


1.2 Требования к разрабатываемой интеллектуальной системе
освещения


Проектируемая

интеллектуальн
ая

систем
а

освещения

должна

удовлетворя
ть

следующим требования
м:



Система децентрализована, то есть не существует центрального
контролирующего элемента.



Система может быть
легко
встроенной в городскую систему.

10




Состояние работы системы зависит от внешних факторов, таких как
интенсивность дорожного движения и погодные у
словия.



Каждый фонарь системы работает автономно и не требует
настройки.



Уровень общей освещенности, обеспечиваемый системой, не
должен выходить за рамки, предусмотренные требованиями безопасности.

Таким образом, интеллектуальная система освещения должна б
ыть
способна определять объект движения в зоне контроля и контролировать
уровень освещенности в зависимости от объекта движения и характеристик
движения


скорости и направления движения (рис
.

1).


Рисунок 1
-

Реализаци
я

концепции интеллектуальной систем
ы
освещения


Кроме того, должен обеспечиваться мониторинг погодных условий и
принятие соответствующих решений системой при изменении погодных
условий.


1.3 Предлагаемое техническое решение


Предлагаемая
структура

интеллектуальной системы освещения (рис.
2
)

состоит из узлов,
объединяющих микрокомпьютер

Beaglebone

либо любой
11


другой модуль
System
-
on
-
Chip
, модул
и

детектирования и коммуникации

и
светодиодны
й фонарь
.


Рисунок 2


Структурная схема интеллектуальной системы освещения


В качестве центрального управ
ляющего устройства
для узла
выступает
микрокомпьютер.
Каждой лампе соответствует система коммуникации и
детектирования.
С
истема

коммуникации

служит для связи
элементов узла, а
также позволяет передавать информацию на другие узлы системы. Система
детектиров
ания необходима

для
определения интенсивности дорожного
движения, создаваемого автомобильными средствами и пешеходами, а также
изменения погодных условий
.










12


2 Проектирование с
истем
ы

детектирования


Принцип работы интеллектуальных систем освещения о
сновывается на
анализе событий, происходящих во внешней среде в связи
c

теми или иными
факторами
, и соответствующем принятии решений для минимизации
энергозатрат
. К таким факторам относятся
интенсивность дорожного движения
и погодные условия.
Для того чтоб
ы определять наличие таких событий
необходимо создание эффективной системы детектирования.

Таким образом,
д
анная глава включает в себя предварительное исследование датчиков
различных типов для последующего применения в интеллектуальной системе
освещения.


2.1 Определение интенсивности дорожного движения


Анализ дорожного движения основывается на определении движения
транспортных средств, пешеходов с высокой точностью, после чего
полученные данные о двигающемся объекте или объектах обрабатываются,

передаются

по каналу связи, определяется объект движения. В зависимости от
объекта движения предпринимаются различные сценарии действия
интеллектуальной системы освещения.

Данные об интенсивности дорожного движения, которые необходимы
для

работы

и
нтеллектуальн
ой

систем
ы

освещения



это сам факт движения,
регистрируемый различными датчиками, что позволяет определить участника
движения (автомобиль или пешеход), скорость движения участника движения,
направление движения. При этом данные, поступающие с датчиков, должн
ы
быть интерпретированы максимально точно.

Рассмотрим датч
ики движения, которые могут применяться в
интеллектуальных системах освещения.


13


2.1.1
Сравнительный анализ существующих датчиков движения


В [
22
]
были подробно рассмотрены методы обнаружения движени
я, а
также присутствия. В качестве основных по физическому принципу действия
можно выделить следующие методы контроля движения:



а
кустический (
у
льтразвуковой)
;



радиоволновой (СВЧ);



инфракрасный (ИК);



комбинированный
.

Каждый из данных типов обладает своими п
реимуществами и
недостатками. Н
едостатки
, в частности,

связаны с неспособностью датчик
ов

обнаружить человека при определенных условиях или, напротив, их ложными
срабатываниями.

Использование совокупности методов контроля и принципов
обнаружения может значи
тельно уменьшить вероятность некорректного
срабатывания датчика. Сигнал тревоги выдается только в том случае, если
одновременно или в течение небольшого интервала времени срабатывают оба
детектора. Для повышения стабильности работы системы, используемые
пр
инципы обнаружения должны быть такими, чтобы помехи, вызывающие
ложные срабатывания, по
-
разному воздействовали на каждый составляющий
комбинацию детектор. В таблице
2

приведены воздействия внешних факторов
на работу датчиков различных типов
, где ©+ª
-

высо
кая чувствительность, ©
-
ª
-

низкая
чувствительность
.








14


Таблица
2



Чувствительность датчиков к мешающим факторам

Причина
некорректной
работы

Инфракрасный

Микроволновый

Ультразвуковой

Турбулентность
воздуха

+

-

-

Дождь

-

+

+

Изменения
температуры

+

-

+

Яркий свет

+

-

-

Электромагнитные
помехи

+

+

-

Включенное
люминесцентное
освещение

-

+

-

Вибрации

+

+

+

Перемещения за
пределами зоны
контроля

-

+

-

Животные

+

+

+


Из таблицы видно, что большинство изменений окружающей среды
по
-
разному

влияют
на каждый детектор и в большинстве случаев не могут
привести к одновременному срабатыванию
всех

сенсоров.

Наибольшее распространение в настоящее время получила комбинация
микроволнового активного и ИК
-
пассивного принципов обнаружения. Гораздо
реже использу
ется комбинация ультразвукового и ИК детекторов. Существуют
также отдельные образцы датчиков, в которых используются три различных
физических принципа обнаружения, однако такие датчики
редко применяют на
практике

[
23
].



2.1.
2

Экспериментальная установка


Наиболее распространенными датчиками движения, используемыми в
интеллектуальных системах освещения, являются радиоволновой,
инфракрасный, ультразвуковой и комбинированный типы датчиков.

15


Была собрана экспериментальная установка, включающая систему
детектир
ования интеллектуаль
ной системы освещения (рисунок 3
).


Рисунок
3



Экспериментальная установка


Основные элементы экспериментальной установки


это
микрокомпьютер
BeagleBone

Black
, инфракрасный датчик
DP
104,
ультразвуковой датчик
SRF
08, комбинированный
датчик
Sockol
-
3, блок
питания с выводами 5 В, 12 В.


Микрокомпьютер

BeagleBone

Black

Микрокомпьютер
BeagleBone

Black

используется в качестве
управляющего устройства, который исполняет программу считывания
информации с датчиков. Свойства

BeagleBone

Black

пр
едставлены

в

таблице

3

[
24
]
[25]
.





16


Таблица

3



Спецификация на

BeagleBone

Black

Процессор

1
ГГц
AM335x

Память

512 Мб

DDR3

Память

On
-
board 2 Gb eMMC (4 Gb eMMC on the
Revision C board) and micro
-
SD card slot

Поддержка видео

On
-
board HDMI

Последовател
ьное
соединение

TTL header present but separate cable
needed

Входные
/
выходные
выводы

GPIO
,
аналоговые

выводы
, 5
V
, 3.3
V
, 1.8

В напряжение питания
,
таймеры
,
шины
:
I
2
C
,
UART
,
CAN
,
SPI
,
GPMC
,
MMC
,
LCD
,
McASP


Внешний

вид

BeagleBone

Black

представлен на рис
.
4
.


Рисунок
4



Внешний вид
BeagleBone

Black


Кроме управления датчиками движения,
в интеллектуальной системе
освещения микрокомпьютер подключен к блоку коммуникации, который
осуществляет связь между узлами интеллектуальной системы освещения.



Инфракр
асный датчик движения

Свойства инфракрасного датчика представлены в таблице
4
[26]
.

Таблица

4



Спецификации инфракрасного датчика

Напряжение

DC 12 V

Рабочий диапазон

6
-
10 m

Выходная
мощность

Max 100 W LED lamp

Время установки

5s~
6
min

Раб. диапазон д
ля
освещенности

2~2000
lux

Материал

ABS

Уровень защиты
IP

IP
65

17



Внешний

вид

инфракрасного датчика

представлен на рис.
5
.



Рисунок

5



Инфракрасный

датчик


Ультразвуковой датчик

SRF
08

Ультразвуковой датчик
SRF
08 подключается к микрокомпьютеру
BeagleBo
ne

Black

с использованием последовательной шины данных
I
2
C
.

В начале работы микрокомпьютер инициализирует адрес датчика,
подключенного посредством протокола
I
2
C

[
24
]. Для выполнения сканирования
датчиком зоны контроля, выполняется команда, которая отправл
яет
определенное значение в командный регистр
SRF
08. Следующим этапом
является считывание данных с регистров датчика. Данные поступают в
шестнадцатеричном формате и несут информацию о расстоянии до объекта в
сантиметрах (рисунок
6
).


Рисунок

6



Данные

о

расстоянии

до

объекта

(
координаты

0
x
02


старший бит

и

0
x
03


младший бит
), 0
х
16
16
=22
10
см
.


