Bild 1: Schema eines intelligenten Straßenbeleuchtungs-Systems.

Bild 1: Schema eines intelligenten Straßenbeleuchtungs-Systems.STMicroelectronics

In einem intelligenten Straßenbeleuchtungs-System können Gruppen von Straßenleuchten untereinander kommunizieren und sind zusätzlich in der Lage, beleuchtungsrelevante Daten an einen lokalen Konzentrator zu übertragen. Dieser bereitet die Informationen auf und überträgt sie – häufig mithilfe eines Modems auf der Basis digitaler Mobiltelefontechnik – an einen gesicherten Server. Der Server nimmt die Daten entgegen und bereitet sie so auf, dass sie mit einem Internet-Browser visualisiert werden können.

Damit ist es jedoch nicht getan, denn ein intelligentes Straßenbeleuchtungs-System kann noch mehr. Es erlaubt beispielsweise eine bidirektionale Kommunikation, damit das zuständige Personal einerseits die Möglichkeit der Fernbedienung von Straßenleuchten erhält und andererseits den Energieverbrauch der einzelnen Leuchten und ihrer Ansteuerschaltungen überwachen kann.

Verglichen mit autonomen Straßenleuchten traditioneller Art ermöglichen überwachte Straßenbeleuchtungs-Netzwerke eine Senkung der Wartungskosten, denn der Betriebszustand der Leuchten lässt sich in Echtzeit überwachen, und Wartungsmaßnahmen können effektiver geplant werden. Etwaige Ausfälle müssen somit nicht von einem mobilen Inspektionstrupp gefunden werden. Intelligente Straßenbeleuchtungen sorgen außerdem für eine Senkung der Energiekosten, da die Helligkeit der Leuchten aus der Ferne verändert werden kann – sei es nach einem vorgegebenen Plan oder entsprechend den herrschenden Wetterbedingungen. Nicht zuletzt ist auch eine effiziente Datenerfassung gewährleistet.

Kommunen sind die wichtigsten Nutzer von Straßenbeleuchtungen. Wenn hier also weniger Energie‑ und Wartungskosten anfallen, können die öffentlichen Gelder vermehrt für andere Programme ausgegeben werden, was nicht zuletzt der Zufriedenheit der Bürger zugutekommt.

Die grundlegende Komponente eines intelligenten Straßenbeleuchtungs-Systems ist der intelligente Mast, in den verschiedene Funktionen eingebaut sind. Dies sind:

  • Hoch entwickelte Leistungsstufen (Vorschaltgeräte oder Treiber), die die Lampen mit maximaler Effizienz treiben.
  • Kommunikations-Schnittstellen, die den Aufbau eines sicheren und zuverlässigen Netzwerks mit digitaler Überwachung erlauben.
  • Als Option außerdem verschiedene intelligente Sensoren, um die Wetterbedingungen zu erfassen, eine etwaige Neigung des Lampenmastes zu registrieren oder Luftverunreinigungen zu erkennen.

Als ein führender Anbieter kompletter Beleuchtungslösungen hat STMicroelectronics für jeden dieser Funktionsabschnitte ein umfangreiches Portfolio leistungsfähiger Produkte und innovativer Systemlösungen im Programm.

Zu den wichtigsten Forderungen im Bereich der Straßenbeleuchtungen gehört die Gewährleistung einer bestimmten Helligkeit, Beleuchtungsstärke, Gleichförmigkeit und Blendfreiheit. Dies geschieht abhängig vom jeweiligen Straßentyp und hat das Ziel, den Autofahrern und Fußgängern ein Maximum an visueller Sicherheit zu bieten. Diese Anforderungen sind auch der Grund dafür, dass leistungsfähige Leuchtmittel wie etwa Hochdruck-Entladungslampen (HID High Intensity Discharge) und LEDs verwendet werden.

Elektronische Brücke zum Stromversorgungsnetz

Dieser Artikel stellt eine intelligente Straßenbeleuchtungs-Applikation von STMicroelectronics vor. Sie wird als eine komplette Systemlösung für das effiziente Management eines öffentlichen Straßenbeleuchtungs-Netzwerks ausgeführt. Auch eigene Lösungen lassen sich hiermit schnell realisieren. Die funktionalen Eigenschaften der einzelnen Netzwerkknoten und des implementierten proprietären Datenprotokolls erweitern das Anwendungsgebiet über das reine Management von Straßenbeleuchtungen hinaus. Der PLM-Knoten von STMicroelectronics fungiert wie eine elektronische Brücke zum Stromversorgungsnetz und kann an jede elektronische Leiterplatte angeschlossen werden.

