使用交通自适应控制的节能智能街道照明系统外文翻译资料

Energy-Efficient Intelligent Street Lighting System Using Traffic-Adaptive Control

Abstract

Lighting, both indoor and outdoor, consumes a substantial amount of energy, making improved efficiency a significant challenge.A promising approach to address outdoor lighting is the smart control of public lighting. Smart lighting using electronically controlled light-emitting diode (LED) lights for adaptable illumination and monitoring are bring used to achieve energy efficient system. However, the traffic engineering integrated with smart control for energy optimization has not been used widely. In this work,a novel concept of traffic-flow-basedsmart(LED) street lighting for energy optimization is proposed.

The developed smart grid architecture based system uses low power ZigBee mesh network to provide maximum energy efficiency in response to adaptive traffic on the road. Moreover, the scalable wireless network of smart LED lights offers improved reliability, reduced cost and more user satisfaction. In order to validate the performance, the proposed system was implementedand tested in a real environment inside a university campus.

Experimental results show that in comparison to replaced conventional metal halide lighting, our system is capable ofa 68% to 82 % energy savings depending on variations in daylight hours between summer and winter.A significant reduction in greenhouse gases, improved overall system reliability, and reduced maintenance due to smart control suggest promising results for future wide-area deployment.

Index Terms-Efficient network control, smart lighting system, smart grid, sensors, traffic flow, wireless mesh network.

Keywords Efficient network control；Intelligent lighting system；Smart grid；sensor；flow rate；Wireless grid network.

I. INTRODUCTION

Projections state that by 2050 approximately two thirds, i.e., three billion people are expected to live in cities,accounting for 70 % of energy consumption and greenhouse gas emissions [1]. As a result, energy efficiency and green communications are at the heart of the global transition to a resource-efficient economy and realization of smart and sustainable strategies. Lighting is a key part of this goal, accounting for 19 % of global energy usage, which results in approximately 6 % of environmental pollution associated with hazardous greenhouse gases (GHG) [2]. Therefore, energy efficiency for both indoor and outdoor lighting has emerged as an essential factor in strategies for a resource-efficient economy and realization of smart and sustainable growth [3].

In the area of outdoor lighting, public lights represent approximately 40 % of total energy consumption and have great energy savings potential with efficient lighting using electronics control [4]. The higher amount of energy consumption associated with street lights is mainly contributed by the inefficient system, in which luminaries require high amount of energy. Moreover, from lifecycle perspective, the major cost related to conventional lighting system stems from its operation i.e., energy and maintenance and not from original investment cost. According to an estimate, Europe alone can save three billion euros in migrating from conventional system to new street lighting [3].

Strong financial and technological drivers and rational use of electricity in street light application has resulted in the use of solid state light-emitting diode(LED). LED has dramatically changed the lighting industry via new avenues, both in lightefficiency and associated control electronics. It offers the benefits of increased system life, reduced power consumption, and less environmental pollution as compared to conventional lighting. With the smart control, it has emerged as a new generation of intelligent luminaries utilizing the integration of smart sensors and control with the variety of connectivity interfaces [5]. In street lighting, the smart networked lighting using LED has added the features of adjustable dimming, occupancy control, and optimal luminaire operations, which not only reduces energy consumption but also offers longer life and less maintenance to cut the system cost.

Wireless sensor network(WSN) with its ubiquitous nature and easy to monitor and control capability is the back bone of large variety of cyber physical systems (CPS) applications in evely domain [6]. In terms of outdoor smart lighting, WSN integrated with networked LED luminaires has potential to conserve considerable amount of energy with the capability of centralized sensing and computing, power management, anddynamic demand response [7]. The low power, less complex and more reliable WSN offered by ZigBee has emerged as a preferable choice for energy efficient indoor and outdoor lighting [6],[8].[9][10]. Specifically addressing the energy efficient smant street lighting, the combination of LED and ZigBee protocol offers adaptable dimming in accordance with ambient conditions, occupancy control and automatic fault detection. These features have allowed many systems to demonstrate considerable amounts of energy savings with greater monitor and control capability, and reduced maintenance[11]-[13]. Energy efficient wireless systems using LED luminaries with illumination and integrated monitoring and control is not new. However, in this article, the concept of

smart street lighting with adaptive traffic control is introducedas the next level of intelligence. The major contribution of this paper is to adjust the luminance intensity of smant LED lights according to the changing diurnal traffic volume present on the road. This experimentally implemented adaptive control can be used to conserve the optimal amount of energy in accordance with varying seasonal day light timing, as well as to reduce the emissions to a minimum level. Moreover, the smant grid platform with demand response (DR) and advanc