Свойства ультразвукового датчика
SRF
08 представлены в таблице
5
.



18


Таблица

5



Спецификации датчика

SRF
08

Напряжение

5
В

Ток

15
мА
,
3

мА

в режиме ожид.

Частота

40
кГц

Рабочий диапазон

3
см
..6
м

Макс. аналог. усил.

Изменение

до
1025
за

32
шага

Подключение

Шина

I
2
C



Внешний

вид

инфракрасного датчика представлен на рис.
7
.



Рисунок

7



Ультразвуковой

датчик


Комбинированный датчик

Sockol
-
3

При появлении чел
овека в зоне обнаружения срабатывают оба канала
обнаружения (в любой последовательности), при этом выдается извещение о
тревоге путем размыкания контактов выходного реле

[27]
.

Датчик осуществляет постоянный контроль за помеховой обстановкой в
охраняемом по
мещении: если уровень помех по одному из каналов превысит
допустимый, датчик автоматически изменяет алгоритм обнаружения. По
измененному алгоритму обнаружения датчик работает в течение 2 мин, через 2
мин датчик возвращается к основному алгоритму обнаружени
я и цикл
повторяется. Извещение о переходе на другой алгоритм индицируется зеленым
световым индикатором. Если во время работы датчик по алгоритму
обнаружения в условиях повышенных помех выдается извещение о тревоге,
сразу по его окончании датчик возвращает
ся к основному алгоритму
обнаружения.

Свойства комбинированного датчика
Sockol
-
3 представлены в таблице
6
.



19


Таблица

6



Спецификация датчика

Сокол
-
3

Типы
используемых
датчиков

СВЧ, инфракрасный

Напряжение


10..15
В

Ток

30 мА

Рабочий диапазон


5…10
м

Д
иапазон рабочих
температур

-
30..+
50 °C


Внешний

вид

комбинированного

датчика представлен на рис.
8
.



Рисунок

8



Комбинированный

датчик


2.1.
3

Результаты экспериментов и анализ


Основная цель проведения экспериментальных исследований датчиков
движения


сравнительный анализ существующих датчиков, определение
наиболее оптимальных вариантов для использования в интеллектуальной
системе освещения на основе микрокомпьютера
BeagleBone

Black
. Внешний
вид экспериментальной установки представлен на рисунке
9
.


Н
а языке С++ была разработана программа, которая позволяет получить
информацию о срабатывании датчиков при движении в зоне контроля
датчиков.

20



Рисунок
9



Экспериментальная установка для исследования системы
детектирования


В ходе
исследования

датчиков
ра
зличных типов
были выбраны
типичные

представители каждой категории. Данные датчики

использ
овались

в
экспериментальной установк
е
.

Для датчиков движения различных типов была
построена диаграмма, показывающая их зоны действия, найденные
экспериментальным путе
м (рис.
10
). В зоне, которую охватывают все
рассматриваемые датчики, был проведен эксперимент по определению отклика
каждого датчика на движения пешехода.


Рисунок

10



Зоны

детектирования

для

сенсоров

и

экспериментальные

условия


Определение отклика датч
иков на движение пешехода происходило в 3
метрах от места расположения датчиков. Результаты измерений представлены
на рисунке
11
. Расстояние движения пешехода в зоне пересечения всех
21


датчиков составляет 2 метра, при этом расстояние для
Sockol
-
3 и
DP
104 в д
ва
раза больше.


Рисунок

11



Диаграмма

откликов

датчиков

на

движение

пешеходов


В ходе измерений было определено, что наиболее быстрым временем
отклика обладает ультразвуковой датчик
SRF
08, что составляет доли секунды.
Задержка во время вхождения пешеход
а в зону контроля присуща
инфракрасному и комбинированному датчикам, что составляет 0.5 с. При этом
задержка после выхода пешехода из зоны контроля для
DP
104 составляет 5 с., а
для
Сокол
-
3


0.5
c
.

Согласно результатам, представленным на рисунках
10

и
11
,

можем
сделать вывод, что для использования в интеллектуальной системе освещения
наиболее оптимальным является комбинированный датчик. При этом
использование ультразвукового датчика в таких системах вряд ли возможно из
-
за малого угла действия датчика, кром
е того, данный тип датчиков имеет
высокую стоимость относительно других. Также в интеллектуальной системе
освещения возможно использование инфракрасного датчика, так как он
обладает большим углом действия, однако, обладает большей задержкой по
времени.



2.2 Определение изменения погодных условий



Кроме зависимости от интенсивности движения адаптивность
интеллектуальной системы освещения заключается в адекватной реакции на
22


изменении погодных условий.
Под погодными условиями в первую очередь
понимается
уро
вень
естественн
ой

освещенност
и
, обусловленная светом С
олнца
или Луны. Для данной задачи может быть использован фоторезистор, который
изменяет свое сопротивление под действием света.

В качестве экспериментальной установки использовалось схемное
решение, пре
дставленное на рис.
12
. Данная экспериментальная установка
состоит из микрокомпьютера
Beaglebone

Black
,
фоторезистора

и резистора на
10 кОм. Фоторезистор и резистор образуют делитель напряжения, который
используется для того

ч
тобы преобразовать
изменяющуюс
я величину
сопротивления в

значение, которое возможно

измерить на аналоговом входе
ВВВ,
данная величина должна

быть преобразован
а

в напряжение от 0 до 1,8

В.


И
спользуе
мый

ф
оторезистор имеет темн
овое

сопротивление
около

200

кОм, при ярком свете

сопротивлен
ие падает до 1 или 2 кОм.


Рисунок
12



Экспериментальная установка для измерения
освещенности


Электрическая принципиальная схема для используемой
экспериментальной установки представлена на рис.
13
.


Рисунок 1
3



Электрическая принципиальная схема для
подключения
фоторезистора

23


В случае если

фоторезистор освещен
,

его сопротивление
уменьшается
,
так что
напряжение
будет
стремится к значению

1,8 В
.
Наоборот, при
уменьшении освещения
сопротивление
увеличивается
,
и напряжение падает до
0 В.

Далее воспользуем
ся библиотекой
Adafruit_BBIO.ADC

для
использования выводов ВВВ и считаем значение с вывода
AIN
1
BBB

[
28
]
:

��� import Adafruit_BBIO.ADC as ADC


��� ADC.read("P9_40")

0.
64435346654646456

���
ADC
.
read
("
P
9_40")

0.5
9456554555552234


Далее возможно

использовать полученные данные для пересчета в
значения освещенности согласно уравнению, соответствующему
использованному фоторезистору.

Данная схемное решение может быть использовано как для определения
естественного освещения, так и для определения сост
ояния фонаря


при
отсутствии необходимого освещения подается сигнал о неработоспособности
источника освещения.

Также для адекватной работы системы
при использовании СВЧ
-
датчиков
необходимо учитывать наличия дождя

и ветра, что возможно
,

используя данные, с
читываемые с датчиков влажности и ветра
.

Подробное
исследование влияния дополнительных факторов на интеллектуальную систему
освещения планируется в дальнейшем.






24


3 Проектирование системы коммуникации


Система коммуникации, реализуемая в интеллектуальной сист
еме
освещения, определяет не только способ коммуникации между узлами системы,
но и эффективность всей системы.
Контроль над системой освещения
может
быть

как централизованным, так и распределенным. В целом, в
[
29
]
было
показано, что распределенный контроль

более перспективен для использования
в интеллектуальных системах освещения.

Развитие распределенных систем привело к возникновению понятия
межмашинного взаимодействия
(
M
2
M
)
, к которому относят как аппаратные,
так и программные компоненты.

Системы М2М име
ют три категории компонентов:


у
стройства, которые
служат как контрольно
-
вычислительные пункты
для и образуют физический уровень сети коммуникации;


телекоммуникационны
е к
омпоненты, в том числе
шлюзы между сетью
интернета и разнородными сетями (беспрово
дные,
PLC
)
;


д
омены приложений,
обладающие управляющей функцией

[
30
]
.


3.1 Аппаратная часть системы коммуникации


По физическому принципу коммуникационные системы можно
разделить на:



передача информации с помощью линии электропередачи
(
PLC
)
;



передача инфо
рмации с помощью информационной шины;



беспроводная передача информации
(
RF
)
.

Передача информации посредством информационной шины
практически не применяется из
-
за ограничения на топологию сети


возможна
только
физическая топология шины, а также из
-
за огран
ичения на выводы
управляющего устройства

и дополнительные затраты на провода
. Таким
25


образом, рассмотрим наиболее вероятные способы передачи информации


беспроводной и
PLC
.


3.1.1 Проводные системы коммуникации


Передача информации с помощью линии электроп
ередачи представляет
собой

технологи
ю,

пред
назначенн
ую

для передачи
данных с помощью силовых
линий
, используемых для
передачи

электроэнергии.
Для данного способа
передачи информации не требуется дополнительных выделенных линий, так
как передача информации
осуществляется по линии электропередачи.
Выделяют
два основных типа технологий PLC: узкополосны
е

(NB
-
PLC) и
широкополосн
ые

(B
B
-
PL
C
) [3
1
].

