智能路燈控制系統(tǒng)研究

盧林

摘 要：現(xiàn)代城市發(fā)展迅速，城市公共照明也隨之獲得了長足發(fā)展，然而城市路燈的優(yōu)化控制還存在諸多問題。本文在闡明城市智能路燈控制系統(tǒng)研究意義的基礎(chǔ)上，就城市公共照明現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并針對現(xiàn)狀提出了相應(yīng)的解決辦法，同時對智能照明控制系統(tǒng)的功能及技術(shù)實現(xiàn)進(jìn)行了論述。最后對系統(tǒng)的實施效果進(jìn)行了表述。

關(guān)鍵詞：城市照明；遠(yuǎn)程控制；無線通信；模塊化；節(jié)能減排

隨著我國城市化步伐的加快，城市經(jīng)濟(jì)和規(guī)模的發(fā)展，各種類型的道路越來越長，機(jī)動車數(shù)量迅速增加，夜間交通流量也越來越大，道路照明質(zhì)量直接影響交通安全和城市發(fā)展，城市照明[1]建設(shè)作為體現(xiàn)城市形象的作用日益受到重視，如何提高道路照明質(zhì)量、降低能耗、實現(xiàn)綠色照明已成為城市照明的關(guān)鍵問題。

1 智能路燈控制系統(tǒng)建設(shè)的必要性

城市照明越來越受到重視，得到了迅猛發(fā)展，路燈、景觀燈規(guī)模越來越大，要求越來越高，從而給規(guī)劃、設(shè)計、運行、管理和維護(hù)中帶來了一系列問題。在我國，大部分城市特別是中小城市的路燈系統(tǒng)自動化管理水平還不是很高，仍采用早期的鐘控、光控或人工控制技術(shù)，系統(tǒng)可靠性低，特別是當(dāng)季節(jié)、氣候變化時不能及時改變開關(guān)燈的時間，當(dāng)有些路燈壞掉或是燈桿出現(xiàn)傾斜時也不容易及時發(fā)現(xiàn)。

除此之外，傳統(tǒng)路燈多采用電力載波的有線傳輸方式，成本較高，線路復(fù)雜，當(dāng)線路檢修時，就不能再傳輸數(shù)據(jù)。同時電力載波信號不容易控制，只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送，且隨著傳輸距離的增加，信號衰減比較嚴(yán)重。

為了應(yīng)對更高的節(jié)能要求，提高城市形象和管理水平，以及針對傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)存在的弊端，必須進(jìn)行高效精確的智能路燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)集無線通訊技術(shù)、自動化控制技術(shù)、監(jiān)控組網(wǎng)于一體，有效實現(xiàn)路燈控制的靈活性、實時性、可靠性。

2 城市照明控制現(xiàn)狀

目前國內(nèi)應(yīng)用的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)歸納起來，這些系統(tǒng)存在的問題主要在于一下幾方面。

精度不高：大多只能整體控制路燈的開與閉，最多到回路，精度不高，還遠(yuǎn)未達(dá)到單燈監(jiān)控的水平，更不能體現(xiàn)智能化。

不能適應(yīng)節(jié)能及監(jiān)控新光源要求：近年來，能源問題日趨緊張，國家大力宣傳在城市照明行業(yè)發(fā)展節(jié)能新技術(shù)，采用節(jié)能新光源，倡導(dǎo)“綠色照明”新觀念。為順應(yīng)國家能源戰(zhàn)略的總體要求，各種路燈節(jié)能設(shè)備在城市照明行業(yè)得到普遍應(yīng)用，但目前采用的節(jié)能器，大多設(shè)臵在控制箱端，體積龐大，控制線路長、設(shè)備多，因而節(jié)能效果也受到一定限制。

盜失嚴(yán)重，管理乏術(shù)：隨著城市建設(shè)規(guī)模的迅速擴(kuò)展，市政公用設(shè)施的管理已成為一個老大難問題。僅在如何防止盜失方面，各地方各行業(yè)就此想了很多辦法，比如加固設(shè)施，派專人巡查，加大處罰力度，甚至組建機(jī)構(gòu)、招募人員，可以說不遺余力，想盡了方法。但公用設(shè)施被盜事件仍層出不窮，防范效果并不顯著。原因主要是監(jiān)控周期長，監(jiān)控范圍大而目標(biāo)分散，單純依靠人力畢竟不是科學(xué)和長久之計。

3 智能路燈控制系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能設(shè)計主要包括終端控制管理和遠(yuǎn)程管理。

終端控制部分包括主控管理、電源管理、參數(shù)采集、無線通信、存儲管理、延時斷電、時鐘管理、控制器以及程序管理。

遠(yuǎn)程管理部分包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、路燈狀態(tài)控制、時間表設(shè)置、報警管理、防盜管理、數(shù)據(jù)顯示管理、時間同步管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、無線通信、數(shù)據(jù)查詢以及報表打印功能。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要分為三大部分：監(jiān)控中心，集中控制器，終端控制器。

每一個單燈控制器，成為系統(tǒng)的一個監(jiān)控終端；多盞路燈的數(shù)據(jù)控制信息匯聚到一個集中控制器上，并通過集中控制器上傳到監(jiān)控中心。集中控制器以及每個控制終端都可以通過組網(wǎng)具有優(yōu)勢的Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在集中控制器中，有且只有一個擔(dān)任主協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)收發(fā)其他集中控制的數(shù)據(jù)信息。主協(xié)調(diào)器與監(jiān)控中心主機(jī)通過網(wǎng)口或串口進(jìn)行有線連接。監(jiān)控中心可以通過任何可以上網(wǎng)的設(shè)備，通過瀏覽器查看連接到監(jiān)控中心的軟件界面來實現(xiàn)路燈點對點實時監(jiān)控。