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使用交通自适应控制的节能智能街道照明系统

摘要

室内和室外照明消耗大量能源，使提高效率成为一项重大挑战。解决户外照明的一个有希望的方法是智能控制公共照明。智能照明采用电子控制发光二极管（LED）灯进行适应性照明和监控，用于实现节能系统。然而，与智能控制相结合的交通工程在能源优化方面尚未得到广泛应用。在这部作品中，提出了以交通流量为基础的智能（LED）街道照明能源优化的新概念。

开发的基于智能电网架构的系统使用低功率 ZigBee 网状网络，以提供最大的能效，以应对道路上的自适应交通。此外，智能 LED 灯的可扩展无线网络可提高可靠性、降低成本和提高用户满意度。为了验证性能，建议的系统在大学校园内的真实环境中实施和测试。

实验结果表明，与取代传统的金属卤化物照明相比，我们的系统能够节省68%至82%的能源，这取决于夏季和冬季白天的变化。温室气体的显著减少、系统整体可靠性的提高以及智能控制导致的维护减少，为未来的大面积部署带来可喜的成果。

关键词 高效网络控制、智能照明系统、智能电网、传感器、流量、无线网格网络

1. 绪论
   1. 引言

预测指出，到2050年，预计约有三分之二的人居住在城市，占能源消耗和温室气体排放的70%[1]。因此，能源效率和绿色通信是全球向资源节约型经济和实现明智和可持续战略过渡的核心。照明是这一目标的关键部分，占全球能源使用量的19%，导致约6%的环境污染与有害温室气体（GHG）[2]有关。因此，室内和室外照明的能效已成为实现资源节约型经济和实现智能和可持续增长战略的一个重要因素[3]。

在户外照明领域，公共照明约占总能耗的 40%，使用电子控制高效的照明[4]具有巨大的节能潜力。与路灯相关的高能耗主要是由于效率低下的系统造成的，在这种系统中，灯饰需要大量的能量。此外，从生命周期的角度来看，与传统照明系统相关的主要成本来自其运行，即能源和维护，而不是原始投资成本。据估计，仅欧洲就可节省30亿欧元，从传统系统迁移到新的街道照明[3]。

强大的财政和技术驱动因素以及路灯应用中合理用电，导致使用固态发光二极管（LED）。LED 通过新的光效率和相关控制电子产品的新途径极大地改变了照明行业。与传统照明相比，它提供了系统寿命增加、能耗降低和更少的环境污染的益处。通过智能控制，它已成为新一代智能发光器，利用智能传感器集成并使用各种连接接口控制[5]。在街道照明方面，采用 LED 的智能联网照明增加了可调节调光、占用控制和最佳氧化铝操作等功能，不仅降低了能耗，而且延长了使用寿命，降低了系统维护成本。

• 1. 无线通信应用与街灯

无线传感器网络（WSN）具有普遍存在的性质和易于监控和控制的能力，是各个领域中各种网络物理系统（CPS）应用的后骨[6]。在室外智能照明方面，WSN 与联网 LED 灯具集成，具有集中传感和计算、电源管理和动态需求响应的能力，具有节省大量能量的潜力[7]。ZigBee 提供的低功率、更不复杂、更可靠的 WSN 已成为节能室内和室外照明的首选[6]，[8]，[9]，[10]。

LED 和 ZigBee 协议的结合特别针对节能的街道照明，可根据环境条件、占用控制和自动故障检测提供适应性调光。这些功能使许多系统能够表现出相当大的节能能力，具有更大的监视和控制能力，并减少了维护[11]-[13]。使用具有照明和集成监控的 LED 照明的节能无线系统并不新鲜。然而，在这篇文章中，具有自适应交通管制的智能街道照明的概念被引入到一个新的水平智能。本文的主要贡献是根据道路交通流量的变化，调整照明LED灯的亮度强度。这种实验性实施的自适应控制可用于根据不同的季节日光时间保存最佳能量，以及将排放量降低到最低水平。此外，具有需求响应 （DR） 和高级计量信息 （AMT） 的智能电网平台为智能路灯成为未来绿色城市的综合部分提供了可能性，成为未来绿色城市的集成部分。

论文的其余部分结构如下：第二节概述了相关工作。第三节讨论了所提出的智能照明系统、通信架构和开发的图形用户界面 （GUI）。第四节介绍了交通流量模型的理论建模和数学分析。第五节介绍了硬件设计和系统建设。第六节介绍了系统实施情况以及对成就和结果的讨论。最后，第七节提出了今后工作的结论和领域，以得出本文。

