基于分布式控制的LED路燈控制系統(tǒng)

陳 穎 陳 碩

（1.福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108；2.福州市規(guī)劃設計研究院，福州 350000）

隨著我國城市現(xiàn)代化建設的發(fā)展，各項公共基礎設施不斷完善。路燈作為城市重要的基礎設施，不僅為城市道路提供夜間照明，還能減少交通事故的產(chǎn)生。從1997年我國正式提出“綠色照明”以后，LED（Light Emitting Diode，發(fā)光二極管）路燈依靠綠色節(jié)能、使用壽命長、開關時間短等特點在城市照明領域得到了穩(wěn)步發(fā)展。

在傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)中，一般采取手動或定時方式來控制路燈的開光，這樣不僅電力浪費嚴重，而且還會縮短燈具的使用壽命。為此，研究人員也對構建一種智能路燈控制系統(tǒng)做出了一定的研究。從技術角度來說，文獻[1]采用無線照明控制技術，研究將電子鎮(zhèn)流器與ZigBee 無線通信控制模塊整合在一起，減少通信干擾。文獻[2]由傳感器實時檢測到的光照和噪音輸入信號經(jīng)控制器得到輸出電壓，通過晶閘管的導通角調節(jié)可變電抗變換器，從而調節(jié)路燈端電壓。文獻[3]提出了基于多智能體系統(tǒng)的層級式控制結構，系統(tǒng)內的各個智能體能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與控制管理。文獻[4]介紹了幾種路燈控制技術之間，電源質量的比較。從應用角度來說，文獻[5]提出了針對城市景觀照明的分布式智能控制方法，實現(xiàn)了對景觀照明設備的科學管理和監(jiān)控。文獻[6]給出了應用了智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠按照電網(wǎng)的要求動態(tài)地調整路燈的亮度。

基于上述工作與LED 路燈網(wǎng)絡結構的特殊性，本文采用了分布式系統(tǒng)架構，能夠實現(xiàn)對LED 路燈的智能控制，從而達到節(jié)能效果。

1 系統(tǒng)框架

LED 路燈系統(tǒng)是城市建設的重要部分，與居民生活息息相關。而路燈系統(tǒng)本身是一個比較復雜的系統(tǒng)，涉及不同方面的技術和功能。本文所設計的系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、實時性、易操作性和節(jié)能性，其框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

LED 路燈智能控制系統(tǒng)的物理結構中包括四種主要基本設備：主站、集中器、控制終端和各類LED路燈。通過多種網(wǎng)絡通信手段，它們可構成的一個分布式管理的數(shù)據(jù)采集和自動控制系統(tǒng)。

集中器是整個智能控制系統(tǒng)在該配電區(qū)域中的管理節(jié)點，一個配電區(qū)域通常配置一個，一個集中器可以管理該配電區(qū)域下的所有控制終端及其所連接的LED 路燈，并能控制它們的運行狀態(tài)。其控制的路燈節(jié)點數(shù)量較多，考慮到工程應用成本問題，采用低功耗且價格低廉的ZigBee 無線通信模塊來進行通信。主站通常由分布式計算機系統(tǒng)和通信服務器（或稱通信前置機）組成，集中器終端分布范圍廣，且與主站具有一定的距離，主要考慮采取3G通信。監(jiān)控中心則可以實時對各路燈主站進行數(shù)據(jù)采集與控制。

2 分布式系統(tǒng)主要設計

2.1 LED 路燈節(jié)點終端設計

LED 路燈節(jié)點控制終端是整個路燈控制系統(tǒng)的最基本單元，由傳感器模塊和單片機模塊組成。其主要有信息采集、照明、通信三部分功能。LED 路燈節(jié)點終端節(jié)點控制器由傳感器模塊和單片機模塊組成。其結構框圖如圖2所示。

圖2 LED 路燈節(jié)點終端結構框圖

CC2530 是嵌入式ZigBee 應用的片上系統(tǒng)，建立基于IEEE802.15.4 標準協(xié)議較為容易。當傳感器采集到電壓、電流、光照強度等信息后，通過轉換電路轉變到單片機可以接受的范圍內，然后傳遞給AD 轉換模塊，轉換為數(shù)字量供單片機使用。終端同時還需要LED 驅動模塊為LED 提供恒流電源。系統(tǒng)中采用XL6003 LED 恒流驅動芯片搭建驅動器。XL6003 是連續(xù)電感電流導通模式的升壓恒流源，用于驅動一顆或者多顆串聯(lián)LED，可通過PWM模式對LED 進行調光，并提供功率開關漏端，用于故障檢測。

