街道照明控制、监测和数据传输系统及方法

街道照明控制、监测和数据传输系统及方法
【专利摘要】一种用于使用通过自由空间（对于操作不要求FCC许可）的光链路信令来控制和监测街灯的方法和系统。光链路信令在街灯之间的空间中通过对区域照明和光信令两者使用LED来完成。街道照明系统照明器包括：结构构件，例如柱；灯，其包括一个或多个LED；和光接收器，其从街道照明网络中的一个或多个其他照明器接收光信令。调制器调制灯的输出来使数据进入街道照明系统用于传输。光接收器和调制器实现诸如支持应急服务所需要的选通和闪光模式。
【专利说明】街道照明控制、监测和数据传输系统及方法
[00011 本申请是2013年11月21日提交的美国临时专利申请序列号61/907，069、61/907， 078、61/907,090、61/907，114、61/907，133、61/907，150、61/907，168、61/907，188和61/ 907,210的非临时申请并且要求其权益，通过引用将其的整个内容合并于此。
【背景技术】
[0002] 街道照明由于各种原因而持续成为城市的最重要且紧迫的关注中的一个。为了行 人和机动及非机动车辆操作者和乘客的安全而设法确保提供充足的照明是非常重要的。
[0003] 电力线承载通信(PLC)有时用于控制和监测街道照明照明器。PLC可遭受接地实践 和各种阻抗失配问题，例如在信号从一个类型的功率服务干线(main)运送到另一个时遇到 的那些问题。阻抗失配可导致在跨服务干线转变点中的信号衰减、导致通信信号上的增加 的干扰的信号反射并且还导致对PLC通信有害的驻波现象。如果电力线还应服务于例如风 扇或空调设备的感性负载，可安装了电容器组(bank)来校正功率因数。这类电容器安装可 导致高频信号的严重衰减。如果在功率路径中存在隔离变压器或电压均衡器(例如抽头变 换器变压器），高频信号还经历高衰减。附加的问题是PLC信道的时变性质（其可以不利地影 响其线性)和用于使用隐含根据叠加的技术来设计信令集的时间不变性。另外，电力线的通 信有用带宽是许多参数(其包含噪声）的函数。根据对于电力线网络上的宽带的IEEE标准， Annex F，电力线信道经受四个类别的噪声。它们包含是高斯且有色的热背景噪声、周期性 和非周期性脉冲噪声、AM窄带噪声和来自作为通信媒介的电力线的其他用户的噪声。
[0004] 通信控制和监测的另一个选择是通过无线非光RF通信链路。然而，这些链路易受 若干问题的影响，该问题包含由于构造、车辆移动引起的变化的传播环境和其他时变通信 路径损害。无线非光RF通信链路也对由于变化的电磁噪声特性引起的降级敏感并且还对潜 在的恶意干扰敏感。这类变化的环境方面可以例如增加在网状网络上传输的通信的等待时 间，减小其可用带宽并且附随减少其吞吐量。另外，已经报告对无线非光RF网状网络的操作 问题，其包含在现实条件下的成功操作和天线设计、来自管理复杂性的困难的维护。问题包 含实现和维护问题、协议问题和在缩放和未预料的干扰情形下发现的缺点。
[0005] 要求关注的附加的考虑必须与光产生本身的性质有关。常规照明的操作和维护是 昂贵的。许多城市基础设施管理局正是由于该原因而已决定更换或新近安装基于LED的街 道照明。重要的是监测街道照明安装的个别照明器以便确定持续且正常的运行。对于LED照 明的挑战之一是它采用可使得更难以评估它的功能状况的方式而与常规照明不同。该差异 在老化过程中。常规灯可视为处于以下两个状态中的一个:功能或非功能的(熄灭）。在常规 灯熄灭时，它未抽取电流。另一方面，LED在它老化时变暗并且在可被直接监测来评估LED状 况的电流中不存在变化。
[0006] 因此存在开发备选控制通信技术和更好的系统和方法用于评估基于街道照明led 的照明器的状况，并且报告和后续定位其的光产生在规定阈值以下的照明器的需要。

【发明内容】

[0007] 本发明提出用于使用光链路信令来控制和监测街灯的方法和系统。光信令通过街 灯之间对于操作不要求FCC许可的自由空间来完成。光链路信令通过对区域照明和光信令 两者都使用照明器LED来完成。