1. 相关工作

回想起来，有几项工程都建议使用有线和无线技术进行智能街道LED照明和电子控制。在有线控制方面，电线通信（PLC）是节能照明的可行解决方案，提高了用户满意度和故障监控和检测[14]。然而，在大多数文献中，无线传感器网络是首选。优先无线网络的明显原因是电缆捆绑、系统改造困难、与有线系统相关的高成本和维护等主要缺点[6]。另一方面，无线系统具有成本低、安装方便、网络可扩展、自我修复等明显优势。因此，许多室内和室外照明系统都实现了WSN节能智能照明。[15]，[16]工程提出了节能、无线、室内解决方案，使用照明控制智能灯。在[15]中，系统根据用户活动对照明要求进行模型，并就光强度做出决策以节约能源。[16]中的测试台提出了一种具有环境智能的智能LED照明解决方案。配备LED阵列和WSN的数字可寻址照明接口（DALI）控制器不仅可延长运行寿命，还能降低室内办公室的整体能耗。[17]的研究开发了一种原型，以证明使用现有无线网络进行路灯照明的电力节省机制。该系统采用GSM移动通信的短信服务和基于微控制器的设计，控制路灯的开/关切换，以节省能量。但是，该工作不包括能够改变光强度或基于时序的自动光的智能控制机制。

低功耗 WSN（特别是 ZigBee 技术）的飞速发展，加上固态 LED 灯的快速增长，使得无线智能照明产品成为增长最快的技术市场之一，前两年的销售额增长了数千倍[18]。因此，带LED灯的ZigBee低功耗和可靠的无线网络一直是室内和室外节能智能照明的首选[6]，[11]，[13]，[19]，[20]，[21。ZigBee通信和智能LED照明系统在[6]中的实际部署表明，这是一个可行、节能和可持续的解决方案。该系统结合了PIR存在传感器、PWM亮度控制、LED灯面板和低成本ZigBee通信模块，可根据不同的日光条件和照明控制，将室内办公室高达70%的能耗降低。[19]中的工作建议ZigBee光链路（ZLL）作为智能家居照明控制的可行无线控制解决方案。在智能街道照明中，在[21]中开发了基于ZigBee的低功耗网络。该网络提出了一种节能解决方案，以自动故障检测和集成可再生太阳能作为提高电力效率的替代来源。该研究基于ZigBee和LED灯，用于车辆检测的交通安全该研究以[22]为蓝本。它为太阳能供电和无线连接的LED灯组提出了一个框架，这些灯组根据高速公路上的交通状况而打开和关闭。但是，该工作没有提出任何实施或拟议的系统分析。

关于最近各种事物的发展(ToT)以及基于IP的无线传感器（如ZigBee3.0）的引入，智能照明已成为这项新技术的催化剂，并有望成为未来智能城市的综合组成部分[23]。例如，在帕多瓦智能城市（PSC）项目[24]中，提出了与公共和私人政党合作实现ToT的实施方案。该项目针对互联公共街道照明，以监控不同的环境参数，并通过互联网网关管理电力，以考虑到设计基于物联网的城市物联网智能照明的关键问题。基于JenNet-IP堆栈的商业互联网节能照明解决方案由NXP GreenChip提供，是一个重要的例子[25]。然而，各种网络之间的互操作性、不同驱动程序的易用性以及安全性等挑战是需要解决的问题，以便使系统能够适应未来的应用。

这项工作是设计和开发一个智能网格格子系统使用开放标准ZigBee标准。它不仅旨在提供一个低成本的可互操作网络，而且还旨在通过自适应的特拉菲克控制来降低能效。此外，该系统布置在一个可以轻松集成到未来低功耗无线网络与互联网连接和来自不同市场的设备的质子上。

1. 建议的系统

随着能源消耗的不断增加，公用事业公司寻求具有成本效益的战略，以改善网络运营和消费者消费[26]。为了设计满足AMI和DR要求的网络，应用各种通信标准来符合智能电网框架。客户的前提是由家庭区域网络 （HAN）、建筑商务区网络（BAN）或工业区域网络（IAN）覆盖。邻里区域网络（NAN）[27]是AMI的一部分，将客户的前提网络连接到公用事业公司。NAN可以使用无线（例如，RF网/802.15.4克、WiMAX 或 3G）或有线网络（BPL/PLC、光纤、电缆）。互联网服务提供商（ISP），如电缆、数字用户线（DSL）、微波接入全球互操作性（WiMAX）等将通过宽带接入路由器连接到前提XAN。

1. (b)

图1 （a）系统网络模型 （b）建议的智能路灯系统

拟议系统的网络基于 ZigBee 标准，基于 IEEE 802.15.4 即物理 （PHY） 和中等访问控制 （MAC） 中定义的层。它使用 ZigBee 家庭自动化配置文件构建了 LED 灯的无线网格网络。TCP/IP 协议用于为远程控制监控和需求响应能力提供网络扩展性，为前提能源管理系统 （PEMS） 开发图形用户界面 （GUI）。