LED 路燈終端工作流程如圖3所示。

圖3 路燈終端工作流程圖

LED 路燈終端上電以后會主動搜索ZigBee 網(wǎng)絡并加入，然后循環(huán)檢測集中器是否發(fā)來命令，若接收到命令，則執(zhí)行相應操作。其主要功能如下：①發(fā)現(xiàn)并加入網(wǎng)絡；②采集路燈信息，檢測報警；③接受命令并執(zhí)行。

2.2 集中器設計

集中器是在低壓市電（380V 線電壓/220V 相電壓）配電區(qū)域內進行信息采集和控制的設備，通過通信信道對其管轄的控制終端和各類控制終端的信息進行采集、處理、存儲和控制，并通過遠程通信信道與主站交換數(shù)據(jù)。其結構框圖如圖4所示。

CC2530 主控模塊通過ZigBee 無線模塊實現(xiàn)與LED 路燈終端的相互通信；通過串口通信模塊實現(xiàn)與主站的GPRS 相互通信。由于CC2530 外設豐富，擁有外部存儲模塊來進行功能的擴展。電源模塊則提供合適的穩(wěn)壓電源。

集中器工作流程如圖5所示。

圖4 集中器結構框圖

圖5 集中器工作流程圖

對于集中器而言，組建網(wǎng)絡是自動進行的，不需要用戶的干涉。通信網(wǎng)絡一旦建立，集中器就分別監(jiān)聽ZigBee 網(wǎng)絡與串口，判斷他們是否有數(shù)據(jù)的傳遞。無論是ZigBee 網(wǎng)絡端口或串口發(fā)來數(shù)據(jù)，都先進行協(xié)議轉換，然后執(zhí)行相應的上傳或下達的命令。其主要功能如下：①建立通信網(wǎng)絡；②在線監(jiān)聽網(wǎng)絡與串口；③接收與發(fā)送信息。

2.3 主站設計

主站由計算機系統(tǒng)和WAN 接入設備或遠程通信設備組成的整個系統(tǒng)的控制和信息搜集中心，一般位于監(jiān)控中心，通過過程公用信道（如GPRS、GSM、PSTN、WAN 等）對所屬位于現(xiàn)場監(jiān)控區(qū)域的集中控制器的信息進行采集和控制，并對采集的大量數(shù)據(jù)進行分析和綜合處理。

主站應具有如下基本功能：

1）采集功能。主站通過通信網(wǎng)絡，按照預先設定的主站總采控周期和總采控周期（由當?shù)厥姓块T規(guī)定的自動控制時間）自動地讀取集中器中的計劃任務以及控制狀態(tài)信息，并且具有實時隨機操作功能。

2）參數(shù)設置功能。主站通過通信網(wǎng)絡，設置系統(tǒng)設備的運行參數(shù)。該功能主要是對集中器運行參數(shù)的設置，包括裝載集中器的網(wǎng)絡通信地址（ID）、集中器的計劃任務等，并具有防止非授權人員操作的安全措施。

3）校時功能。主站必須具有準確的時鐘（由標準時鐘源同步），并通過通信網(wǎng)絡對集中器校時的功能。

4）安全操作功能。主站必須具有完善的操作權限管理機制，并具有防止非法授權人員操作的安全措施，確保系統(tǒng)的安全運行。

5）自診斷功能?？勺詣舆M行系統(tǒng)自檢，發(fā)現(xiàn)設備（包括通信設備）異常應有記錄和報警。

6）子地圖功能。主站具有電子地圖（GIS 地理信息）功能，可支持地圖操作。

主站應具有如下擴展功能：

1）實時監(jiān)控LED 路燈的運行狀態(tài)功能。主站經(jīng)公用通信網(wǎng)絡，通過集中器能夠實現(xiàn)對指定的LED 路燈的運行狀態(tài)實時監(jiān)控和跟蹤的功能。通過該功能能夠準確地掌握LED 路燈的現(xiàn)場運行實況，并提供運行的基本信息。