[0008] 在实施例中，街道照明系统包含多个街灯，其包括:照明器或灯，其具有至少一个 LED;结构构件，例如柱;和照明器接合物，其包括光接收器和调制器。光接收器从街道照明 网络中的一个或多个其他照明器接收光信令。
[0009] 在实施例中，调制器调制灯的输出以使数据进入街道照明系统用于传输。
[0010] 在另一个实施例中，光接收器和调制器实现例如支持应急服务所要求的选通 (strobe)和闪光模式。
【附图说明】
[0011] 图1是根据实施例识别照明器材的段的图示。
[0012] 图2A图示根据实施例对于街道照明器材的光信令网络。
[0013]图2B图示根据实施例的稀疏连接的网状网络。
[0014]图3图示根据实施例接合到光信令网络的固定或移动设备。
[0015]图4a图示根据实施例的直接光信令路径。
[0016]图4b图示根据实施例的间接光信令路径。
[0017] 图5图示根据实施例的光通信错误率的稳定性。
【具体实施方式】
[0018] 街道照明系统包括许多照明器(街灯）。每个照明器可以包括一个或多个LED，其操 作成采用每平方米约2坎德拉的典型可见光强度来照明选择的不动产。
[0019] LED与白炽灯不同。白炽灯与LED之间的明显差异是LED的光输出是在激活时几乎 立即处于百分之100亮度。LED的健康状况也不受快速循环（即，被反复接通和关闭）的影响。
[0020] LED采用许多其他方式而与白炽灯十分不同。一个非常显著的差异是与白炽灯不 同，LED不熄灭但逐渐暗淡。根据被称为L70标准的事物来测量LED寿命是典型的度量学的实 践。L70标准是在LED的输出流明降到它的原始输出的百分之70以下之前由它所交付的平均 操作时数。预期在街道照明应用中使用的大部分LED遵守约10年的L70标准。
[0021] 街道照明系统可使用街道照明器材间自由空间光链路信令（其对于操作不要求 FCC许可)来光控制。光链路信令可通过对区域照明和光信令两者都使用照明器LED来完成。
[0022] 照明系统的实施例通过分段成部分(如在图1中图示的）来描述。照明器材100包括 由照明器接合物120支承的灯或照明器110,该照明器接合物120包括电子组件、电路系统和 与照明器110的安装和控制关联的机械耦合。照明器关联物120安装在柱130顶部，该柱130 还对服务于照明器接合物120和照明器110的电力线140提供管道。
[0023] 照明器接合物120可包含一个或多个光接收器，其配置成从街道照明网络中的一 个或多个其他照明器光接收信号。照明器接合物120还可以包含调制器，其调制照明器110 的光输出来使数据进入或中继到街道照明系统用于传输。在一些实施例中，光接收器和调 制器可实现例如支持应急服务所要求的选通和闪光模式。
[0024]照明器接合物120还可以包括用来控制传感器并且解释它们的数据的计算机和存 储器。这允许照明器接合物执行计算任务、支持通信消息传递、通信协议功能以及要求计算 和数据存储的其他功能。一些照明器接合物还可以包括光接收器，其用来从除照明器以外 的光设备接收光传输。一些照明器接合物可以进一步包括GPS接收器。
[0025]图2A图示街道照明系统200的一个实施例。图示八个照明器材211 -218，每个照明 器材与相邻物光通信。照明器材由电力线220供电，该电力线220也连接到街灯通信接入点 230,其也与街道照明光通信网络光通信。
[0026] 光信令网络支持若干功能，其包含控制街道照明系统。光信令网络可以采用网状 网络的形式。稀疏连接的网状网络在图2B中图示，其中包括照明器材225-227的街道照明系 统的另一区段具有在街道照明器材213与225之间的光链路260和在街道照明器材218与227 之间的光链路262。
[0027] 在一些实施例中，来自支承的基础设施中的其他光使能设备或来自移动光发射器 的光信令可以建立与街道照明光通信网络的通信。这允许支承的基础设施或移动光发射器 通过街道照明光通信网络传输数据或将诸如命令的消息发送到特定照明器接合物。
