Энергоэффективные технологии получают широкое распространение в системах уличного освещения всех стран как результат усилий городских властей, направленных на экономию денежных средств, а также мер, принимаемых энергетическими компаниями для покрытия недостатка в генерации электроэнергии.
Светодиодное уличное освещение обещает наибольшую экономию, поскольку твердотельная технология более подвержена адаптивному управлению, чем индукционные или металлогалогенные лампы. Управление осветительными системами позволяет достичь еще большей экономии в режиме минимальных нагрузок. Сети и управляющие системы, например, Roam от компании Acuity Brands, позволяют установить удаленный контроль и управление уличным освещением с помощью беспроводной сети.
Применение управляющих сетей не ограничено рамками твердотельных осветительных установок. Система Roam была известна на рынке до появления этих установок, и компания Acuity поставляла свои решения для контроля потребления, двухпозиционного регулирования и обнаружения неисправных ламп в унаследованных системах освещения. Регулирование яркости — дополнительная функция, которая, главным образом, применима в случае светодиодных установок с целью сокращения расходов электроэнергии.
Например, в Сан-Хосе, шт. Калифорния, дороги ярко освещаются в часы пик и слабо — в ночные часы. Городское освещение также становится менее интенсивным с прекращением дорожного движения.
В г. Чула-Виста, шт. Калифорния, имеется испытательный центр, где светильники марки BetaLED проходят сложную процедуру эксплуатации. Они включаются с наступлением сумерек при пониженном уровне яркости, а затем система программируемого управления устанавливает 100-% яркость. В полночь уровень яркости снижается до 50%, а ближе к утру яркость снова нарастает по мере приближения часа пик.
В таких сетях как Roam регулирование яркости осуществляется пошагово. Во многих городах эта технология внедрена для автоматизации процесса технического обслуживания, что позволяет снизить его стоимость путем автоматического обнаружения неисправных ламп.
С появлением светодиодных ламп на передний план выходит возможность управлять системой освещения и регулировать ее яркость. Например, в Лос-Анджелесе система Roam позволяет управлять уличными твердотельными источниками света (см. рис. 1). На текущий момент в этом городе не используется технология регулирования яркостью, но она будет реализована после испытаний.
Беспроводная сеть
Рассмотрим, как работает сеть Roam, поскольку она представляет собой один из нескольких подходов системного уровня для широкой реализации систем уличного освещения. Roam является ячеистой сетью для подключения отдельных светильников. Ячеистая структура подразумевает отсутствие прямого соединения шлюза или базовой станции к каждому светильнику, или узлу сети. Каждый узел может передавать полученные данные, улучшая доступ к базовой станции.
В основе работы системы Roam находится спецификация IEEE 802.15.4 как базис для физического и MAC-уровней сети. IEEE 802.15.4 — та же спецификация, что используется в сетях ZigBee, хотя протокол ZigBee изначально создавался для приложений с радиусом действия до 10 м. Сеть Roam обеспечивает работу узлов, находящихся друг от друга на линии прямой видимости на расстоянии в 1000 футов.
Ячеистая структура позволяет одной сети покрывать площадь величиной намного большей, чем 1000 кв. футов. Например, такая сеть в одном из проектов охватывает 8 миль дороги, а в Лос-Анджелесе к единому центру управления подключено несколько сетей.
Сеть Roam использует ту же безлицензионную полосу частот 2,4 ГГц, что и ZigBee. Более того, в обеих сетях скорость передачи данных составляет 250 Кбит/с. Это сравнительно малая скорость, но ее хватает для отправки управляющих команд и получения данных о состоянии уличных светильников.
Шлюзы и ретрансляционные станции
Устройство базовой станции, или т.н. шлюз Roam (см. рис. 2), подключается для управления к сети уличного освещения. Сеть Roam состоит из 2000 узлов, что вовсе не значит, что в ней 2000 светильников. Компания Acuity Brands со временем намеревается использовать до 5000 узлов на один шлюз. Именно шлюзы соединяет отдельные сети городских установок с центром управления.