3.2.2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計

⑴終端控制器設(shè)計。每一個終端控制器，都集成了多種監(jiān)控功能，主要負(fù)責(zé)路燈的多個參數(shù)同時監(jiān)測和處理，同樣采用模塊化結(jié)構(gòu)[3]，包括電源模塊、電能采集模塊、時鐘模塊、存儲模塊、延時斷電模塊、報警模塊、無線通信模塊和控制和反饋單元。

電源模塊：將220V交流電經(jīng)過整流之后給主控模塊和無線通信模塊提供兩者正常運行所需要的直流穩(wěn)壓電源。

電能采集模塊主要負(fù)責(zé)采集路燈的電流電壓等數(shù)據(jù)，通過內(nèi)嵌精密的數(shù)據(jù)處理算法，計算出電能及功率因數(shù)，為工作人員對路燈的耗電等情況提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

無線通信模塊采用Zigbee通信技術(shù)，成本和功耗低，無需布線，可以在不改變原有路燈控制系統(tǒng)布線的基礎(chǔ)上進(jìn)行方便安裝，便于調(diào)整，并且能夠?qū)崿F(xiàn)終端控制器之間自動組網(wǎng)進(jìn)行通信，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)某個終端控制器損壞時，控制器能夠快速識別距離自己最近的通信節(jié)點，并將數(shù)據(jù)自動傳送出去，保證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

存儲模塊：采用E?PROM存儲，用于存儲各路路燈的地址。

延時斷電模塊：為了防止在系統(tǒng)突然斷電的情況下數(shù)據(jù)丟失的情況，在控制器中設(shè)計有超級電容，用于對控制器的斷電起到延時作用，方便控制器及時對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

時鐘模塊：系統(tǒng)采用高精度、低功耗、高性能的時鐘芯片，從而為整個系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時間。

報警模塊：采用蜂鳴器，主要用于在路燈出現(xiàn)異常狀態(tài)時進(jìn)行報警，以實現(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)并解決問題的目的。

控制器的控制和反饋單元采用可控硅，實現(xiàn)對路燈的開關(guān)控制，為了避免控制器受強(qiáng)電流等的影響而損害，系統(tǒng)在核心控制芯片和可控硅之間采用光耦隔離，從而實現(xiàn)保護(hù)核心控制器的作用。

系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)如下圖所示：

⑵集中控制器設(shè)計。系統(tǒng)的集中控制器主要采用Zigbee無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中包括兩個部分，一部分是和終端控制器經(jīng)串口連接的Zigbee子節(jié)點，另一部分是和監(jiān)控中心的服務(wù)器相連的Zigbee模塊，擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)的主協(xié)調(diào)器。

Zigbee的從節(jié)點都設(shè)計成帶有PA（PowerApmlifier功率放大器）的功能，從而使傳輸距離達(dá)到300米左右，增大數(shù)據(jù)傳輸距離，結(jié)合Zigbee的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率以及傳輸距離的技術(shù)問題，一般200-300左右盞燈通過安裝一個集中控制器的Zigbee從節(jié)點進(jìn)行統(tǒng)一控制。且每個控制器均設(shè)有一個唯一的識別地址，方便系統(tǒng)的通信和定位。

擔(dān)任協(xié)調(diào)器的Zigbee模塊與監(jiān)控中心的服務(wù)器主機(jī)通過串口相連接，每個系統(tǒng)有且只有一個協(xié)調(diào)器。同樣設(shè)計成帶有有PA（PowerApmlifier功率放大器）的功能，從而增大數(shù)據(jù)傳輸距離。其主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的通信功能，是整個系統(tǒng)的通信樞紐，主要功能為：接收服務(wù)器下發(fā)控制命令，上報服務(wù)器所要查詢的數(shù)據(jù)；可實現(xiàn)本地或者遠(yuǎn)程的查詢與配置；同時可實現(xiàn)策略的查詢、修改。

⑶監(jiān)控中心設(shè)計。監(jiān)控中心安裝和配置卓朗公司自主研發(fā)的智能路燈控制系統(tǒng)軟件，軟件設(shè)計是在Windows操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合SQL server數(shù)據(jù)庫，采用B/S架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，具有可視化、便于操作和掌握的人性化監(jiān)控界面。每個監(jiān)控中心都有唯一設(shè)定的地址編號，各個地址編號的路燈的電壓、電流、電能、功率因數(shù)、位置信息等數(shù)據(jù)都可以實時顯示在監(jiān)控中心的大屏幕上，一旦某盞路燈出現(xiàn)損壞等情況時，將會在界面上發(fā)生聲光報警，方便工作人員及時查詢。

4 系統(tǒng)使用及效果

系統(tǒng)具有低功耗、低成本、斷電延時、高穩(wěn)定性、易擴(kuò)展等特點，其應(yīng)用Zigbee自組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)容量大的特點，可以應(yīng)用在多種場合和環(huán)境，包括：需要監(jiān)控的網(wǎng)點多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況；低成本、低功耗的要求的情況；地形復(fù)雜，不便于布線的環(huán)境；無線傳輸?shù)陌踩约翱煽啃砸蟾叩那闆r。

[參考文獻(xiàn)]

[1]中國建筑科學(xué)研究院.《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》.

[2]瞿雷《ZigBee技術(shù)及應(yīng)用》北航出版社.

[3]薩梅克（美國），譯者：敬萬鈞，陳麗蓉.《嵌入式系統(tǒng)的微模塊化程序設(shè)計：實用狀態(tài)圖C/C++實現(xiàn)》.北京航空航天大學(xué)出版社.