[0028]图3图示与街道照明光通信网络200的照明器材215双向光通信的光使能设备340。 光使能设备340可以是固定设备或移动设备并且可以与街道照明光通信网络200接口 (interface)来传送和接收光信号。街道照明光通信网络200可以将从固定或移动光使能设 备340接收的通信传输到接收者，其连接到街道照明光通信网络。光使能设备340还可以从 连接到街道照明光通信网络的光传送器接收通信。光使能设备340可以能够发射能够由街 道照明光通信网络200接收的光信号和/或接收由街道照明光通信网络200传送的光信号。 [0029]来自固定或移动光使能设备340的消息可以由照明器接合物接受，该照明器接合 物包括光接收器，其用来从除照明器以外的光设备接收光传输。在实施例中，照明器接合物 可以发送通知移动光使能设备340它可以开始它的传输的清除发送信号。在一个实施例中， 照明器接合物基于通过光信令网络传播的主定时信号来发送清除发送信号。在另一个实施 例中，照明器接合物基于用于从光使能设备340接收传输所分配的时隙来发送清除发送信 号。在实施例中，照明器接合物使用照明器接合物内所包含的GPS接收器来识别时隙的开始 和结束。
[0030]街道照明系统的照明器材之间的光链路可以是直接的照明器材到照明器材路径， 即，照明器材中的光接收器直接从另一个照明器材的照明器接收调制光410,如在图4a中图 示的。这可以通过使接收照明器接合物配备有光接收器和调制器来完成。照明器接合物可 以配备有光接收孔径和/或光传送孔径。在实施例中，使光接收孔径定向，使得它被置入到 某位置中来接收光束内调制的消息可以使用手动、电子或机电机构完成。一旦被定向，来自 另一个照明器的光可以入射落到光接收孔径上，从而使光通信路径打开并且实现与另一个 光设备通信。其他光设备可以包含但不限于智能电话、平板计算机、膝上型计算机、台式计 算机、其他智能街灯、远程控制设备或能够传送光信号的其他设备。
[0031]在一些街道照明系统中，可以不存在直接光路来允许从一个照明器材到另一个的 直接光信令，如在图4b中图示的。其中可以不存在无阻碍光路的情形的示例是针对配备有 部分护罩440(其阻断由照明器430所发射的光的部分)的街道照明照明器的情况。护罩能够 导致两个相邻照明器材采用重叠的椭圆形光照明选择的不动产450。在其中直接光信令不 是可行选项的实施例中，照明器材间光信道可以通过使一个照明器材的光接收孔径定向来 接收使得从另一个照明器材的照明器发射从选择的不动产450的一部分散射的光而实现。 [0032]自由空间光通信链路可以不利地受到诸如霾、霭、雾、雨夹雪、雪、灰尘、烟和雨的 大气条件的影响。在这些大气吸收体和散射体中，雾和大雪是最有力的。在源处具有Φ〇的 通量的准直光束将在范围R具有Φ二的通量Φ，其中~是消光系数。（注意对于这 些计算，在对光束准直时对于自由空间中的强度下降不必要关注。） 关于与雾和雪以及它们的光衰减有关的关注，Awan等人在Journal of Communications 2009年9月、卷4、第8期、533-545页的 "Characterization of Fog and Snow Attenuations for Free-Space Optical Propagation"的文献告知已对干燥降雪条 件报告45 dB/km的衰减。使用来自该文献的数据，由于雾引起的强度dB损失的衰减范围可 以是如在表1中呈现的。
[0033] 表1 -射束强度的衰减(dB )对雾的类型和通过雾的距离 关于雨对自由空间光链路的有害效应，根据David Atlas在Journal of Meteorology 1953 年 12 月、卷 10、486_488 页的 "Optical Extinction by Rainfall"，对于贝吉龙过程 (Bergeron-process)雨（来自冷云的常见降雨生产）的每千米范围的消光系数〇0是 %产&2心，其中W是以mm/hr计的贝吉龙过程降雨率。表2呈现由于降雨率的强度dB 损失和对于R和W的不同值通过雨的路径距离。
[0034] 表2-射束强度的衰减(dB)对降雨率和通过雨的距离 表1和2中的条目示出轻度雾或适中降雨不可能对跨越街道间照明距离的典型范围的 光链路造成明显的通信问题。