В ш
ирокополосн
ой

технологи
и

использует
ся

полос
а

частот

от 1,8 МГц
до 86 МГц и обеспечивает скорость передачи данных

в

сот
ни

Мбит

.
Широкополосная технология

используетс
я в приложениях малой дальности,
что

определяет

в
ысокую скорость передачи данных

[
32
]
.

Низкочастотные
PLC
-
системы

работа
ю
т в пол
осе частот ниже 500 кГц
.
В Европе эта полоса ограничена диапазоном частот от

3 кГц до 148,5 кГц и
разделен
а на 4 частотных поддиапазона, что

регулирует
ся CENELEC и
полностью описан
о

в стандарте EN 50065
-
1

[
33
]
.
Данные

поддиапазоны
определяются как:

• A
-
диапазон
:
3 кГц
-

95 кГц
-

зарезервированы

для поставщиков
энергии для монитори
нга или управления распределительных сетей низкого
напряжения.

• В
-
диапазон: 95 кГц
-

125 кГц
-

может использоваться потребителями
приложений без какого
-
либо протокола доступа.

• C
-
диапазон
: 125 кГц
-

140 кГц
-

зарезервированы для домашних
сетевых систем с

обязательным протоколом доступа CSMA / CA.

• D
-
диапазон
: 140 кГц
-

148,5 кГц


используются
для сигнализации и
систем безопасности без какого
-
либо протокола доступа

[
3
4]
.

26


Основными элементами
PLC
-
сети являются:



PLC
-
контроллер;



модули подключения;



объедини
тельная плата;



блок питания;



программное обеспечение.

Осуществление передачи информации заключается в применении
методов

модуляции. До недавнего времени узкополосные системы были
основаны на отдельных модуляци
ях

несущих
. В
такой

модуляци
и

данные были
получ
ены

путем изменения или модуляции параметров сигнала несущей,
например: часто
ты

модуляции (частотная манипуляция) или фазы модуляции
(фазовая манипуляция)

[
34
]
.

К преимуществам
PLC

можно отнести:



возможность быстрой адаптации существующей сети
электроперед
ачи
, что снижает затраты на проектирование и эксплуатацию;



интенсивное развитие, предоставляющее несколько стандартов
передачи информации.

К недостаткам можно отнести:



затухание и искажения, вызванные электропроводкой и
подключенными электроприборами
.

Прим
енительно к интеллектуальным системам освещения,
в
[
35
]
было
выявлено, что ртутные лампы негативно влияют на качество передачи данных в
PLC
-
сетях.

Данный существенный недостаток можно избежать, используя
светодиодное освещение.

Так же
использование сетей п
еременного тока добавляет гармонические
помехи в
PLC
-
сети и способствует затуханию сигнала. Проводятся
исследования, доказывающие преимущество перехода с сетей питания
переменного тока на сети с постоянным током
[
36
]
.

27


Затруднение, связанное с внедрением
P
LC
-
сетей в России, связано,
пожалуй, со слабым правовым обеспечением для данной технологии
применительно к городской инфраструктуре.


3.1.2
Беспроводные

системы

коммуникации


Беспроводные системы коммуникации, используемые в системах
управления, включают
G
SM
/GPRS

сети
,

сети

[
37
]
,
Wi
-
Fi

[
38
]
,
Zigbee

[
39
]
, сети со сверхширокополосной передачей данных

[
40
]
.


По дальности связи мож
но

классифицировать:

WWAN

(
Wireless

Wide

Area

)
-

беспроводная глобальная
вычислительная сеть
, в которой используют
ся такие технологии, как

UMTS
,
GPRS
,
GSM

и
т.д.

WMAN

(
Wirel
ess


Area

)
-

беспроводные сети
масштаба города,
такие

как

WiMAX
-
се
ть
,

работающая на основе стандарте

IEEE

802.16

со скоростями

1
-
10 Мбит/с

в зоне

4
-
10 км.

WLAN

(
Wireless

Local

A
rea

Network
)
-

б
еспроводная локальная сеть
с

дальностью

действия

до

100
м
.
Wi
-
Fi

(
IEEE

802.11)


наиболее
известный набор
стандартов.

WPAN

(
Wireless

Personal

Area

)
-

б
еспроводн
ая

персональн
ая

сет
ь
,
предназначенная для передачи данных с низкой скоро
стью

и частотой
передачи
2.4 ГГц
.
Bluetooth
,
ZigBee



наиболее известные представители
данной категории.

Преимущества беспроводной передачи данных:



устранение всех возможных затрат, связанных с физической связью
элементы системы;



возможность установления
соединения для устройств,
использую
щ
их различный протокол передачи данных от разных
производителей;

28




возможность автоматически переконфигурировать сеть при
добавлении нового элемента

[
30
]
.

Был проведен сравнительный анализ беспроводных и
PLC
-
сетей
(табл.

7
)

[
41
]
.

Таблица 7
-

Сравнительный анализ беспроводных сетей и
PLC
-
сетей

Беспроводные сети

Узкополосные
PLC
-
сети

(3
-
500 кГц)


И
збирател
ьность канала по времени
обусловлена мобильностью узлов
.


Избирательность по

времени
обусловлена случайными
переключениями

в
энергосистеме
.


С
тохастический характер
изменения

во времени
определяется с помощью

доплеровского

спектр
а
.


Изменение

во

времени, как правило,
периодическ
ое

с периодом, равным

половине

от сети переменного тока
[
42
] с логнормальн
ым

селективн
ым
замирание
м по времени

[
43
].

Мощность уменьшается согласно
݀


/
2
, где
d



расстояние,

η



постоянная распространения.

Мощность уменьшается согласно
݁


(

)


вдоль линии электропередачи
и далее
затухает при прохождении
через трансформаторы.


Дополнительн
ый шум обычно
является стационарным и
Гауссовским.

Дополнительный шум является не
Гауссовским и импульсным с
циклическим компонентом

Динамически изменяющаяся среда
распространения сигналов.

Фиксированная топология сети
обеспечивает детерминированность
про
цесса распространения сигнала

Лимитированная интерференция

Потенциальная интерференция
ограничен
а

несогласованны
ми

пользовател
ями

из
-
за увеличения
развертывания различных стандартов
[
44
].

Многоканальный вход


многоканальный выход (
MIMO
)
широко использу
ется, например, в
WiMAX
и

LTE

MIMO

порядка (
#
проводов


1)
возможна (как например, в стандарте
G
.9964
MIMO

для
BB
-
PLC
)

Глобальная синхронизация по сети
затруднительна

Несущий сигнал переменного тока
может упростить синхронизацию


Согласно сравнительном
у анализу на данный момент самым
перспективным

вариантом для использования в интеллектуальной системе
освещения являются беспроводные технологии, такие как
ZigBee

и
Wi
-
Fi
, так
29


как требуют меньших затрат на установку и эксплуатацию
.

Возможность
использовани
я
Wi
-
Fi

сетей реализуется в данный момент в рамка проекта
SmartLighting

в Германии.

Но в то

же время, согласно
табл.
8

ZigBee

предполагает большее
количество узлов коммуникации и позволяет экономично расходовать
электроэнергию

[11]
.

Таблица
8



Сравнение с
тандартов передачи информации


ZigBee

Wi
-
Fi


Стандарт
IEEE

802.15.04

802.11
b/g

802.15.01

Назначение

Управление

Широкополосная сеть

Мобильные
устройства

Кол
-
во устройств
в сети

До 65 000

32

7

Рабочая зона

100 м

100 м

10 м

Время работы
батареи

100
-
1000 дней

1
-
5 дней

1
-
7 дней


3.2 Программная часть системы коммуникации


В качестве базовых механизмов, используемых в программной части
системы коммуникации, являются:

• о
бщая память: общая область памяти устанавливается между
процессами для вза
имно
го обмена информации;

• м
еханизм
с
ообщени
й
:
м
еханизм
с
ообщени
й

является одним из
коммуникационных примитивов, используемых для связи между процессами.
Процессы взаимодействуют друг с другом,
принимая и отсылая

между собой
сообщения;


конвейер (
p
ipeline

c
o
mmunication
)
:
механизм, выполняющий
перенаправление ввода
-
вывода, т.е. то что выводит на поток стандартного
вывода предыдущий процесс, попадает в поток стандартного ввода следующего
процесса;



сокеты
:
к
аждая сторона открывает порт для установления
сокет
-
соединения, через котор
ое

происходит

переда
ча

данны
х

[
45
]
.

30


Разрабатываемая интеллектуальная система освещения не включает
центрального блока управления. Но данное утверждение верно лишь
относительно аппаратной реализации
-

нет специального устройства в системе,
которое централизованно управляет и контролирует свет
ильники. Однако, если
рассматривать логические уровни функциональной схемы системы, такой
центр существует (табл.
9
)

[
46
]
.

