Сенсорная сеть и электронный балласт для индивидуального управления уличными светильниками
В статье описана автоматизированная система контроля уличного освещения (АСКУО) индивидуальными электронными балластами (ЭБ) на основе технологии беспроводных сенсорных сетей. Значительный экономический эффект, по сравнению с известной технологией на базе протокола Echelon, достигается за счет функции самоорганизации сенсорных сетей на основе оригинального алгоритма определения местоположения сенсоров, исключающей затраты ручного труда при монтаже и развёртывании АСКУО.
Опубликовано в журнале “Автоматизация в промышленности” №9/2011
В традиционных системах автоматизированного управления уличным освещением (АСКУО) используются промышленные программируемые контроллеры для группового управления некоторым количеством светильников единственным сигналом. Например, АСКУО GSM-контроль (ООО “Зареалье”) основана на ПЛК производства компании FF-Automation (Финляндия), которые осуществляют обмен данными с центральным сервером по каналам сотовой связи стандарта GSM. Для коммутации светильников используются магнитные пускатели, а обнаружение перегоревших ламп в группе призводится за счет контроля изменений потребляемой мощности.
Несмотря на то, что традиционные системы экономически эффективны для удаленного управления освещением, обнаружения перегоревших ламп и управления энергосберегающим режимом освещения в ночное время, многие муниципалитеты желают получить , способную управлять каждым светильником индивидуально. Например, в городе Осло реализован масштабный проект реконструкции сети наружного освещения, начавшийся в 2006 году. В проекте использовались интеллектуальные электронные балласты (ЭБ) SELC Ireland Ltd., протокол обмена данными Echelon LonWorks с передачей информации по силовым сетям и программное обеспечение DotVision Streetlight Suite и Philips StarSense. В результате внедрения АСКУО экономия энергии составила 46% (в стоимостном выражении 40%), экономия на инспекции неисправных светильников 80%, снижение выбросов CO2 на 50%.
Вместе с тем, стоимость монтажа свыше 55 000 электронных балластов и около 1000 контроллеров Echelon i.LON 100 Internet Server оказалась высока, за счет чего срок окупаемости проекта превышает 7 лет при западноевропейских ценах на электроэнергию. Помимо стоимости аппаратного обеспечения, значительный вклад в себестоимость проекта внесли работы по индивидуальной настройке каждого блока ЭБ, включающие присвоение уникального идентификатора и привязку к местности в гео-информационной системе. В описываемом проекте каждый ЭБ является автономным сетевым устройством с собственным IP-адресом. Программное обеспечение DotVision Streetlight Suite и Philips StarSense способно отображать состояние каждого светильника на карте города, однако это требует привязки каждого ЭБ к географическим координатам. Встраивание GPS-приёмника в ЭБ нецелесообразно по причинам себестоимости оборудования и неустойчивости работы GPS в условиях многоэтажной застройки. Поэтому, вводить координаты каждого монтируемого ЭБ приходилось вручную с помощью специализированного графического программного обеспечения.
ООО “Зареалье” предлагает устройство автоматизированной системы контроля уличного освещения (АСКУО) индивидуальными электронными балластами (ЭБ) на основе технологии беспроводных сенсорных сетей. Значительный экономический эффект, по сравнению с описанной технологией на базе протокола Echelon, достигается за счет функции самоорганизации сенсорных сетей, исключающей затраты ручного труда при монтаже и развёртывании АСКУО.
В приложении к АСКУО сенсорами являются блоки ЭБ, непосредственно управляющие светильниками. Предложен оригинальный алгоритм определения местоположения узлов сенсорной сети в привязке к местности. В этом алгоритме используются распределенные вычисления для совместной оценки местоположения каждого узла сенсорной сети всей совокупностью сенсоров. Данный алгоритм не требует сложных вычислений с плавающей точкой, в нём не используется метод триангуляции. Реализация алгоритма возможна в простейших 8-битных микроконтроллерах. За счет применения беспроводной связи ближнего радиуса действия, при котором передача данных производится между ближайшими соседними узлами сенсорной сети, система устойчиво работает в условиях городской застройки, внутри помещений, под эстакадами и т.п.
Идея использования сенсорных сетей для управления уличным освещением до недавнего времени встречалась с серьезными трудностями.