2）遠程控制功能。系統(tǒng)可根據(jù)實際需要提供遠程控制的能力，實現(xiàn)對LED 路燈進行遠程報警和控制的功能。

3）統(tǒng)計分析功能。本項條款應當根據(jù)當?shù)厥姓块T的實際需求進行擴充和完善，其基本內容包括：

（1）燈具數(shù)量：可對系統(tǒng)內的燈具進行統(tǒng)計分類；

（2）區(qū)域信息：可對系統(tǒng)內燈具分布實現(xiàn)區(qū)域管理；

（3）故障信息統(tǒng)計：統(tǒng)計設備故障報警信息和通信異常信息。

3 系統(tǒng)控制方案及應用

本文所設計的分布式LED 照明系統(tǒng)需根據(jù)環(huán)境光照參數(shù)調整照明亮度[7]，以獲得更好的照明質量和節(jié)電效果。

3.1 控制方案設計

LED 路燈終端中光照采集模塊使用的核心器件是光電三極管。光電三極管的靈敏度較高，輸出電流大。光照檢測電路如圖6所示。

光照強度采集的原理是將光電三極管Q1與電阻R1串聯(lián)，光照強度不同時，Q1的阻值不同，分壓也不同，通過檢測Q1的電壓，按照公式可以計算出光照強度。

圖6 光照檢測電路

由于系統(tǒng)中存在各種不可避免的誤差，所以采用多次采樣去平均值的方法來降低誤差對系統(tǒng)的影響[8]。光照強度采集的程序流程如圖7所示。

圖7 光照強度控制流程圖

光照采集模塊將檢測到環(huán)境照度與我們所設定的上下閾值Vh和Vl進行比對。當Vl＞V0時，表示環(huán)境照度小，則需要開啟路燈；當V0＞Vh時，表示環(huán)境照度足夠大，可以關閉路燈；當Vl＜V0＜Vh時，則根據(jù)環(huán)境照度的大小，對LED 路燈進行PWM 調節(jié)，使環(huán)境照度最舒適。

由于是路燈系統(tǒng)，對調光精度要求不高，系統(tǒng)采用8 級調光。CC2530 中的定時器1 在正/倒計數(shù)的模式下可使用中心對稱的PWM 輸出。通過設置的閾值與計算值進行比較，可以產(chǎn)生PWM 方波。根據(jù)占空比和調光頻率來確定計數(shù)器計數(shù)值以及相關參數(shù)，最后對中斷進行設計。

3.2 系統(tǒng)應用

本案例在福建省云霄縣元光路進行了試點應用。元光路為城市Ⅱ級次干道，長500m，道路寬度24m，沿道路兩側交錯布置單臂路燈，路燈異側間距24m，燈桿高度9m，設置路燈44 盞。系統(tǒng)光源選擇95W LED 燈，顯色指數(shù)為Ra70，色溫6000K，初始光通量為10450lm，燈具光效110lm/W。若使用高壓鈉燈達到相同的實際光通量則需要200W 的功率。

照明時間按照傍晚6 點到第二天6 點，共12h計算。由于本系統(tǒng)中的LED 路燈具有自動調光功能，故取平均70%功率照明，則每天單燈耗能：

而高壓鈉燈不能調光，每天以100%功率照明，則每天單燈耗能

由此可以看出，對LED 路燈進行分布式控制，可以得到每年每盞路燈將近600kW·h 的節(jié)約。

4 結論

傳統(tǒng)的智能路燈控制一般采用手動控制或時間控制等，這類控制方式容易造成資源的浪費。本文提出的分布式控制LED 路燈系統(tǒng)，能根據(jù)路面照度對單個路燈進行控制，經(jīng)測試，提出的控制策略具有實際價值。此外，還將ZigBee 技術引入，在滿足單燈控制的基礎上，還能對同一區(qū)域上的LED 路燈進行片控。通過GPRS 網(wǎng)絡，將采集到的各路燈信息與監(jiān)控中心相連。如果這種路燈控制系統(tǒng)能夠與智能交通控制結合在一起，將為路燈照度提供更有效、更節(jié)能的調節(jié)控制，相信這也將是城市道路照明高智能化發(fā)展的未來方向。

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