Таблица
9



Структура интеллектуальной системы освещения

Центральный блок управления (Програм. обеспечение)

Скрипты

Маршрутизация/У
ровень коммуникации

Среда передачи информации/Физический уровень

Уровень программного обеспечения


Центральный блок управления является управляющим элементом
системы. Он контролирует все остальные слои, слои, как показано в таблице
9
,
получает сигналы о
т датчиков, устанавливает связь между узлами и
контролирует уровень освещенности источника освещения. Таким образом,
центральный блок управления ассоциируется с каждым узлом
интеллектуальной системы освещения. В ходе работы происходит
коммуникация между да
нными узлами и реализация соответствующих
сценариев.

При обнаружении движения данные с датчика передаются на
центральный блок управления, который, в свою очередь, определяет
направление, скорость, момент обнаружения движения и географические либо
логическ
ие координаты, после чего полученная информация обрабатывается и
выдается команда источнику освещения. Далее центральный блок управления
посылает сообщение об обнаружении движения соседним узлам или получает
от них ответ.

IPv6
-
автоконфигурация сети и получ
ение информации о комфортной
зоне освещения при обнаружении движения
-

сценарии, которые запускаются с
помощью центрального блока управления, когда они необходимы.

31


Для обнаружения движущегося объекта и определенном направлении
движения необходимо, чтобы ка
ждый фонарь обладал координатами, на основе
которых возможно присвоение каждому фонарю уникального местоположения.
Для этой цели в разрабатываемой интеллектуальной системе освещения
используется специальная схема адресации (рис.
14
) в соответствии с [
47
].


Рисунок
14

-

Схема адресации, используемой в интеллектуальной
системе освещения [
47
]


Таким образом, предполагается использование схемы адресации,
основанной на двумерной структуре сетки с координатами X и Y. Эти
координаты кодируются в сетевой адрес каж
дого сетевого узла. Информация о
местоположении является либо логический, основанный на декартовой системе
координат с началом координат (0;0), или абсолютная, на основе абсолютных
географических координат, включающих долготу и широту, полученные с
помощью

модуля GPS.

Автоконфигурирование IPv6 реализует кодирование местоположения в
IPv6
-
адрес каждого сетевого узла, и, таким образом, позиционирует каждый
узел на сетке. Эта функция является преимуществом, так как расположение
32


уличного фонаря может быть устано
влено с помощью запроса IP
-
адреса
соответствующего узла.

В качестве второй части автоконфигурирования IPv6, происходит
определение соседних ламп для каждой лампы, таким образом строя сетевую
топологию ламп, которые затем дают возможность соответствующим об
разом
реагировать на определенное направление движения.

Перед включением соответствующих огней для участников дорожного
движения системой определяется зона освещения для освещения только
необходимого пространства. Для работы данного алгоритма необходимы
с
ледующие входные параметры: местоположение обнаруженного объекта,
направлени
е движения и скорость движения.


33


4

Разработка алгоритма работы интеллектуальной системы
освещения


Рассмотрев возможные технологии для реализации интеллектуальной
системы освещени
я, была разработана схема
узла интеллектуальной системы
освещения
согласно рис.
15
.


Рисунок
15

-

Блок
-
схема узла интеллектуальной системы освещения


В качестве центрального управляющего устройства выбран
микрокомпьютер
Beaglebone

Black
, который осуществл
яет управление
системами детектирования и коммуникации, питанием источника освещения,
платой управления освещением. Измеритель мощности позволяет измерять
силу тока, мощность, что используется для дальнейшего управления
освещенностью, зависимой от поданног
о напряжения. Система детектирования
определяет изменение внешних условий, на основе чего принимается решение
об уровне освещенности. В плату драйвера
LED

включены реализованный
интерфейс, необходимый для управления фонарем, система определения
неисправнос
тей, которая позволяет оперативно реагировать на возникающие
неисправности, система мониторинга температуры, которая необходима для
предотвращения перегрева платы, что может привести к неисправности.
34


Система коммуникации включает в себя как функции передач
и информации
между равнозначными узлами сети, так и функции перед
ачи информации на
сервер данных

для последующего мониторинга

оператором.

Далее для создания полноценной системы необходима комбинация
узлов, рассмотренных выше, создание программной части, на
стройка и отладка
системы. Рассмотрение данных вопросов затрагивает определение
конфигурации системы, что невозможно без определения соответствующих
ограничений и требований к системе, что рассматривается далее.


4
.1 Предварительные исследования
интенсивно
сти дорожного
движения


В данном разделе рассматриваются результаты исследований
интенсивности дорожного движения автомобилей, проведенных в городе
Томске коллективом из Томского государственного архитектурно
-
строительного университета

[
48
]
, и пешеходов, п
роведенных в городе Кётене,
земля Саксония
-
Анхальт, Германия, коллективом из лаборатории
FILA

Университета прикладных наук Анхальта

[
49
]
.

Применение результатов предполагается использовать на улицах г.
Томска



Савиных и Советская как предполагаемые улицы
для тестирования
интеллектуальной системы освещения. Такое допущение возможно за счет
тождественности катег
орий улиц, учитываемых в исследованиях и
предполагаемых улиц для реализации системы освещения.

На рис.
16

представлены результаты исследования интенс
ивности
движения автомобилей.


35



Рисунок
16


Средняя интенсивность движения автомобилей в г. Томске
в зависимости от времени суток


Примем, что в среднем необходимое время освещения


от 20:00 до 5:00.
Тогда для данного времени интенсивность движения


о
т 216 до 1521
ед/ч.


Рисунок

17



Средняя интенсивность движения
пешеходов

в г.
Кётене

в
зависимости от времени суток


Интенсивность движения пешеходов в период необходимого освещения
составляет от 6 до 120 ед/ч. Полученные данные используются в следующе
м
разделе

при определении категории дорог для выбора оптимального уровня
освещенности
.


4
.2 Правовые особенности проектирования дорожных пространств


Данный раздел освящает правовые вопросы проектирования уличных
систем освещения в первую очередь с точки з
рения норм освещенности и
0
500
1000
1500
2000
2500
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
КОЛИЧЕСаВО АВаОМОБИЛЕЙ
В ЧАС
ВРЕМЯ СбаОК
0
20
40
60
80
100
120
140
22:00
23:00
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
КОЛИЧЕСаВО ПЕШЕеОДОВ
ВРЕМЯ СбаОК
36


конструкций элементов освещения для планирования элементов системы
освещения
c

определенной мощностью. Требования по освещенности
позволяют внедрить соответствующие ограничения при имплементации
алгоритма работы интеллектуальной с
истемы освещения


как в аппаратной
части, так и в программной.

Анализ документации основывается на ключевых документах по
проектированию уличного освещения городов:



п
равила устройства электроустановок (ПУЭ). Издание седьмое

[
50
]
;



СНиП 3.05.06
-
85. Электро
технические устройства

[
51
]
;




СН 541
-
82. Инструкция по проектированию наружного освещения
городов, поселков и сельских населенных пунктов

[52]
.

Согласно

проведенному исследованию интенсивности дорожного
движения, можем заключить, что категория рассматрива
емых улиц относится к
В
2

(табл. 10
)

согласно
СП 52.13330.2011 [
53
]
.

Таблица
10



Данные для определения категории дороги

Категория
объектов


Кла
сс


Основное
назначение
объекта


Транспортная
характеристика


Рас
-


четная
ско
-


рость,
км/ч


Число
полос
д
вижени
я в
обоих
направ
-


лениях



Проп
ус
-


кная
спосо
б
ност
ь,
тыс.
ед/ч

Улиц
ы и
дорог
и
мест
ного
значе
ния



Жилая
застрой
ка в
центре
города




В2


Транспортн
ые и
пешеходные
связи в
жилых
микрорайон
ах, выход на
магистрали


Легковой,
специальный и
обслужив
ающи
й грузовой
транспорт,
движение
регулируемое,
пересечения в
одном уровне

60


2
-
4


1,5
-
3



Для найденной категории определим

нормы освещенности (табл.
11
).


37


Таблица
11

-

Нормируемые показатели для
дороги
с регулярным
транспортным движением с асфальто
бетонным покрытием

Катег
ория
объек
та


Класс
объек
та


Средняя
яркость
дорожно
го
покрыти
я

, кд/м
,

не менее


Общая
равномернос
ть
распределени
я яркости
дорожного
покрытия

,

не менее



Продольная
равномернос
ть
распределени
я яркости
дорожного
покрытия
,

не менее



Средняя
освещенно
сть
дорожного
покрытия

, лк,

не менее


Равномерно
сть
распределен
ия
освещеннос
ти
дорожного
покрытия
,

не менее

В

В2

0,6

0,4

0,5

10


0,25


Освещение проезжей части участков улиц, дорог и площадей городских
посел
ений со стандартной геометрией с регулярным транспортным движением
следует проектировать исходя из норм средней яркости дорожных покрытий
, слепящего действия и общей и продольной равномерности распределения
яркости дорожного покрытия
и
. При этом средн
яя яркость
или средняя освещенность покрытия проезжей части в границах транспортного
пересечения в двух и более уровнях на всех пересекающихся магистралях
должна быть как на основной из них, а на съездах и ответвлениях
-

не менее 1,2
кд/м
2
, или 15 лк.