Одной из проблем создания сенсорных сетей является адресация узлов и маршрутизация сообщений в сенсорных сетях. Обычно адрес каждого узла основывается на уникальном идентификаторе узла, задаваемым аппаратно при изготовлении узла или программно при развертывании сенсорной сети. Известные способы самоорганизации сенсорных сетей представляют собой разнообразные комбинации способов составления таблиц маршрутизации и способов присоединения новых узлов к существующим сетям. Необходимость хранения таблиц маршрутизации в каждом узле приводит к топологическим ограничениям. Например, обычным ограничением является предельное количество узлов, непосредственно соединяемых с данным узлом, и предельную длину цепочки взаимосвязанных узлов, начиная от корневого узла. На нынешнем уровне техники ограничения объема памяти, быстродействия и энергопотребления узла приводят к тому, что общее количество узлов в сенсорной сети не может превышать порядка 10000 узлов, причем ограничения на топологию их взаимосвязей вносят дополнительные ограничения или требуют ручной конфигурации сети. Сети с таким количеством узлов требуют огромных затрат на сетевую инфраструктуру, включая маршрутизаторы.
Вторым недостатком сенсорных сетей с адресацией на основе уникальных идентификаторов является сложность развертывания сети. Каждый из узлов сети должен быть однозначно идентифицирован и зарегистрирован в центральном устройстве обработки данных. Поскольку большинство вариантов применения сенсорных сетей предусматривает привязку узлов к определенным точкам в пространстве (географическим координатам, номерам комнат в помещениях или т.п.), то операция регистрации уникальных идентификаторов узлов включает пространственную привязку. Для сетей размерностью порядка 10 000 - 100 000 узлов данная операция является очень трудоемкой и приводящей к множеству ошибок. Использование для адресации географических координат возможно, но использование в каждом сенсоре приемника сигнала GPS недопустимо из-за высокой стоимости и высокого энергопотребления.
Третьим недостатком современных сенсорных сетей является их разобщенность. Отсутствуют общепринятые стандарты в области взаимодействия сетей, протоколов передачи данных и т.п. Как указано в статье [1], проблемы сенсорных сетей в изолированности, неунифицированном дизайне, ориентации на решение одной узкой задачи, несовместимости датчиков стандартам, отсутствии единообразных методов описания и управления датчиками, а также обмена данными между ними.
Авторами [2] разработан способ построения сенсорных сетей устраняет описанные выше недостатки для сенсорных сетей. Предложенная нами сенсорная сеть использует для маршрутизации географические или иные пространственные координаты, что позволяет применять простые геометрические алгоритмы маршрутизации; при развертывании не требует регистрации узлов в центральном устройстве обработки данных, что резко упрощает процесс развертывания сенсорной сети; узлы сенсорной сети не включают приемники сигналов спутниковых или иных систем глобального позиционирования, что удешевляет стоимость устройства узлов, сокращает энергопотребление и увеличивает срок службы при автономном питании, а также позволяет развертывать сенсорную сеть внутри помещений, под землей и на территориях, где затруднен или невозможен прием сигналов систем глобального позиционирования.
В предложенном способе используется принцип коллективных вычислений, когда множество хаотически распределенных сенсоров обмениваются друг с другом короткими сообщениями и сообща вычисляют координаты каждого сенсора по небольшому количеству опорных точек. Это оригинальный принцип, не требующий значительных вычислительных и энергетических затрат, имитирующий работу биологических сообществ, таких как рой насекомых или косяк рыб. Для развертывания сети по нашему принципу достаточно рассыпать на территории тысячи однотипных сенсоров, установить по границам территории небольшое число базовых станций, и сеть самостоятельно сконфигурируется без вмешательства извне. При регистрации интересующего нас события сенсор передает на базовую станцию свои координаты, а не условный номер (такой как IP-адрес). При необходимости подать команду в определенную область охваченной сетью территории, достаточно задать координаты этой области. Никакой привязки к IP-адресам не требуется.
Для развертывания сенсорной сети блоки ЭБ размещают в светильниках на требуемой территории, а по периметру территории устанавливают некоторое количество контроллеров “базовых станций”. ЭБ обмениваются данными между собой и с базовыми станциями посредством радиоканала ближнего радиуса действия в нелицензируемом диапазоне, например с помощью модулей Xbee или аналогичных. Базовые станции подключены к серверу через Интернет посредством проводного соединения или беспроводного GPRS-канала. Базовые станции оснащены встроеным приёмником GPS/Глонасс, либо их точные географические координаты задаются при монтаже. Соотношение числа базовых станций к числу обслуживаемых ЭБ составляет 1:1000, поэтому процесс монтажа базовых станций не оказывает существенного влияния на общую стоимость работ.
Полученная сенсорная сеть конфигурируется автоматически при включении питания, и каждый ЭБ вычисляет собственные приблизительные координаты GPS или Глонасс. Для идентификации ЭБ используются его приблизительные координаты, а для маршрутизации сообщений - простые геометрические алгоритмы. Таким образом, для создания АСКУО не требуется громоздкая инфраструктура IP-маршрутизаторов, отдельные блоки ЭБ не обладают IP-адресом, а идентифицируются по своему положению на местности.