Die Lösungen, die ST für elektronische HID-Vorschaltgeräte anbietet, sind Garant für eine lange Lampen-Lebensdauer, einen längeren Erhalt der Lichtstärke und einen niedrigeren Energieverbrauch. Die Palette der angebotenen Lösungen ist breit und reicht von elektronischen Vorschaltgeräten für Hochleistungs-Lampen (150 W und 250 W) bis hin zu modernen Lösungen für Anwendungen niedriger bis mittlerer Leistung (70 W und 35 W). Ein umfangreiches Lösungs-Portfolio speziell für Outdoor-Anwendungen bietet ST den Ingenieuren auch im Bereich der LED-Straßenleuchten an. Für isolierte und nichtisolierte Anwendungen können einzelne oder mehrere LED-Strings angesteuert werden, so dass unterschiedliche Leistungen realisiert werden können (von 60 W bis 130 W).

Die meisten dieser Lampentreiber-Lösungen für HID‑ und LED-Leuchtmittel basieren auf einem digitalen Konzept. Ein 8‑ oder 32-Bit-Mikrocontroller übernimmt hier alle Funktionen zum Ansteuern der Lampe und verwaltet darüber hinaus auch die Daten, die zur Implementierung eines intelligenten Straßenbeleuchtungs-Netzwerks benötigt werden.

Kommunikation

Im Zuge der Betrachtung der wichtigsten Funktionsabschnitte eines intelligenten Straßenbeleuchtungs-Systems soll als nächstens das Thema Kommunikation ins Visier genommen werden.

Die Verwaltung vernetzter Straßenbeleuchtungs-Systeme kann mit leitungsgebundener oder drahtloser Netzwerktechnik erfolgen und sich einer Vielzahl unterschiedlicher Kommunikations-Standards bedienen. Für die leitungsgebundene Vernetzung bietet sich ein digitales Steuerungs‑ und Überwachungskonzept auf Basis der Powerline-Kommunikation an. Die Produktpalette von ST beginnt mit Powerline-Transceivern wie dem ST7540 und reicht bis zur neuesten SoC-Generation für die Powerline-Vernetzung (ST7570, ST7580, ST7590), die Unterstützung für verschiedene Modulationsverfahren wie etwa B-FSK, S-FSK, B-PSK, Q-PSK und 8-PSK bietet. Für die drahtlose Vernetzung wiederum kann die Zigbee-Technologie zum Aufbau sicherer und zuverlässiger Netze benutzt werden. Die Produkte, die ST hierfür im Programm hat, entstammen der Serie STM32W108, die das Spektrum der STM32-Familie auf den Bereich der drahtlosen Konnektivität ausdehnt.

Die Kommunikation selbst ist in beiden Fällen bidirektionaler Natur, so dass Daten und Befehle in beiden Richtungen zwischen der Steuerzentrale und den einzelnen Leuchten übermittelt werden können.

Je nach der Tageszeit, dem Straßenzustand und den witterungsbedingten Lichtverhältnissen können an die einzelnen Straßenleuchten sowohl Ein‑ und Aus-Befehle als auch eine Information über den einzustellenden Dimmungsgrad geschickt werden. Im Gegenzug lassen sich von den einzelnen Leuchten Statusmeldungen, Informationen über den Energieverbrauch der Leuchte selbst und des Treibers sowie die Neigung des Mastes erfassen und an eine Zentrale übertragen.

Als letztes Element eines intelligenten Straßenbeleuchtungs-Systems bleibt das so genannte Smart Sensing zu erwähnen. Zum Beispiel lässt sich die Neigung beziehungsweise das Umfallen des Lampenmastes mit einem MEMS-Sensor in Echtzeit erfassen. Eigens für diesen Zweck vorgesehen ist der Baustein des Typs LIS331DLH, ein extrem wenig Strom verbrauchender, linearer Nano-Beschleunigungsaufnehmer mit drei Achsen und hoher Leistungsfähigkeit. Zu den Vorteilen, die ein solcher intelligenter Sensor mit sich bringt, gehören die Verbesserung der Verkehrssicherheit und die geringeren Wartungskosten, da die Wartungsintervalle besser geplant werden können.

Das Netzwerkprotokoll PLM

In einer Straßenbeleuchtungs-Applikation besteht das Netzwerk aus einer Vielzahl von Powerline-Modems – so genannten Knoten. Diese befinden sich in den Masten, an denen wiederum die Strahler mitsamt den zugehörigen Stromversorgungen montiert sind. Einer dieser Knoten, der als Datenkonzentrator dient, befindet sich in der Regel im Schaltkasten, von dem aus der Strom an eine bestimmte Knotengruppe verteilt wird. Beim Einsatz in einem Dreiphasen-Netz kann jedes Betriebsgerät an bis zu drei verschiedene Phasen angeschlossen werden. Sämtliche Knoten und der Konzentrator sind auf diese Weise an eine gemeinsame Versorgungsleitung angeschlossen, die zugleich als physisches Datenübertragungs-Medium dient. Der Konzentrator wiederum wird aus der Ferne mithilfe eines GPRS-Modems durch ein Remote-Service-Center (RSC) gesteuert, in dem alle Informationen über die einzelnen Leuchten (Stromverbrauch, Status, Störungen und so weiter) und über die Schaltkästen (beispielsweise Umgebungstemperatur und Zustand der Sicherungsautomaten) zusammenlaufen und in einer ausgelagerten Datenbank gespeichert werden. Ein Web-Server mit einer speziellen Schnittstelle ermöglicht dem RSC die Analyse der Daten und die Ausführung verschiedener Aktionen wie zum Beispiel Ein‑ und Ausschalten, Dimmen (auch manuell) und Ändern des internen Zeittakts der Modems.