На у
лицах, дорогах и транспортных зонах площадей пороговое
приращение яркости
не должно превышать
15% в диапазоне 0,4
-
1,0 кд/м
2
. А
также на участках городского пространства, где нормируется освещенность,
требуется ограничить предельную силу света светильников

в установке в
направлении водителей под углами 80° и 90° от вертикали соответственно
значениями 30 и 10 кд на 1000 лм суммарного светового потока ламп в
светильнике.

Интеллектуальная система освещения позволяет снижать освещенность
при уменьшении интенсив
ности дорожного движения. При этом необходимо
38


соблюдение норм безопасности для предотвращения дорожно
-
транспортных
происшествий, а также увеличения уровня преступности. Согласно [
53
] в
ночное время допускается снижать уровень наружного освещения городских
улиц, дорог и площадей при нормируемой средней яркости более 0,8 кд/м
2

или
средней освещенности более 15 лк:



на 30 % при уменьшении интенсивности движения до 1/3 от
максимальной величины;



на 50 % при уменьшении интенсивности движения до 1/5 от
максимальной

величины.


Также в ночное время не допускается частичное отключение
светильников при однорядном их расположении и установке по одному
светильнику на опоре, а также на пешеходных мостиках, автостоянках,
пешеходных аллеях и дорогах, внутренних, служебно
-
хоз
яйственных и
пожарных проездах, а также на улицах и дорогах сельских поселений.

Для
надежной ориентации водителей и пешеходов светильники должны
располагаться таким образом, чтобы образуемая ими линия ясно и однозначно
указывала на направление дороги.

Кром
е численного значения освещенности необходимо определить зону
освещенности, которая должна быть больше расстояния безопасного
торможения участников дорожного движения. В табл.
12

представлена
зависимость данного расстояния от скорости движения.


Таблица
1
2

-

Ра
сстояние безопасного торможения

Показатель

Пр
оектная скорость движения, км/ч


40

60

80

100

120

Расстояние безопасного
торможения, м

25


55


100


155


220



При установке фонарей необходимо учитывать шаг
светильников
-

расстояние между с
ветильниками
или их комплексами в одном ряду
по линии
39


их расположения вдоль улицы.

Отношение шага светильников к высоте их
п
одвеса на улицах и дорогах всех
категорий должно быть не более 5:1 при
одностороннем, осевом или прямоугольном

размещении светильник
ов и не
более 7:1

при шахматной схеме размещения

[
52
]
.

Таким образом, были рассмотрены ключевые правовые особенности
проектирования систем освещения. Данные требования включены в
доказательную базу технического регламента, и, соответственно, обязательны к
исполнению.
Соблюдение регламентирующих правил, установленных в
изученной документации позволит удовлетворить необходимым требованиям
безопасности, что является важной особенностью интеллектуальной системы
освещения.


4
.3 Алгоритм работы интеллектуальной с
истемы освещения


Кроме рассмотренных аспектов, затрагивающих ограничения в области
права, проектируемая интеллектуальная система освещения обладает
следующими техническими характеристиками, рассмотренными ранее:



систем является децентрализованной;



сетевой

протокол, используемый в системе,
-

IPv
6;



каждый узел самонастраивается в соответствии с внешними
условиями;



система позволяет использовать как
PLC
,
так и
Wi
-
Fi
,
ZigBee
.

С учетом рассмотренных ограничений
построим функциональную схему
для интеллектуальной

системы освещения
(рис.

18
).

40



Рисунок
18

-

Функциональная схема интеллектуальной системы
освещения


Рассмотрим алгоритм работы для интеллектуальной системы освещения

(
рис. 19)
.

41



Рисунок
19



Общий алгоритм работы
интеллектуальной системы

освещения

42


Алгор
итм работы интеллектуальной системы освещения согласно
рис.

19

следующий:

1.

Происходит инициализация системы, запуск скриптов
первоначальной настройки системы.

2.

Выполняется скрипт автоконфигурации узлов системы для
назначения адресов каждому узлу системы, соз
дается список соседних узлов
для каждого узла.

3.

Далее в процессе работы системы
одновременно выполняются
скрипты управления освещением, определения неисправностей в системе и
мониторинга температуры платы
LED
.

3.1.

П
роисходит постоянный опрос сос
тояния датчиков.

3.1.1.

На основании данных с датчиков выполняется определение
объекта движения
-

движения автомобиля,
мотоцикла и

велосипеда
,
относящихся к категории транспортных средств (С), или пешехода

(
P
)
,
для
которых затем выполняются последующие команды
.

В противном случа
е
возможно
ложное
срабатывание датчиков из
-
за
помех


тогда система
игнорирует такое событие. С помощью датчиков определяются н
аправление


помощью угла (
A
)
относительно координат размещения датчика)

и скорость
движения

(
v
)
.

Возможные события
(Е)
при опре
делении объекта движения:

-

присутствие людей и/или транспортных средств, что и было
обнаружено;

-

присутствие людей и/или транспортных средств, что не было
обнаружено;

-

отсутствие людей

и/или транспортных средств, что и было
обнаружено;

-

отсутствие люде
й и/или транспортных средств, что не было
обнаружено.

43


Второй и четвертый сценарии должны быть идентифицированы
системой в качестве ошибки и не должны влечь за собой неадекватных
действий со стороны системы, т.е. должна происходить обработка ошибок.

3.1.2.

В
ыполня
ется скрипт по определению зоны освещенности
на
основании полученных данных и в
ыполняется контроль уровня освещения.

При
удалении объекта из зоны освещенности происходит снижение уровня
освещенности до того, что было в состоянии покоя.

3.2.

Выполняется скрипт о
пределения неисправностей. Данный вопрос
подробно был рассмотрен в разделе 2.2 данной диссертации.

3.3.

Выполняется мониторинг температуры платы
LED

для
предотвращения перегрева, который может привести к неисправности фонаря и
его платы.

4.

В случае команды выкл
ючения системы, происходит безопасное
выключение интеллектуальной системы освещения.

Далее был подробнее рассмотрен

алгоритм
ы

работы
для скрипт
а


Определение

и контроль

зоны освещения

. Определение зоны освещенности
должно происходить согласно требованиям
безопасности, которые, в свою
очередь
, зависимы от зоны видимости, необходимой при движении с
соответствующей скоростью
, что описывается
полиноминальной
зависимостью

второго порядка
(рис.
20
)

[
54
]
:



10
,
5

2

23
,
8
+
107
,
14
.

При этом зона осве
щения впереди

должна быть
равна или больше зоны
видимости
.


y = 10,476x
2
-
23,81x + 107,14
0
100
200
300
400
500
8,3
11,1
13,9
16,7
22,2
27,8
33,3
РАССаОЯНИЕ
БЕЗОПАСНОГО
аОРОМЖЕНИЯ, М
СКОРОСан ДВИЖЕНИЯ, М/С
44


Рисунок
20



Зависимость расстояния безопасного торможения от
скорости движения

Согласно
[
53
]

возможно
понизить

уровни освещенности
на 30

% и 50 %
при
уменьшении

интенсивности движения до 1/3 и до 1/5 от мак
симальной
величины, соответственно.

Интенсивность в нашем случае в основном падает до 1/5 от
максимальной величины, следовательно, применим в алгоритме снижение на 50
% освещенности.

Согласно
[
55
]

была определена усредненная зависимость светового
потока от

напряжения и мощности, вырабатываемой на лампе

(табл.
13
)
.

Рассмотрение значений светового потока уместно, так как связь между
освещенностью и световым потоком прямо пропорционально.

Таблица
13

-

Связь
значений светового потока

и напряжения фонарей


1/5

2/5

3/5

4/5

Макс. Уровень

Напряжение
, В

140

160

180

200

220

Мощность
, Вт

199

244

293

345

400

Световой поток
, лм

4774

7498

11165

15941

22000



Рисунок
21



Зависимость светового потока от напряжения
светодиодного фонаря


Зависимость светового потока от

напряжения в соответствии с
уравнением линии тренда (рис.
21
) может быть представлена как:

Ф
=
555
,
64

2
+
955
,
64

+
3296
,
6

y = 555,64x
2
+ 955,64x + 3296,6
0
5000
10000
15000
20000
25000
140
160
180
200
220
Свтовой поток, лм
Напряжение, В
45


При прохождении человека определим значение освещенности как 40 %
от максимального значения. Освещенность в темное время суток и в со
стоянии
покоя падает до 10 % от максимального значения.

Включение
интеллектуальной системы освещения целесообразно при снижении
естественного освещения до 20 лк, а отключение


при его повышении до
10

лк

[
52
]
.

