采用物聯(lián)網(wǎng)和4G數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的單燈控制系統(tǒng)應(yīng)用

文｜南京市路燈管理處 陳愛勇

1 前言

南京市路燈管理處于1999年率先在全國省會城市建設(shè)“南京市路燈監(jiān)控系統(tǒng)”。系統(tǒng)經(jīng)過十幾年的不斷擴(kuò)容和升級，目前已建有路燈監(jiān)控中心、1600多臺照明監(jiān)控終端， 系統(tǒng)采用中國移動GPRS專網(wǎng)無線通信方式，實(shí)現(xiàn)了全市主城區(qū)及部分遠(yuǎn)郊區(qū)范圍內(nèi)路燈的集中控制管理。該系統(tǒng)對提高南京市路燈管理處的路燈管理水平起到了重要作用。

近些年為了進(jìn)一步響應(yīng)國家“節(jié)能減排、綠色照明”的號召，實(shí)現(xiàn)路燈管理部門的精細(xì)化管理，南京市路燈管理處牽頭調(diào)研、總體規(guī)劃設(shè)計(jì)新型單燈控制系統(tǒng)，搭建統(tǒng)一軟件平臺，在南京主要路段安裝技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的單燈控制器，該單燈控制器主要采用物聯(lián)網(wǎng)和4G通信技術(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)任意一盞路燈的開關(guān)、模擬量檢測、開關(guān)量檢測、燈具故障、節(jié)能調(diào)光等功能。

2 國內(nèi)單燈控制系統(tǒng)發(fā)展概況

國內(nèi)單燈控制系統(tǒng)起步于2000年左右，當(dāng)時(shí)全國大多數(shù)城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)通信方式仍在使用230MHZ或450MHZ電臺通信的方式，中國移動和中國聯(lián)通的無線分組技術(shù)（GPRS）才剛開始向一些行業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用。很多路燈管理部門連最基本的路燈監(jiān)控系統(tǒng)都沒有建設(shè)，更談不上建設(shè)單燈控制系統(tǒng)，而當(dāng)時(shí)單燈控制技術(shù)受限通信技術(shù)和芯片技術(shù)限制，只能采用電力線載波有線方式進(jìn)行通信，傳輸速度慢，且電力線載波受現(xiàn)場線路影響很大，傳輸效率很低，只在少部分城市得到應(yīng)用，應(yīng)用效果不佳。2006年以后隨著通信技術(shù)和芯片技術(shù)的迅猛發(fā)展，單燈控制系統(tǒng)逐步發(fā)展起來，并開始在一些大中城市推廣應(yīng)用。目前單燈控制系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)思路都是在原有路燈監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用原有監(jiān)控平臺和監(jiān)控終端，擴(kuò)展單燈控制功能，通信方式也基本采用有線和無線兩種方式。

3 單燈控制系統(tǒng)組成

南京市單燈控制系統(tǒng)框圖見圖3.1，由路燈監(jiān)控中心軟件平臺、4G無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、分布在全市各路段的單燈控制器組成。

4 單燈控制系統(tǒng)組網(wǎng)方式

4.1 國內(nèi)傳統(tǒng)組網(wǎng)方式

圖3.1 單燈控制系統(tǒng)組成框圖

國內(nèi)單燈控制器目前基本上都是采用Zigbee、433MHZ、電力線載波這三種方式進(jìn)行單燈控制系統(tǒng)組網(wǎng)，這三種組網(wǎng)思路基本一致，都是采用兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，第一層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是通過數(shù)據(jù)專網(wǎng)（GPRS/CDMA）將監(jiān)控中心與配電柜處的照明監(jiān)控終端進(jìn)行無線連接，即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到第一層遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。第二層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是照明監(jiān)控終端通過RS-485接口與單燈集中器連接，單燈集中器采用Zigbee、433MHZ、電力線載波三種方式中的任意一種采用無線小區(qū)組網(wǎng)方式與單燈控制器進(jìn)行通信。

