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打造一整個城市的智慧街燈系統太難?小型街燈模擬系統這樣做

文/Leon Han

在某個空無一人的夜裡,闌珊的街燈下,你走到了家門口,在微光下找到了鑰匙,拖著疲憊的身軀,步履蹣跚地走進門。這個場景或許你也很熟悉,但是否你也想過,在半夜無人的街道上仍然勤奮工作的路燈們,其實對城市的能源消耗,也是一個不小的負擔呢?

圖 by Photocurry via Pixaday CC0 Creative Commons

事實上,路燈系統大約耗掉了每個城市約 40% 的能量,而倘若能夠有一套比較智慧的系統,可以使半夜的街燈僅在有人、車經過時自動亮起,豈不是可以省下不少電嗎?來自瑞典的團隊 Thingsquare 意識到了這點,並利用無線連結與遠端遙控技術,DIY 了一個智能街燈模擬控制系統,我們一起來看看這個系統的背後原理還有運作模式吧。

Thingsquare 團隊認為,智慧路燈網路除了比傳統路燈系統節省約 50% 的電力之外,還有三個好處:第一是毀損偵測,可以在路燈有毀損時馬上掌握狀況,並即時修復;第二是自動控制,可以隨著陽光、尖峰時間和天氣的變化來控制路燈明暗;第三則是遠端手動控制,可以在有特殊活動,或是緊急狀況時直接控制路燈的開關。

為了達成有效的控制,他們使用 IPv6 網狀網路的 sub-1 GHz 頻段來聯絡個別的路燈。一方面不需要使用到 3G 之類的公共設施,另一方面又有大範圍以及大尺度的傳播效果,同時還可以在路燈有問題時,進行自我修復以及系統更新,這些特性十分有利於街燈系統的採用。

由於街燈都是由 LED 燈陣列組成,並經由控制器出 PWM 訊號給高功率 LED 驅動器,進而控制每個燈的明暗(所謂 PWM 即為脈衝頻寬調變,是利用改變脈衝的寬度來調控訊號大小的方法),因此 Thingsquare 團隊將此模型簡化,使用單一個LED燈替代一個路燈的陣列,並用 TI CC1350 Launchpad 做為每一個燈的微控制器,直接發送 PWM 訊號給 LED 燈,再用 Raspberry Pi Zero W 做每個單一網路閘門的連接。最後只要開啟該團隊自行設計的應用程式裡就可以對分別的 LED 燈進行操控了!

圖、一般路燈的控制示意圖

 

圖、縮小版的模擬控制示意圖

在該團隊自行設計的 Thingsquare app 裡面,除了可以將不同的燈設定成一個區域,比如一整條街可以設為一個區域一起控制,並針對不同區域安排不同種類的­「工作表」,讓它們乖乖照表操課,同時也可以透過手動控制,去分別調整個別路燈的明暗,這些功能在該應用程式裡可以說是十分完整、應有盡有。

手動調整 LED 燈的控制板原型。

拉回現實,將以上的東西實現在現實中,還需要安裝,以及對每個路燈進行定位;而安裝是需要人力與材料成本的,所以能用最有效率的方法安裝大量的路燈顯得格外重要。在該團隊的程式裡,可以接受三種定位方式:一種是直接接收 GPS 訊號,另一種是利用手機程式估計並記錄安裝當下的位置,最後一種則是手動定位。在每一個路燈安裝 GPS 固然很直接,但是會使得成本過於高昂——更何況路燈又不會亂走,所以最好的方式便是用手機紀錄安裝時的位置,之後再於程式中為偏離街道的路燈進行手動定位,如此便可以達成最有效率的定位。

最後,Thingsquare 團隊認為,智慧路燈網路會是個價值數百億以上的商機,並因為 LED 和無線網路的科技而有實踐的可能。這種不只能解省能源和花費,更能自動偵測損毀和群組管理的控制模式,現在已經經由 Thingsquare 的縮小版模型得到證實其可行性。剩下的,就是等一個願意試驗的城鎮,將這些控制系統安裝在路燈內,對此該團隊抱持著非常大的期望。倘若這種系統能成功在大城市裡面使用,或許未來的某一天,還能在深夜的台北市看著銀河呢!

參考資料:

Build a Wireless Street Lighting System

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