Таким образом, определим сценарии
, определяющи
е различный уровень
освещенности (табл.
14
)

Таблица
14



Сценарии различных уровней освещенности

Сценарий


Событие: С*
или Р**

Интенсивность
(I)

Естественная
освещенность,
лк

Освещенность

(E)

1

С

≤1/5

≤20

0,5·E

2

С

1/5

≤20

0,7·E

3

С

1/3≤

≤20

E

4

Р

-

≤20

0,4·E

5

-

-

≤20

0,1·E

6

С или Р

Любая, но на
перекрестке

≤20

E

7
***

C

и Р при
пересечении
зон
освещенности

Любая

≤20

E

или
0,7·E

или
0,5·E

* Транспортное средство

** Пешеход

*
**

Если происходит движение пешехода в зоне освещения,
определенного

для транспортного средства, то выполняется сценарий для
транспортного средства


46


На основе рассмотренных входных данных и сценариев построим
алгоритм
для скрипта ©Определение и контроль зоны освещенияª

(рис.
22
).


Рисунок
22



Алгоритм работы скрипта


Дан
ный алгоритм
выполняется для

одного узла, в котором выполняется
идентификация объекта движения, происходит определение зоны освещения и
осуществляется контроль уровня освещения.
Затем с
ообщение с информацией о
необходимом уровне освещения передается на все

узлы в зоне освещения,
котор
ая

определяется

цел
ым

числ
ом

от произведения расстояния зоны
освещенности на плотность размещения узлов плюс один узел. На соседних
узлах в случае приема сообщения автоматически зап
ускается необходимый
сценарий. При этом в
ажно
выполнение одного сценария для соблюдения
47


однородности освещения во всей зоне. В случае изменения курса движения,
скорости или направления объекта
,

информация
считывается на других узлах и
отправляется на узлы снова, в следствие чего

происходит обновление
сценария.

Определение зоны освещения зависит как от параметров, считываемых
датчиками, так и структуры системы освещения, расположения фо
нарей на
дорожном пространстве: одностороннее, двухрядная в шахматном порядке,
двухрядная прямоугольная, осевая, двухря
дная прямоугольная по осям
движения, двухрядная прямоугольная по оси улицы.

Исследование влияния
каждой архитектуры на работу интеллектуальной системы освещения
планируется в дальнейшем.

Рассмотренный алгоритм может применяться на улицах Савиных и
Советско
й

(от Нахимова до пр. Кирова)

(рис.
23
). Это возможно, так как
соблюдаются начальные условия по интенсивности движения, категории дорог.


Рисунок
23



Предложенный участок дорожной сети для применения
интеллектуальной системы освещения

48


5

Технико
-
экономиче
ское обоснование внедрения интеллектуальной
системы освещения в городе Томске


Выбранная конфигурация интеллектуальной системы освещения,
представленная в Главе 5, является наиболее оптимальной согласно
[
56
]
и
предварительным исследованиям, проведенным в п
роекте
SmartLighting

[46]
[47][49]
.

Так, если сравнивать выбранную интеллектуальную систему
освещения с типичной

системой ос
вещения на основе газоразрядных ламп, то
экономия

может составлять до 77,93 %.

Рассмотрим наиболее оптимальное
оборудование для данно
й конфигурации.

Расчет системы производится с учетом переоборудования
существующих фонарных столбов, таким образом
их
количество
остается тем
же и составляет 46 единиц, установленных на рассматриваемых участках улиц
Савиных и Советская.


В качестве
датчик
ов, применяемых в системе, были выбраны
комбинированный датчик движения Сокол
-
3

[
57
]
, датчик освещенности
PDV
-
P
8001

[
58
]
.

В качестве системы коммуникации
, предлагается использовать
модули

XBee

ZigBee

RF
, работающих на основе стандарта
WiMAX
.

Управляющий мо
дуль выбирается

из альтернатив согласно табл.
15

[
39
]
.

Таблица 15


Альтернативы выбора управляющего модуля


RaspBerry

Pi

Arduino

Beaglebone

Цена,
$

25

35

50

Опер. система

Linux

Производителя

Linux

Подходит для

Проектов с
уклоном в
программную
область

Проектов с
уклоном в
аппаратную
область

Проектов с
уклоном в
программную
область

Кол
-
во выводов

8 цифровых

14 цифровых, 6
аналоговых

65 цифровых


Оптимальным решением по соотношению цены и необходимого
функционала является использование
Raspberry

Pi
.

49


В
качестве источника освещения были выбраны
светодиодн
ые
светильник
и

уличного освещения SLED
-
-
7
-
40
-
Ш1
-
5

[
59
] и
соответствующие дравйвера
104V300MA
.

Более того, необходимы затраты на
установку и
обслуживание
, которые составляют 1237 руб. за фонарный сто
лб.

Таким образом, необходимое оборудование для реализации
интеллектуальной системы освещения может быть представлено в табл.
16
.

Таблица
16



Смета расходов на установку

Наименование

Количество

Цена

Сумма
, руб.

Комбинированный
датчик движения Сокол
-
3

46

1505

руб.

69

230

Датчик освещенности
PDV
-
P
8001

10

0,95
$ = 6
3

руб.

630

Модуль

XBee

ZigBee

RF

46

28,9 $

= 1909 руб.

87

814

RaspBerry

Pi

46

25
$ = 1651 руб.

75

946

Светодиодный
светильник
SLED
-
Street
-
7
-
40
-
Ш1
-
5

46

6000 руб.

276

000

Драйвер для светильник
а
104V300MA

46

635 руб.

29

210

Установка и
обслуживание

46

1237 руб.

56

902




595

732


Таким образом, затраты на оборудование, установку и обслуживание
составляют 595

732 руб.

Далее рассчитаем
годовую экономию электроэнергии:

Э
н
=
(
Р
ДРЛ

Р
СВД
)




ч


С
,

где
Э
н

-

экономия электроэнергии в натура
льном эквиваленте за год,
кВт·ч,

Р
дрл

-

установленная мощность
используемой

в настоящее время ртутной
лампы

высокого давления
, Вт,

Р
свд

-

установленная мощность светодиодной лампы, Вт,

n
-

количество

ламп,

50


N
ч



средняя продолжительность часов работы светильников в году,
определяется как произведение количества дней работы ламп в году на
количество часов работы в день (3
6
5 дней * 7 часов в день);

К
с

-

коэффициент использования
(на данный момент только
доступна
экспертная оценка на основе разработанного алгоритм, представленного в
главе

5).

К
с

= 0,2 + 0,8·
0,5 = 0,6


распределение 20 % для освещения
перекрестков, где не происходит уменьшения уровни освещенности, и 80 % для
освещения улиц, где в среднем у
ровень освещенности составляет половину от
максимального значения.

Получаем

годовую экономию электроэнергии:

Э
н
=
0
,
25

46

2555

0
,
04

46

2555

0
,
6
=
26561
,
78

кВт

ч
.

Тогда годовая экономия в денежном выражении равна:

Э
ден
=
Э
н

Т
э
,

где Т
э



тариф на элект
роэнергию (руб.).

Подставляя актуальные значения тарифа на электроэнергию, получаем:

Э
ден
=
26561
,
78

кВт

ч

4
,
30

руб
.
/
кВт

ч
=
114215
,
65

руб
.

На основе полученных значений затрат и экономии можем рассчитать
простой
срок окупаемости

(
количество периодов)
:

��
=



,

где
I



инвестиции (капитальные затраты) в проект,

Е
t



экономия в период времени (на этапе
t
)
.

Таким образом, находим срок окупаемости внедрения разработки

при
текущих уровнях
стоимости иностранной валюты по отношению к российскому
рублю (н
а 30.05.2016)
:

��
=
595

732

руб
.
114

215
,
65

руб
.
=
5
,
2

года




51


Заключение


В ходе выполнен
ия выпускной квалификационной работы был проведен
аналитический обзор технических решений в области интеллектуальных систем
освещения, концепции умного города.
Рассмо
трены возможные альтернативы
для структурных частей интеллектуальной системы освещения, выбрана
конфигурация, соответствующая максимальной ресурсоэффективности при
создании и эксплуатации системы.

Проведен сравнительный анализ
возможных элементов системы
детектирования, используемой в интеллектуальной системе освещения для
получения необходимой адаптивности системы в зависимости от
изменяющихся внешних условий


наличия дорожного движения и
естественной освещенности. Используя типичные датчики движения и
п
рисутствия различных типов, была разработан
а экспериментальная установка,
с помощью которой проведены экспериментальные исследования скорости
реакции датчиков на движение в зоне контроля, в ходе которой были
определены оптимальные датчики для детектировани
я движения в зоне
контроля.

На основе аналитического обзора возможных технологий коммуникации
были выбраны оптимальные варианты для использования в проектируемой
системе освещения, а также рассмотрены варианты их совмещения с
разработанными решениями по ав
токонфигурированию и определению
соседних узлов в рамках проекта
SmartLighting
.

Был проведен обзор правовой информации по проектированию и
разработке систем уличного освещения в России, и, используя результаты
исследований по интенсивности дорожного движен
ия, был разработан
алгоритм определения и контроля зоны освещения.