上述傳統(tǒng)組網(wǎng)方式是目前國內(nèi)最常用的組網(wǎng)方式，在一定時(shí)期內(nèi)甚至作為主流通信方式被很多路燈管理部門所采用。但傳統(tǒng)組網(wǎng)方式確有著無法避免的缺陷，首先傳統(tǒng)組網(wǎng)方式必須組建兩層網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)據(jù)傳輸效率上不是很高，加之需要通過照明監(jiān)控終端和集中器對數(shù)據(jù)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，發(fā)生數(shù)據(jù)擁塞和多設(shè)備多故障點(diǎn)的概率就會增加；其次Zigbee、433MHZ、電力線載波無論哪種通信方式都無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無盲區(qū)全覆蓋。

4.2 本系統(tǒng)單燈組網(wǎng)方式

南京路燈處單燈控制系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)單燈系統(tǒng)組網(wǎng)方式，采用目前傳輸速度最快、網(wǎng)絡(luò)覆蓋全、技術(shù)成熟可靠的4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)。

系統(tǒng)采用單層組網(wǎng)方式，監(jiān)控中心直接通過4G無線網(wǎng)絡(luò)與道路上安裝的單燈控制器進(jìn)行通信。4G網(wǎng)絡(luò)目前在南京已經(jīng)全市無盲區(qū)覆蓋，解決了網(wǎng)絡(luò)盲點(diǎn)問題，且網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快，根據(jù)今后需求可擴(kuò)展視頻監(jiān)控、經(jīng)緯度定位等功能。該組網(wǎng)方式脫離了原有照明監(jiān)控終端的局限，更加獨(dú)立，不僅作為獨(dú)立單燈控制系統(tǒng)運(yùn)行，也可通過原有照明監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一送電統(tǒng)一管理。

5 單燈控制器設(shè)計(jì)

5.1 硬件設(shè)計(jì)

單燈控制器硬件組成框圖

單燈控制器采用國際先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)控每個(gè)燈桿、每盞燈的運(yùn)行狀態(tài)，采用4G公網(wǎng)通信方式與控制中心直連，組成智慧照明物聯(lián)網(wǎng)，達(dá)到城市道路照明的自動化控制、精細(xì)化管理和節(jié)能減排的目的。

單燈控制器由電源控制板、處理通信板、外殼、接線端子等組成。兩層電路板插拔式結(jié)構(gòu)，下口具有標(biāo)準(zhǔn)的接線端子和狀態(tài)、故障指示燈，安裝維護(hù)方便，防護(hù)等級達(dá)到IP54。該產(chǎn)品集電量采集、開關(guān)控制、數(shù)據(jù)傳輸、調(diào)光節(jié)能和漏電監(jiān)測為一體，安裝在每個(gè)路燈燈桿的接線盒內(nèi)，完全能滿足南京市道路照明對單燈控制的需求。

本次設(shè)計(jì)嚴(yán)格按有關(guān)的國標(biāo)規(guī)范進(jìn)行，主要遵循的國標(biāo)有：

CJJ45-2006 城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；

CJJ89-2012 城市道路照明工程施工及驗(yàn)收規(guī)程；

GB/T 2421: 1999 電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)；

GB/T 2423電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分：試驗(yàn)方法；

GB/T 4208: 2008外殼防護(hù)等級（IP 代碼）；

GB/T 13729-2002遠(yuǎn)動終端設(shè)備；

CJJ/T 227-2014城市照明自動控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范。

燈控制器的硬件組成框圖如上圖所示，具體的組成部分說明如下：

主芯片選用ARM芯片，運(yùn)行速度快，功能強(qiáng)大，集成度高，可靠性高。

電源采用線性電源，確保惡劣使用環(huán)境下穩(wěn)定可靠的供電。

采用大容量存儲芯片，用于存儲系統(tǒng)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、報(bào)警信息、狀態(tài)記錄、日志記錄等信息。

內(nèi)置時(shí)鐘芯片，確保掉電后時(shí)鐘準(zhǔn)確保持，上電后單燈控制器可自主運(yùn)行。

選用高可靠性的采樣芯片，保證檢測電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)的準(zhǔn)確性和精度。