[0035]链路干扰能够由于来自非相邻灯具的调制光或偶然从其他光信令链路接收的信 令能量而出现。另外，从非光信令链路接收光能量(例如，落在灯具的光接收孔径上的车辆 前灯反射)能够形成干扰。干扰还可以由光路的物理堵塞例如由于鸟、蝙蝠或虫群产生。这 些干扰问题的改进可以通过对照明器材光接收器的孔径的仔细对准技术、有助于非光信令 光能量的信令设计和通过动物阻碍间歇性阻塞的物理设计来进行。
[0036] 干扰光可以通过偏振技术而减少，因为从表面界面反射的光将趋于被偏振，其中 偏振方向（电场矢量指向的道路(way))平行于表面界面的平面。
[0037] 在一个实施例中，对于灯具的光接收孔径采用可以旋转被定向来阻断从表面界面 反射的干扰光的通过的偏振滤波器来覆盖。阻断通过可以是可取的，因为这种光将一般以 平行于表面界面的平面的偏振方向偏振。偏振滤波器的旋转可以通过手动旋转、通过电动 马达或通过光电部件执行。
[0038] 光链路由于至少两个附加的原因而是有益的。这些中的第一个是在基础设施通过 膨胀或修改而改变时光链路不太可能经历降级。RF通信(尤其在大的建造(build up)城市 区域的变化的介电峡谷中或通过潜入RF信令中的多路径的交通模式)可趋于在性能方面变 得不稳定。还存在来自电噪声过程的干扰和来自其他通信系统RF链路以及甚至来自基于RF 的街灯通信系统中的RF链路的串音的附加的问题。该干扰比基于光链路的街灯通信系统中 的类似问题更有可能并且更加难以改进得多。
[0039] 这些附加的原因中的第二个是光链路用来评估街灯的照明器的状况。通过最近相 邻照明器接合物的光接收器对最近或附近街灯照明器的接收输出的测量允许对最近或附 近街灯的照明器的健康状况评估和大气条件(例如，雨或雾的存在)的评估。
[0040] 可以定期、按需和/或采用使用先前数据作为参考并且如果δ值超出预设幅度，则 通过仅发送S值(或来自最后报告的测量的变化)来报告的差别方式来监测相邻街灯照明器 的光输出。报告S值能够引起需要解决的模糊。例如，如果标准连续报告从接收来自相邻街 灯照明器的光的街灯器材的每个照明器接合物发起，也许不可能区分相邻街灯照明器的故 障或降雨状况。为了解决该模糊，街灯照明器接合物的光接收器能够保存它的接收光的测 量并且在大气条件有时间改变后将它与后来进行的测量比较。
[0041] 光信令技术的实现可以改变照明器到街道照明器材的光输出。因此，为了对要传 送的数据提供信令，确保输出变化将不混乱或最好不可被人类观察员所觉察可以是必要 的。在照明条件改变(有时迅速)时，一个实施例设想本质上有差别并且不基于固定光强度 水平的信令。
[0042] 心理学视觉研究已示出在每平方米2坎德拉(其是由街道照明所提供的典型照明 强度），人类观察员没有检测到光强度中_20dB的变化并且因此信令能够以至少一个百分比 的强度变化来完成。
[0043] 光信令的光解码器可能起到具有判定阈值的光子计数器的作用。该类型的光信令 和符号决策（dec is ion making)的模型基于泊松（Poisson)统计，并且对于非光子缺乏 (starved)环境，泊松计数通常通过正态分布来近似。
[0044] 与信令位一致的能量也可以变化。符号光子积分时间可设置成使错误概率减少到 期望阈值以下。图5A-5C图示情形500的发展。在图5A中，信令光强度足以导致两个条件之间 几乎无错误的判定，右边的分布代表对二进制信令情况中的一个的光子计数，左边的分布 代表另一个。在图5B中，信令光减弱，可能由于雨或雾或其他大气条件引起，并且两个分布 都向左移动并且明显重叠，从而使得二进制信令判定要容易出错得多。在链路因而可能降 级时，信令协议可设计成（1)使到街道照明器材的照明器输出增加，或（2)使光子积分时间 增加，由此使数据传递速率减少，或（3)两者都进行来实现与图5C中示出的结果类似的结 果。