Das Netzwerk besitzt auf der logischen Ebene eine Master-Slave-Struktur, in welcher der Datenkonzentrator die Rolle des Masters übernimmt, während die einzelnen Knoten als Slaves fungieren. Tatsächlich kann jede Einheit eine Kommunikation initiieren und damit zum Master werden, während sie im Target-Modus dank ihrer eindeutigen ID-Adresse zum Slave wird.

Jeder Knoten verfügt außerdem über die eingebaute Fähigkeit zum Einsatz als Daten-Repeater, ohne dass dies speziell programmiert werden müsste. Dies verbessert die Zuverlässigkeit des Netzwerks und erhöht außerdem die Wahrscheinlichkeit, dass Informationen eines Masters den jeweiligen Slave auch dann erreichen, wenn im Netzwerk schwierige Übertragungsbedingungen herrschen. Die Koexistenz von mehr als einem Master und mehreren Repeatern macht allerdings ein Datenkollisions-Management zwingend erforderlich. Sobald nämlich mehr als eine Einheit die Berechtigung zum Initiieren einer Kommunikation hat, kann es passieren, dass zwei Einheiten gleichzeitig zu senden beginnen. Dieser so genannte Konkurrenzbetrieb wirkt sich nachteilig auf die Gesamt-Performance aus. Zu den am weitesten verbreiteten Gegenmaßnahmen gehört die CSMA/CD-Technik (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection). Diese kommt zum Einsatz, wenn eine Hardware-Einheit die Fähigkeit besitzt, Kollisionen während der Datenübertragung zu erkennen. Alternativ gibt es das in diesem Artikel beschriebene CSMA/CA-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance), auf das immer dann zurückgegriffen wird, wenn die Hardware keine Möglichkeit hat, Kollisionen zu erkennen.

Der realisierte Konfliktvermeidungs-Mechanismus nutzt die Backoff-Zeit und mit „Band in Use“ (BU) ein Hardware-Feature des PLM, das der Vermeidung von Übertragungskonflikten dient. Vor dem Beginn jeder Kommunikation wartet jede Einheit, bis das eigene BU-Flag ein freies Band anzeigt. Sobald das Band frei ist, wird eine zufällige Backoff-Zeit berechnet. Ist das Band nach deren Verstreichen immer noch frei, wird die Übertragung gestartet. Anderenfalls beginnt der Zyklus (Warten auf BU und Berechnen einer neuen Backoff-Zeit) wieder von vorn.

Der Datenaustausch zwischen den Knoten an einer Netzleitung nutzt auch den Data Frame Acknowledgement-Mechanismus, der den Master informiert, wenn ein gesendetes Paket dem Adressaten korrekt zugestellt wurde. Nach dem Senden eines Frames an das Zielgerät wird auf das Eintreffen des Bestätigungs-Frames gewartet (eine Ausnahme hiervon bilden nur jene Frames, die vom Master nach dem Broadcast-Verfahren gesendet werden).

Das Repeater-Verfahren erhöht die Zustellwahrscheinlichkeit, wenn ein Daten-Frame an einen fernen Adressaten gerichtet ist oder das Störungsaufkommen im Netz hoch ist. Dieses Verfahren nutzt die Tatsache aus, dass alle Knoten mit ein- und derselben Leitung verbunden sind, das Netzwerk fortlaufend abhören und somit alle übertragenen Daten registrieren. Am adressierten Gerät und an der Abfolge aus Daten-Frame und Bestätigung kann jeder Knoten erkennen, ob ein registrierter Frame wiederholt, gelöscht oder verarbeitet werden muss. In den Daten-Frames sind zusätzlich eine Identifikationstechnik (Frame ID) und FEC-Redundanz (Forward Error Correction) implementiert, um zyklische Wiederholungen oder Datenverluste zu vermeiden, die eine Zunahme des Datenverkehrs bewirken können.

Der in der nächsten Ausgabe erscheinende Teil 2 des Beitrages beschäftigt sich mit Firmware-Code und grafischer PC-Benutzeroberfläche, Hardware-Boards für Straßenbeleuchtungen, PLM-Knoten als Dongle sowie dem HID-Vorschaltgerät.