Типичными вариантами использования АСКУО являются:
- Дистанционное включение/выключение освещения на заданной территории. Территория может быть задана в гео-информационной системе, например может быть очерчена территория микрорайона. При интерактивном управлении возможно оперативное указание территории в форме полигона или круга на карте местности.
- Автоматическое включение/выключение энергосберегающего режима освещения на заданной территории. Автоматическое управление обычно производится по комбинации данных с датчика уровня освещенности и календарного расписания. Кроме того, при автоматическом управлении учитывается класс объекта, например энергосберегающий режим освещения на территории может сочетаться с режимом полной мощности для отдельных светильников, расположенных, например, на перекрёстках дорог.
- Отображение текущего состояния освещения на карте местности (отображение включенного, энергосберегающего или выключенного состояния, а также перегоревших светильников).
- Поддержка режимов инспекции и технического обслуживания (временное дистанционное включение освещения на заданной территории или коммутация заданного светильника).
Основные параметры и функции АСКУО на основе технологии сенсорных сетей описаны ниже.
1. Аппаратная часть.
1.1. Блок электронного балласта ЭБ, рассчитанный на подключение одной или двух ламп определенного типа (газоразрядной, светодиодной или т.п.), выполняющий следующие функции:
1.1.1. В зависимости от типа лампы, управление цепями поджига, разогрева, режим быстрого старта, режим экономии ресурса лампы;
1.1.2. Обнаружение неисправности (обрыва) лампы;
1.1.3. Обнаружение понижения напряжения питания;
1.1.4. Обнаружение перегрева лампы и модуля ЭБ;
1.1.5. Функция пониженного режима энергопотребления (пониженная яркость);
1.1.6. Управляемая мощность 150Вт, 200Вт, 250 Вт
1.1.7. Датчик температуры окружающей среды
1.1.8. Датчик тока и напряжения нагрузки
1.1.9. Таймер-счётчик времени горения лампы
1.1.10. Измерение сдвига фазы между током и напряжением на нагрузке
1.1.11. Модуль радиоканала на частоте 868 МГц с выходной мощностью, не требующей лицензирования обеспечивает дальность радиосвязи до 100-300 м на открытом пространстве
1.1.12. Питание от сети переменного тока и резервного литий-ионного элемента питания типа CR2032
1.1.13. Встроенный таймер реального времени для реализации автономного управления на основе календаря
1.1.14. Передача сообщения на центральный сервер при неисправности лампы и др. аварийных ситуациях с указанием собственных географических координат
1.1.15 Функции самоконтроля сенсорной сети и передача сообщений на центральный сервер при нарушении целостности сети.
1.2. Базовая станция.
Базовая станция предназначена для организации обмена данными между сенсорной сетью и центральным сервером, а также в качестве датчика опорных координат для алгоритма самоконфигурации и определения местоположения сенсоров. Базовые станции должны быть установлены по периферии территории, например в вершинах прямоугольниой области, охватывающей освещаемую территорию, на перекрестках дорог, в трансформаторных подстанциях и т.п. Ориентировочное соотношение количества базовых станций к количеству ЭБ составляет 1:1000. Базовая станция включает в себя:
1.2.1. GSM-контроллер Autolog GSM-20 RTU для связи с центральным сервером по каналу GPRS общедоступных сетей сотовой телефонной сети
1.2.2. Приемопередатчик диапазона 868 МГц для связи с сенсорами-ЭБ
1.2.3. Датчик освещенности
1.2.4. Электрические счетчики для учета фактического потребления энергии в сети уличного освещения.
2. Програмное обеспечение центрального сервера выполняет следующие основные функции:
2.1. Отображение состояния сети уличного освещения на геоинформационной карте местности, включая параметры окружающей среды (температура, освещенность).
2.2. Отображение неисправных светильников на геоинформационной карте местности.
2.3. Передача команд дистанционного управления на блоки ЭБ с интерактивным заданием области расположения ЭБ на карте местности.
2.4. Передача широковещательных команд управления на блоки ЭБ, расположенные в заданных областях и характеризуемые заданным классом обслуживания.
В России модернизация системы наружного освещения требуется, по нашим оценкам, в 50% областных городов и 90% прочих населенных пунктов. Реализация системы управления освещением в виде электронных балластов (ЭБ) с функциями сенсорной сети потребует установки не менее 2 млн. ЭБ за 3-5 лет. На международном рынке эта технология также будет востребована, в объемах поставки ЭБ не менее 1 млн. шт. в год. Таким образом, описываемая система представляется привлекательной для широкого круга инвесторов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Advancing Sensor Web Interoperability, Sensors, April 2005, Vol. 22, No. 4
2. Заявка на выдачу патента РФ на изобретение №2010143236, от 22.10.2010