[0045] 鲁棒(robust)信令实施例可以具有光传送器和接收器链路的设计和实现中的附 加帮助。鲁棒实施例可以采用技术例如时钟恢复、DC组件缺乏、曼彻斯特编码(Manchester Coding)和/或差分曼彻斯特编码，后者结合数据和时钟来形成自我同步数据序列。
[0046] 在实施例中，光信令网络包括光链路，其采用用于处理在整个网络中消息和控制 的接受、传输和交付的协议。协议规则可以规定错误控制、消息处理和计量程序的部件、用 于应对传输延迟的规则和关于重传和可缩放性问题的策略。协议规则可以是固定的、软件 可变更或软件定义的。采用软件定义的网络，网络可以例如初始基于调用（call)和响应轮 询或是具有分散控制的网格。网络的软件定义可以允许网络更容易地缩放并且定时可酌情 从例如主从实现修改为准同步范例。软件定义或软件可变更的动态网络配置对于处理故障 排除问题也可以是高效的。例如，如果询问在对于特定监视器的定时器终止之前未得到答 复，则暂时将网络变更成自组(ad hoc)形式并且使照明网络充满诊断消息，这可以是可能 的。
[0047] 实际上存在无限数量的协议候选，从其选择通信协议。在一个实施例中，朝着简单 化极端，消息可以作为数据报以最佳交付尝试来处理并且然后在交付失败时被丢弃。在另 一个实施例中，朝着更较复杂的极端，可以以严格的问责制、设法再试和消息的重新路由来 处理消息直到对非交付的系统管理者的交付确认或通知。
[0048] 在实施例中，街道照明系统可以考虑协议混合。对于大部分功能，系统可以每晚被 重新初始化并且因此能够适应一些消息损失和一些消息错误并且因此允许系统以根据最 佳交付目的运行的协议充分运行。
[0049] 在另一个实施例中，一些系统将处理和拖运(haul)对于其他基础设施系统的通 信。这些消息可要求更高标准的关注(care)，确保交付或非交付通知。当街灯光信令网络正 处理这些消息时，它可根据需要以保证交付和发起重传的严格问责制来调用包处理协议。
[0050] 本文所述的方法和系统的示范技术效果包含：（a)基于组件的构建参数来生成熔 融池；（b)检测由熔融池所生成的光信号，以测量熔融池的大小或温度；以及(C)基于熔融 池的大小或温度实时地修改构建参数，以实现组件的预期物理性质。
[0051] -些实施例涉及一个或多个电子或计算设备的使用。这类设备通常包含处理器或 控制器，例如不限于通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、现场可编程 门阵列(FPGA)、简化指令集计算机(RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路 (PLC)和/或能够运行本文所述功能的任何其他电路或处理器。
[0052] 本文所述的方法可编码为体现在包含不限于存储设备和/或存储器设备的计算机 可读媒介中的可运行指令。这类指令在由处理器运行时使该处理器执行本文所述方法的至 少一部分。上述示例只是示范性的，并且因而并不意图以任何方式限制术语处理器的定义 和/或含意。
[0053] 上面详细描述了用于增强制作加成制造组件的构建参数的示范实施例。设备、系 统和方法并不局限于本文所述的具体实施例，而是可与本文所述的其他操作或组件单独地 或独立地利用方法的操作和系统的组件。例如，本文所述的系统、方法和设备可具有其他工 业或消费者应用，并且不局限于采用如本文所述电子组件的实施。一个或多个实施例而是 可结合其他工业来实现和利用。
[0054] 虽然本发明的各个实施例的具体特征可在一些附图中示出而在其他附图中未示 出，但是这只是为了方便。按照本发明的原理，可与任何其他附图的任何特征结合参考或要 求保护附图的任何特征。
[0055] 本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且使本领域的技术人员能 够实施本发明，包括制作和使用任何设备或系统，以及执行任何结合方法。本发明的专利范 围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示 例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包括具有与权利要求的 文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们处于权利要求的范围之内。