建议的系统及其网络模型在图1中显示。在系统中，通过 ZigBee 网关远程观察和控制智能负载的归因。网关节点充当 ZigBee 网络与另一个网络之间的桥梁，在两个异构网络之间执行协议转换。设计的 ZigBee 网关可在异构网络之间提供互操作性，提供 ZigBee 网格网络和 TCP/IP 网络之间的消息转换。通过将连接到智能 LED 的 ZigBee 节点配置为 ZigBee 路由器，可以保持网络的可靠性。将每个节点配置为路由器，通过将节点网格在一起，使系统保持可靠，从而为开发系统提供稳健性。智能负载形成个人区域网络 （PAN），并通过能源服务门户 （ESP） 与前提内联网连接。如果部署区域较大，则可能会创建具有相应 ESP 的其他 PAN。所有 ESP 都通过原始内联网与前提能源管理系统 （PEMS） 进行通信，或者通过 ISP 与服务提供商进行通信。

3.1 通信架构

系统通信结构的主要组成部分是智能 LED 灯、ZigBee 协调员或网关以及监控格子。

智能路灯具有不同的传感器来监控和控制灯饰。它包括温度、亮度和功率计量传感器，以控制调暗水平并检查状态。这些名人在 ZigBee 网格网络中联网，该网络与路灯协调员进行 PAN 接口。在此 PAN 中，在检查可靠的通信和安全以促进网络增长后，通过协调员添加设备（路由器）。此网格网络在设备之间提供可靠的通信，因为网络中的节点可以访问网络中活跃在无线电范围内的许多其他节点（设备）。其结果是，通过 WIN 传达的每个数据包可以有多个可能的路径到其目的地。这种灵活性使网格网络在适应无线电频谱干扰或阻塞到特定无线电路径的意义上非常坚固。WMIN 还使网络能够扩大规模并覆盖更大的物理距离。

ZigBee 路灯协调员从所有路由器收集信息，并与电源管理系统接口。它作为 ZigBee 网络和 TCP/IP 网络之间的网关实体，为本地网络的远程监控提供两个网络之间的互操作性。此 ZigBee 网关以两种方式翻译消息：

i. 从传感器获取数据，并将 ZigBee 数据包转换为互联网数据包格式，然后再通过 intemet（传出消息）发送。

ii. 通过网关（传入消息）将远程用户发送的任何 LED 灯或控制命令的状态转换为 ZigBee 数据包格式。

开发的前提能量和管理（PEMS）软件接口使远程操作员能够访问、观察和管理系统的当前状态。PEMS 运行在通过 intemet 直接连接到网关（客户端）的服务器 PC 上，提供运营商和客户端网关之间的双向通信。在当前情况下，通过 PEMS 维持计划调暗级别，并传达给管理路灯网络的协调员，以便使用预调频定期执行分配的任务。已存储的定义说明。PEMS 还提供绕过预先定义的时间表并根据需求控制单独或组智能 LED 灯的选项;但是，由于亮度在不分散驾驶员注意力的情况下发生平稳变化，因此首选组控制。远程用户能够单独或集体控制路灯。除了调暗控制外，它还监控 LED 路灯的环境温度、光线和功耗状况。

图2.开发用于电源和能源管理的图形用户界面

为了适应性地控制灯饰，即根据时间变化流量调整其亮度级别的决定，该软件可以与安装在路上的交通传感器或通过路灯协调员的车辆通信网络进行接口。图2说明了状态和控制选项：图的上半部分表示远程用户的图形用户界面 （GUI），下半部分显示特定节点的捕获状态。

3.2 传感器和执行器

该系统旨在高效控制智能 LED 灯，以节省能源。在系统中，不同的传感器和执行器与发光器相关联，通过无线网络监控和控制发光器的性能及其周围环境，以便进行自适应控制。执行器主要依靠通过传感器收集的信息。

3.2.1 光传感器

与智能 LED 灯具相关的光传感器可监控灯的附近，并定期更新远程操作员的亮度水平。根据数据使远程用户了解特定位置的亮度状态，用户控制输入功率以调整照明水平，根据需求或按计划节约能源。

3.2.2 温度传感器

温度传感器焊在控制器的打印电路板 （PCB） 上，以提供灯的内部温度读数。当温度超过安全限制时，温度传感器会提醒远程用户。获得的信息以无线方式发送给协调员，该协调员将温度状态实时传输到服务器。

3.2.3 功率计量传感器

为了确定灯光是否按需工作，除了光和温度信息外，还定期监测灯的功耗。

测量智能发光的功率还提供了一个诊断功能，表示基于电源故障的故障。

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1. 理论建模与分析
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