Проведен
о

т
ехнико
-
экономическое обоснование внедрения
интеллектуальной системы освещения в городе Томске
на примере улиц
Савиных и Советская, что может быть использовано в дальнейшей
52


имплем
ентации проекта по разработке интеллектуальной системы освещения в
Томске.

В ВКР был проведен анализ экономической эффективности разработки

интеллектуальной

системы

освещения
, разработан план работ для эффективной

реализации проекта, а также определена сум
ма проекта. Кроме того, был

разработан комплекс мер по обеспечению безопасности, как в ходе

разработки,
так и в ходе
эксплуатации разрабатываемой системы
.

Таким образом, полученные результаты дополняют разработанные
элементы интеллектуальной системы освеще
ния научным коллективом на базе
кафедры ФМПК ТПУ и лаборатории
FILA

Университета прикладных наук
Анхальта в рамках проекта
SmartLighting

и позволяют использовать их при
внедрении системы в любом российском городе
.

Стоит отметить, что полученные результаты

используются в условиях
правовой неопределенности, так как в официальных государственных
документах на данный момент не фигурирует термин ©интеллектуальная
система освещенияª.

Результаты по теме разработки были доложены
на
международных
конференциях
,

таки
х как
Международная

научно
-
техническая конференция
"Измерение, контроль,

информатизация"
,
XI
М
еждународная школа
-
конференция студентов, аспирантов, молодых ученых ©
И
нноватика
-
2015ª
,
VI
Научно
-
практическая конфе
ренция с международным участием
©Информационно
-
измерительная техника и технологии 2015ª
, VII
Международная студенческая
электронная научная конференция
©Студенческий научный форумª
-

2015
. Список опубликованных статей
представлен в разделе данной ВКР ©Список публикаций студентаª.


53


Приложение
A

(обяз
ательное)















Раздел 1

Концепция интеллектуальной системы освещения

Smart

lighting

system

concept


Раздел

2

Проектирование системы детектирования

Detection

system

design






Студент:

Группа

ФИО

Подпись

Дата

1
БМ4Б

Гопоненко Андрей Сергеевич




Консультант кафедры

ФМПК


:

Должность

ФИО

Ученая степень,
звание

Подпись

Дата

Профессор кафедры
ФМПК

Юрченко Алексей
Васильевич

д.т.н.,

профессор




Консультант


лингвист кафедры


ИЯФТ


:

Должность

ФИО

Ученая степень,
звание

Подпись

Дата

Доцент кафедр
ы ИЯФТ

Ковалева Юлия
Юрьевна

к.п.н., доцент




54


1 Smart lighting system concept


Smart lighting system concept is a concept of effective power distribution
during process of illumination. This field is booming at the moment because of the
orientation of s
ociety to "green" technologies, as evidenced by the adoption of
important regulatory documents at national and international levels: in particular, the
Kyoto Protocol can be highlighted [9].

By now two generations of smart lighting systems can be distingui
shed. The
first generation is lighting systems based on LEDs. Replacing the classic light sources
to LED light sources can significantly increase the service life, prevent environmental
pollution during disposal [10]. LEDs also allow to adjust the light le
vel that is
currently used in smart lighting systems of the second generation, where the
principles of adaptability and resource efficiency are realized.

The concept of smart street lighting is currently under serious work on the
standardization and furthe
r development. In particular, such a work is carried out in
the leading alliances and societies on smart lighting systems, the Internet of things
-

-
15].

This study aims at develo
pment of smart lighting system for municipalities of
chosen

-


Current research is performed at Tomsk Polytechnic University and A
nhalt
University of Applied Sciences and means the development and implementation of
technical solutions developed within SmartLighting project. Project SmartLighing,
conducted primarily on the basis of the FILA lab at Anhalt University of Applied
Sciences
, aims to develop smart lighting systems for pedestrian areas in the city of
-
Anhalt land, Germany [16].





55


1.1 Comparative analysis


Currently, the smart lighting solutions market is represented by a variety of
solutions. Several Europea
the city in favor of smart lighting systems. For instance, smart lighting system was
implemented in the city of Leipzig in Germany, Quebec in Canada and St. Petersburg
in Russia [10] [17].

iled consideration of typical solutions, five smart lighting systems
were chosen, manufactured by the following companies: OSRAM, Amko Solara, Lux
Monitor, Citenergy, Echelon (Table 1) [18].

The LED lighting is realized in the considered lighting systems.
Adaptive
control is implemented in all systems, but Citenergy system. Lux Monitor and
Echelon use wireless transmission of data with the means of mesh
-
networks and
IPv6. In the case of wireless transmission 6LowPAN standard is used. In OSRAM,
Amko Solara a
nd Citenergy systems power line communication technology (PLC) is
used
-

data transfer via the power line, which is based on the ISO 14908 standard
[19].

Control of the light sources is conducted by Digital addressable lighting
interface (DALI), which was
designed as an interface between the logical and
physical control levels of LED lights. Direct supervision is provided by the
StreetLight Vision system of software control, which is a standardized solution that
can integrate smart lighting systems from mul
tiple vendors [18].









56



Table 1
-

Comparative analysis of smart lighting systems

Features

OSRAM

Amko

Solara

Lux

Monitor

Citenergy

Echelon

Сommunications
technology

PLC
ISO14908

PLC
ISO14908

Wireless
mesh IPv6
6LowPAN

PLC

Wireless
mesh
IPv6

IPv6

No

N
o

Yes

No

Yes

Data
transmission and
throughput

5
kb/s

5
kb/s

10
kb/s

15
kb/s


5
kb/s

Support of
dynamic
working mode
with motion
sensors

Yes

Yes

Yes

No

Yes

Support of
dynamic
working mode
with traffic
consideration

Yes
,
SLV
CMS

Yes
,
SLV
CMS

Yes
,
SLV
CMS

No

Yes

Interface of
lighting source

1
-
10
V
,
DALI

1
-
10
V

1
-
10
V
,
DALI

1
-
10
V
,
DALI

1
-
10
V
,
DALI

Failure
notification

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

* SLV CMS
-



Also, all systems are monitored
ults, which allow

to
respond
to the faults as fast as possible
.

For comparative analysis only foreign manufacturers were selected as no
smart lighting integrated solutions from Russia were found during analytical
overview. The only Russian company dealt wi
th smart lighting integrated solutions
was Rosnano group, but final product has still not been shown [20]. The most
common solutions in Russia now are single lights with motion sensors or LED
lighting system without adaptive control. Nevertheless, for exam
ple, smart lighting

57


Thus, according to the analysis of developed smart lighting systems, the
following trends and key features of the development of such systems can be
identified:

-

dev
eloped systems use LED lighting, which affects the energy efficiency of
the whole system. Currently, the main interface for control LED driver is DALI;

-

the most of the systems adapt to the external conditions
-

the presence of
motion in the control zone,

traffic density, weather conditions. The maximum of
system autonomy is provided and encountered problems can be quickly traced and
corrected;

-

communication in the smart lighting systems is based on the mesh
-
or PLC. At the moment, two technologie
s are intensively being developed and
unified, that allow to apply them at greater extent.

According to these trends, the design of smart lighting system is possible, that
characteristics
.


1.2 Requirements to designed smart lighting system



1.

The system is decentralized, that is, there is no central control unit.

2.

The system can be easily integrated into the urban syst
em.

3.

The state of the system depends on external factors such as the intensity
of the traffic and weather conditions.

4.

Every lamp of the system works autonomously and is self
-
configurable.

5.

The level of ambient light provided by the system must not exceed th
e
stipulated safety requirements.

Thus, a smart lighting system must be able to determine the movement of the
object in the control zone and to control the light level depending on moving object
and its motion characteristics
-

speed and direction of motio
n (Fig
.

1).

58



Fig. 1 The implementation of smart lighting system concept


In addition, the monitoring of weather conditions and the adoption of relevant
decisions by the system when changing weather conditions should be provided.


1.3 The proposed technica
l solution


The proposed smart lighting system structure (Fig. 2) consists of nodes that
combine Beaglebone microcomputer

or another System
-
on
-
Chip module
, detection
and communication modules and LED flashlight.

59



Fig. 2 Block diagram of smart lighting sys
tem


Microcomputer Beaglebone is used as a central control unit of the node. Each
allows to send informatio
needed to determine the volume of traffic generated by automotive vehicles and
pedestrians, as well as changes in weather conditions.


60




The main principle of smart lighting s
ystems is based on the analysis of the
corresponding decisions in order to minimize energy consumption. Such factors
such events, it is
necessary to create an effective detection system. Thus, this chapter includes a
preliminary study of various types of sensors for further use in smart lighting system.




Analysis of traffic is based on the
detection of vehicles‱ and pedestrians‱
movement with high accuracy. Then acquired data of a moving object or objects are
processed, transmitted over the communication channel, and
,

according to the data
,

t, different action scenarios of
intelligent lighting systems can be implemented.