【主权项】
1. 一种用于控制街道照明系统的光信令系统，包括： 多个照明器材，其具有照明器，所述照明器具有至少一个LED灯；以及 照明器接合物，操作地连接到所述照明器，所述照明器接合物包括计算机和存储器、至 少一个光接收器和调制器用于调制所述照明器的光输出 其中所述光接收器配置成从户外照明系统内的至少一个其他照明器接合物接收光信 号。2. 如权利要求1所述的系统，其中所述照明器接合物配置成控制所述调制器以通过控 制来自所述LED的光输出来向另一个街灯发送信号。3. 如权利要求1所述的系统，其中所述光接收器配置成控制所述调制器以通过控制来 自所述街道照明网络中的所述照明器中的至少一个的所述LED的光输出来向另一个街灯发 送信号。4. 如权利要求1所述的系统，其中所述光接收器从除所述照明器以外的至少一个光设 备接收光传输。5. 如权利要求1所述的系统，其中所述照明器接合物进一步包括GPS接收器。6. 如权利要求1所述的系统，其中所述光接收器进一步包括光接收孔径。7. 如权利要求6所述的系统，其中所述光接收器进一步包括对于所述光接收孔径的盖， 所述盖具有偏振滤波器，其被旋转定向来阻断干扰光的通过。8. 如权利要求7所述的系统，其中所述偏振滤波器被偏振来阻断从具有表面的界面反 射的光。9. 如权利要求8所述的系统，其中所述偏振滤波器被偏振以在平行于具有所述表面的 所述界面的平面的方向上阻断光。10. 如权利要求9所述的系统，其中所述偏振滤波器能够通过手动旋转、通过电动马达 或通过光电部件来旋转。11. 一种用于操作用于控制街道照明系统的光信令网络的方法，包括以下步骤： 采用通过至少一个LED提供光的照明器和具有光接收孔径的光接收器来配置多个街 灯，其中所述LED的光强度是可控的； 改变至少一个LED的输出来发送消息以对至少一个其他光设备发信号； 由所述街灯中的至少一个监测所述至少一个LED的所述输出来确定是否存在对于正常 信令所要求的来自所述至少一个LED的光强度的减少数量;以及 如果监测确定存在来自所述至少一个LED的减少的光强度则调整所述LED的所述输出 以减少信令错误。12. 如权利要求11所述的方法，其中所述至少一个其他光设备是所述街灯中的另一个。13. 如权利要求11所述的方法，其中所述至少一个其他光设备是移动设备。14. 如权利要求11所述的方法，其中调整进一步包括使所述一个或多个LED的功率增加 或使所述信令率减小。15. 如权利要求11所述的方法，进一步包括： 采用偏振滤波器覆盖所述照明器接合物的所述光接收孔径；以及使所述偏振滤波器旋 转来阻断干扰光的通过。16. 如权利要求11所述的方法，其中改变进一步包括通过采用根据与交付目的有关的 参数运行的协议来确保充分运行。17. 如权利要求16所述的方法，其中所述协议采用下列技术中的至少一个:时钟恢复、 DC组件缺乏、曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码。18. 如权利要求11所述的方法，进一步包括在所述照明器接合物发送清除发送信号后 由所述照明器接合物中的一个从光使能设备接收消息；以及 将接收的消息通过所述街道照明通信系统传输到预期接收者。19. 如权利要求18所述的方法，其中所述清除发送信号的定时基于通过所述光信令网 络广播的主定时信号或基于使用所述照明器接合物中包括的GPS接收器而分配的时隙。20. 如权利要求18所述的方法，其中接收进一步包括形成光链路并且使用所述光链路 来评估所述照明器的状况。
【文档编号】H05B37/02GK105917745SQ201480073817
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2014年11月21日
【发明人】M.J.哈特曼, B.G.巴内特, J.E.赫希, M.J.德尔安诺, S.索罗
【申请人】通用电气公司