Рис. 2. Шлюзы сети Roam соединяют уличные светильники с Ethernet или ретрансляционной станцией
Узлы сети Roam устанавливают связь с центром управления через ретрансляционную станцию с помощью Ethernet или сотовой связи. Ethernet хорошо работает во многих относительно малых сетях.Помимо функций, определяемых спецификацией 802.15.4, ячеистая сеть Roam обладает функциями самовосстановления и самоорганизации. Последняя означает способность узла при включении питания автоматически находить связь с другими узлами и подключаться к шлюзу. Самовосстановление — это возможность сети продолжать работу при отказе узла.
Однако в системах освещения, развернутых на больших площадях подобных тем, что существуют в Лос-Анджелесе, сотовая связь является единственным доступным выбором. К счастью, в настоящее время эта связь в большинстве регионов мира обеспечивает достаточно эффективную передачу данных. К тому же объемы данных относительно малы по сравнению, скажем, с интернет-трафиком. Как правило, на прохождение команды из центра управления к узлу требуются 3—5 с.
Установка светильников
Рассмотрим, как возможность подключения к сети реализуется на уровне уличного светильника. Большинство уличных ламп оснащено разъемом NEMA (National Electrical Manufacturers Association — Национальная ассоциация производителей электрооборудования), находящимся в их верхней части. Для автоматического включения фонарей в сумерках и выключения утром используются фотодатчики, при этом питание подается через разъем NEMA.
Узлы сети Roam (см. рис. 1) реализованы в виде модулей, в состав которых входят блоки фотодатчиков с разъемом NEMA, сетевой узел для включения и выключения, а также цепь мониторинга, докладывающая о состоянии светильника и уровне потребляемой электроэнергии.
Рис. 1. Цилиндрический модуль сети Roam, установленный на уличный светильник
DCM-модуль также является сетевым узлом, который принимает команды с узла NEMA-блока. DCM-модуль рассматривается как еще один узел беспроводной сети, и потому наличие в сети 2000 узлов не подразумевает использование 2000 светильников.Система Roam осуществляет раздельное регулирование яркостью. Компания Acuity поставляет модули DCM (Dimming Control Module — модуль управления яркостью), которые устанавливаются в светильники. Выходное напряжение DCM-модулей находится в диапазоне 0...10 В, что позволяет использовать их со стандартными драйверами или балластами.
Концепция построения системы Roam весьма проста. NEMA-интерфейс позволяет осуществлять мониторинг и управление включением-выключением почти всех светильников, а во многих проектах по установке осветительных систем можно использовать либо стандартные, либо заказные DCM-модули.
Для построения системы освещения достаточно только интегрировать в светильник блок управления включением-выключением, модуль регулировки яркостью и функции мониторинга в цепь драйвера. Микроконтроллер может не только управлять сетевыми функциями, но и выполнять алгоритмы регулировки яркостью и управления цепью драйвера. Для реализации такого подхода требуется создать официальный промышленный стандарт, определяющий функционирование сетей уличного освещения, чтобы изделия разных производителей были совместимыми.
В настоящее время компания Acuity работает в рамках программы 6LoWPAN (стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEEE 802.15.4). Эта т.н. межмашинная технология передачи данных от устройств через интернет. Как правило, сетевые протоколы, определяющие работу узлов, должны обновляться автоматически.
Сетевой центр управления
Наконец, рассмотрим последний участок сети Roam — центр управления. Сеть Roam оснащена пультом управления через защищенный веб-портал, доступ к которому осуществляется с помощью ПК (см. рис. 3). Работа этого портала основана на ИТ-системе, которая поддерживает функции мониторинга, управления и даже текущего обслуживания.
Рис. 3. Доступ к веб-порталу системы Roam осуществляется с ПК
Кроме того, данные системы Roam могут поступать в уже существующие ИТ-системы. Например, в Лос-Анджелесе имеется крупная картографическая ИТ-система для контроля и управления уличным освещением. Системы компании Acuity обладают способностью передавать данные из центра управления уличными осветительными сетями в ИТ-систему Лос-Анджелеса в формате XML.Веб-портал использует механизм Google Maps, с помощью которого муниципальные служащие имеют возможность получать информацию от каждого уличного светильника, легко контролировать и управлять его функциями.
Средства управления позволяют реализовать энергосберегающий потенциал твердотельного освещения, а в случае с уличными светильниками — снизить расходы на обслуживание с помощью автоматического обнаружения неисправных ламп.
Автор: Мори Райт (Maury Wright),
старший технический редактор, LEDs Magazine