采用工業(yè)級4G通信模塊，適應(yīng)燈桿內(nèi)部自然環(huán)境條件，確保通信可靠穩(wěn)定。

調(diào)光控制分為開關(guān)量輸出、PWM輸出和0～10V輸出，可控制高壓鈉燈的變功率鎮(zhèn)流器或LED路燈，實(shí)現(xiàn)調(diào)光節(jié)能。

5.2 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)兼容南京市路等管理處控制平臺，通信協(xié)議執(zhí)行南京市路燈管理處的《主站與單燈控制器通訊協(xié)議》。通信規(guī)約開放城市照明自動控制系統(tǒng)信息交換標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)備地址、設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、控制信息應(yīng)采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，滿足設(shè)備互換的要求。與控制中心的通信規(guī)約依據(jù)GB/T19582《基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范》執(zhí)行。

單燈控制器的程序設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)C語言編程，程序設(shè)計(jì)采用面向過程的設(shè)計(jì)思想，采用多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，各個(gè)任務(wù)相互獨(dú)立，互不干擾，執(zhí)行效率高，實(shí)時(shí)性能好，同時(shí)也有利于功能模塊的擴(kuò)展。

6 單燈控制器技術(shù)參數(shù)及功能

6.1 單燈控制器技術(shù)參數(shù)

輸出回路：1～3路，常閉觸點(diǎn)，容量AC220V/5A；

電量監(jiān)測：1～3路，電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)；

調(diào)光節(jié)能：1～3路繼電器干觸點(diǎn)或1～3路0～10V模擬量輸出；

漏電檢測: 同時(shí)具備燈桿漏電壓和線路漏電流檢測；

計(jì)量精度：有功1級，無功2級；

通信接口：RS-485接口；

工作電源：AC220V±20%；

環(huán)境溫度：-40～+70℃；

相對濕度：≤95%RH（+25℃）

大氣壓力：80kPa～106kPa；

防護(hù)等級：IP54；

外形尺寸：160×80×50mm（長×寬×高）。

6.2 單燈控制器主要功能

按照路燈控制中心的命令或按預(yù)設(shè)置的參數(shù)自主執(zhí)行對路燈單燈運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控,對于有節(jié)能接口的燈具，可實(shí)現(xiàn)單燈節(jié)能；

執(zhí)行路燈控制中心的查詢、控制和參數(shù)設(shè)置指令；

可對路燈運(yùn)行數(shù)據(jù)（電壓、電流、有功、無功、功率因素、開關(guān)量等）進(jìn)行采集；

燈具故障檢測并主動上報(bào)功能；

可對燈桿帶電和線路漏電進(jìn)行檢測報(bào)警；

具有參數(shù)設(shè)置和掉電保護(hù)功能；

可根據(jù)設(shè)定的報(bào)警條件主動向上級系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警；

具有運(yùn)行和管理數(shù)據(jù)的存儲功能；

單燈控制器與路燈控制中心之間的通信方式采用移動4G公網(wǎng)通信方式，具備自動入網(wǎng)功能；

具備RS-485接口，可與擴(kuò)展的外設(shè)連接，實(shí)現(xiàn)路燈電纜24小時(shí)被盜或水浸報(bào)警功能；

具有節(jié)能控制功能，能實(shí)現(xiàn)路燈的調(diào)光控制。支持高壓鈉燈和金鹵燈的開、關(guān)及變功率的節(jié)能控制，支持LED路燈的開、關(guān)及0～100%節(jié)能控制的0到10伏調(diào)光。

結(jié)束語

南京單燈控制系統(tǒng)建成后，在原有照明無線監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了單燈控制子系統(tǒng)，通過南京路燈監(jiān)控中心軟件平臺可直觀的了解全市安裝單燈控制器路段的每盞路燈的開關(guān)燈情況，一旦路燈發(fā)生故障可直接定位到某盞路燈，使得路燈精細(xì)化管理成為現(xiàn)實(shí)，路燈維護(hù)效率大大提高，另外通過科學(xué)設(shè)置各路段的亮燈方案，采取隔燈亮，快車道慢車道分時(shí)段亮、單雙日輪換亮燈等方式不僅節(jié)約了大量電費(fèi)還大大延長了燈具的使用壽命。因此該系統(tǒng)的建設(shè)獲得了很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。