Data on the traffic, which are necessary for intelligent lighting systems are the
fact of movement itself, recorded by various sensors allowing to define a road user
(car or
pedestrian), velocity of the road user, direction of
the
movement. Data coming

Now we will consider the motion sensors, which can be used in intelligent
lighting systems, and make a prelimi
nary study of possible solutions.


2.1.1
Comparative analysis of
s


In [22]
,

,

as well as presence
,

were considered
in detail.
By the

main physical principle
s,


can

be distinguished
:

• acoustic (ultrasound);

• radio wave (microwave);

61



i
nfrared (IR);

• combined.

Each of these types has its own advantages and disadvantages.

Generally,
these disadvantages are associated with the failure of the sensor to detect a person

in
certain conditions or, alternatively, its false respond.

significantly reduce the likelihood of incorrect performance of the sensor. An alarm
signal is generated only if simultaneously or
within a short time interval both
considered, that interferences causing false alarm signals, should differently affect
each detector. Table

2

shows the impact of external facto
rs on the operation of
sensors of different types.

The
©+ª

sign means high sensitivity and
©
-
ª

sign means
low sensitivity, consequently.

Table
2

-

The sensitivity of the sensors to the external factors

Ambient factor

Infrared

Microwave

Ultrasound

Air turb
ulence

+

-

-

Rain

-

+

+

Changes in
temperature

+

-

+

Bright light

+

-

-

Electromagnetic
interference

+

+

-

Fluorescent lighting

-

+

-

Vibration

+

+

+

Moving outside the
control zone

-

+

-

Animals

+

+

+


The table shows that the majority of ambient

changes have different effects on
sensors.

The most widely used combination at present is a combination of microwave
and infrared detection principles. Much less often, a c
ombination of ultrasound and
62


infrared detectors is used. There are also some examples of sensors which use three
different physical principle of detection, but such sensors are almost not used [
23
].


2.1.
2

Experimental unit


The most widespread motion sens
ors used in smart lighting systems are radio
-
wave, infrared, ultrasonic, and combined.

An experimental unit was assembled. It included a detection system of t
he
smart lighting system (Fig. 3
). Its main components are BeagleBone Black
microcomputer, infrar
ed sensor DP104, ultrasonic sensor SRF08, combined sensor
Sockol
-
3, power supply unit with outputs 5V, 12V.


Fig. 3

Experimental mockup


Microcomputer BeagleBone Black.
Microcomputer BeagleBone Black is
used as a control unit that performs a program of in
formation readout from sensors.
BeagleBone Black specifications are presented in Table
3

[
24
]
[25]
.



63


Table
3



Specifications of BeagleBone Black

Processor

1 GHz AM335x

Memory

512 Mb DDR3 (faster 1.6 Gb/s and lower power)

Storage

On
-
board 2 Gb eMMC (4 Gb

eMMC on the Revision C
board) and micro
-
SD card slot

Video

On
-
board HDMI

Debugging

JTAG header present but not populated

Serial Connection

TTL header present but separate cable needed

Input/Output
Headers

GPIO, analog outputs/inputs, 5 V, 3.3 V, 1.8 V

power
supply, timers, buses: I
2
C, UART, CAN, SPI, GPMC,
MMC, LCD, McASP


Face view of the BeagleBone Black is shown in Fig.
4
.


Fig.
4

Face view of the BeagleBone Black


In addition to control of the movement sensors in
smart

lighting system
,

microcomp
uter is connected to a communication unit that performs communication


Infrared PIR Motion Sensor.


The used sensor is shown in Fig.
5
. Specifications of used infrared sensor are
presented in Table
4
.

64



Fig. 3 Infrare
d sensor


Table
4

-

Specifications of DP
104

Power

DC 12 V


6
-
10 m

Output

Max 100 W LED lamp


5s~6min


2~2000 lux

Material

ABS

IP Rating

IP65


Ultrasonic sensor SRF08.
SRF08
u
ltrasonic sensor connects
to
Beagl
eBone
Black microcomputer with a serial data bus I
2
C.

At first stage of work microcomputer initializes address of the sensor
connected through the protocol I
2
C [
24]. S
can
ning

the monitored area with the sensor
requires a command that sends certain value t
o the command register SRF08. The
next step is reading out data from sensor registers. Data are received in hexadecimal
format and carry information about distance to the object in cm (Fig.
6
).


Fig.
6

Distance data to the object (cell 0x02
-

significan
t bit and 0x03
-

the
least significant bit), 0
х
16
16
=22
10
cm.


65


Features of SRF08 ultrasonic sensor are presented in Table
5
.

Table

5

-

Specifications

of

SRF
08

Voltage

5 V

Current

15 mA Typ. 3mA Standby

Frequency

40 KHz

Working range

3 cm..6 m

Max Analo
gue Gain

Variable to 1025 in 32 steps

Connection

Standard I
2
C Bus


The used sensor is shown in Fig.

7
.


Fig.
7

Ultrasonic sensor


Combined sensor Sockol
-
3.
he same time an alert is produced
by switching off output relay contacts

[27]
.

Sensor continually monitors interference signaling environment in protected
room: if interference level through one of channels exceeds tolerable, the sensor
automatically chang
algorithm and the cycle begins to repeat. Transfer to another algorithm is indicated by
the green light. I
conditions of increased interference, immediately after its termination, the sensor


Specifications of Sockol
-
3 combined sensor are presented i
n Table
6
.



66


Table

6

-

Specifications

of

Sockol
-
3

Types of sensors
used

Microwave, infrared

Voltage

10..15 V

Current

30 mA

Working range

5…10 m

Working
temperature range

-
30..+
50 °C


The used sensor is shown in Fig.
8
.


Fig.
8

Sokol
-
3 sensor


2.1.3

Experimental results and analysis


The main aim of experimental investigations of motion sensors is
to conduct

a
use in the smart lighting system on the basis of BeagleBo
ne Black microcomputer.
The used experimental unit is shown in Fig.
9
.


67


Fig.

9

investigations


С
++ based program was designed. It allows receiving information about
sensor actuation at a motion in t
he sensors' control area.

In the study of different sensors, the most typical devices from each category
were chosen. These sensors were used in the experimental unit. For motion sensors of
different categories, a chart is built to show areas of their cov
erage determined by an
experiment (Fig.
10
). An experiment was performed in the area covered by all
motions.


Fig.
10

Detection areas of motion sensors and experimental condit
ions


sensors' location. Measurement data are presented in Fig.
11
. The area of all sensors
Sockol
-
3 and DP104.

time appertains to ultrasonic sensor SRF08 that is second splits. Delay in time when a
68


pedestrian enters the controlled area is typical for an infrared sensor and a co
mbined
one. It is 0.5 second. At that a delay after pedestrian leaving the controlled area is 5
seconds for DP104 and 0.5 second for Sockol
-
3.


Fig.
11

Chart of sensors' responses to pedestrian motion


Relying on the results presented in Fig.
10

and
11
,
we can conclude that
combined type of sensors is the most optimal solution for the use in smart lighting
systems. The use of ultrasonic sensor in such systems is hardly possible due to the
small angle of sensor action. More than that, this type of sensors
are rather costly in
comparison with the rest ones. Furthermore, it is possible to use an infrared sensor in
smart lighting systems as it has a great angle of action; however, it is characterized by
a bigger delay in response time.


hanges in weather conditions


In addition to depending on traffic intensity, an adaptability of smart lighting
system
means

an adequate response to changing weather conditions. The weather
conditions are primarily the level of natural light, referring to
the light of the sun or
the moon. For this task, the photoresistor can be used which changes its resistance
under the action of light.

2

was used. This
crocomputer, photoresistor and
resistor of 10 kOhms. Photoresistor and resistor form a voltage divider, which is used
to convert the changing resistance value to a value that is possible to measure at the
analog input of the BBB, this value must be convert
ed into a voltage of 0 to 1.8 V.

69


Photoresistor, that had been used, had the dark resistance of about 200
kOhms. In bright light the resistance drops to 1 or 2 kOhms.


Fig. 1
2



The electrical circuit diagram f
in Fig. 1
3
.


Fig. 1
3

Electrical circuit diagram for connection of photoresistor


If the photoresistor is illuminated, its resistance decreases, so the voltage
approaches the value of 1.8 V. On the contrary, wi
th decreasing of the light, the
resistance increases and the voltage drops to 0 V.

T
he Adafruit_BBIO.ADC library to BBB was used to
connect to

BBB pins.
The values from AIN1 of BBB were read:

��� import Adafruit_BBIO.ADC as ADC

70



��� ADC.read
("P9_40")

0.64435346654646456

��� ADC.read("P9_40")

0.59456554555552234


Afterwards it is possible to use carried data to calculate the value of
illumination according to the equation appropriate to
the
photoresistor.

This circuit design can be used both f
or determining the ambient light, and to
-

in the absence of the necessary lighting a signal of
inoperability of the light source can arrive to operator.

Also, for the adequate operation of the system while using microwave
sensors, it is necessary to take into account the availability of the wind and rain, that
experimental investigations of additional factors affection on smart lighting system
will be performed in the future work.




Приложенные файлы

  • pdf 7013038
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий