基于動(dòng)態(tài)控制算法的智慧路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙希華　向隆文　肖雄　趙可　俞尚根

摘 要：智慧路燈是一種新型的路燈控制系統(tǒng)。本文通過對(duì)路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用基于動(dòng)態(tài)控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈照明區(qū)長度與燈光的有效控制，極大程度上節(jié)約了能源。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)控制算法；智慧路燈系統(tǒng)；系統(tǒng)模型；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；仿真

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）22-0022-01

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的路燈對(duì)能源的大量消耗現(xiàn)狀已不符合現(xiàn)階段節(jié)能減排的發(fā)展模式。針對(duì)路燈的節(jié)能問題，本文采用微波傳感器與其他傳感器相結(jié)合的方式，采用動(dòng)態(tài)控制算法，設(shè)計(jì)了一套智慧路燈控制系統(tǒng)，可以有效地節(jié)約了燈光照明的電能。

1 系統(tǒng)模型

1.1 業(yè)務(wù)模型

一般來說，智慧路燈控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈進(jìn)行智能控制，采集路燈相關(guān)信息及對(duì)路燈的故障排查。根據(jù)相關(guān)要求，本文所設(shè)計(jì)的智慧路燈控制系統(tǒng)具備智能控制、耗電檢測，在此基礎(chǔ)上還具備廣播模式與網(wǎng)絡(luò)模型功能，具體如下：

（1）廣播模式。在整個(gè)智慧路燈控制系統(tǒng)中心可實(shí)現(xiàn)廣播的模式對(duì)各節(jié)點(diǎn)上路燈開關(guān)狀態(tài)檢測、亮度的改變、耗電狀況的檢測的功能。

（2）組播模式。在該智慧路燈控制系統(tǒng)中，將系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)路燈進(jìn)行分組，通過監(jiān)控中心中組處理的模式實(shí)現(xiàn)對(duì)所有路燈的控制。

（3）點(diǎn)播模式。可實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧路燈控制系統(tǒng)中單獨(dú)某一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)亮的功能。

（4）報(bào)警模式。在系統(tǒng)中，若某一結(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)欠載、過載或故障時(shí)，監(jiān)控中心能夠獲取相關(guān)故障點(diǎn)的狀態(tài)信息，并顯示和發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息。

1.2 網(wǎng)絡(luò)模型

實(shí)現(xiàn)單節(jié)點(diǎn)控制，主節(jié)點(diǎn)與分節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，各單節(jié)點(diǎn)之間可互相通訊。所有節(jié)點(diǎn)于同一信道中通訊，匯聚點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)播、組播、廣播三種模式進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)方案

智慧路燈控制系統(tǒng)，通過道路現(xiàn)場智慧傳感控制系統(tǒng)和后臺(tái)監(jiān)控中心系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互相連接，現(xiàn)場控制系統(tǒng)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)。系統(tǒng)采用防火墻、數(shù)據(jù)庫、中心管理平臺(tái)等部分組成，對(duì)監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與存儲(chǔ)。系統(tǒng)綜合考慮其他各種因素，在現(xiàn)場控制系統(tǒng)中控器與單路燈控制器可獨(dú)立于監(jiān)控中心之外，獨(dú)立運(yùn)行，根據(jù)用戶的配置需求進(jìn)行配置，達(dá)到實(shí)現(xiàn)需求最佳的狀態(tài)。

3 智慧路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 整體設(shè)計(jì)

智慧路燈控制系統(tǒng)中心采用Web Service技術(shù)，C/B+B/S架構(gòu)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)任務(wù)的合理分配處理，降低系統(tǒng)資源的消耗。系統(tǒng)采用防火墻、數(shù)據(jù)庫、中心管理平臺(tái)等部分組成，對(duì)監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與存儲(chǔ)。系統(tǒng)控制中心主要采用窗口模式，簡單、方便已操作。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，智慧路燈控制系統(tǒng)中智能控制器具備GPRS通信、數(shù)據(jù)處理分析及獨(dú)立運(yùn)行控制現(xiàn)場的功能，根據(jù)市場上芯片功能與性價(jià)比，最后采用ARM Cortex-M3處理器STM32F103C8T6為核心處理器，連接其他功能模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行自動(dòng)控制、路燈開關(guān)、路燈燈光的調(diào)節(jié)、路燈數(shù)據(jù)交換、人車的識(shí)別、故障檢測等功能，中控器硬件框如圖1所示。

智能中控器各單元模塊可與核心處理器相互聯(lián)通，輸出電平信號(hào)經(jīng)過處理后通過PWM形式對(duì)路燈LED進(jìn)行路燈光亮度調(diào)節(jié)與開關(guān)等控制。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

智能中控器具有外圍模塊單元多的特點(diǎn)，需要完成相關(guān)通訊及數(shù)據(jù)處理分析、中斷的響應(yīng)等任務(wù)，系統(tǒng)采用較好的軟件框架，可快速有效的完成相關(guān)通訊數(shù)據(jù)的處理分析與作答任務(wù)，大大提高程序執(zhí)行的效率與CPU的利用率，同時(shí)也提高了程序的擴(kuò)展性與可維護(hù)性。

3.4 控制算法

在該系統(tǒng)中，采用微波傳感器與熱釋紅外傳感器相互結(jié)合的方式，完成對(duì)人車移動(dòng)的狀態(tài)進(jìn)行檢測，使系統(tǒng)最小區(qū)域的照明。人車到路燈亮，人車走路燈滅，結(jié)合斑馬式半亮度智能模式，采用動(dòng)態(tài)控制算法對(duì)路燈進(jìn)行高效控制與燈光亮度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能最大化。

根據(jù)相關(guān)推到與運(yùn)算，可得到系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)ITAE，可得式（1）。

（1）

式中，e（n）為誤差函數(shù)，TS為采用周期，α在[0，1]之間取值，找出最優(yōu)值。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，一般α取值0.1到0.5之間比較適合。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，開始驗(yàn)證系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。實(shí)驗(yàn)選取一段新修建的道路（該路段內(nèi)設(shè)30個(gè)60W路燈，互相之間間隔30米），實(shí)驗(yàn)中以12小時(shí)為周期。表1為實(shí)際實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表明該智慧路燈控制系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了最小區(qū)域動(dòng)態(tài)控制效果，且照明區(qū)長度能根據(jù)車速自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，有效節(jié)約了能源。

5 結(jié)語

本文采用微波傳感器與其他相關(guān)檢測傳感器結(jié)合，根據(jù)人車的狀態(tài)，基于動(dòng)態(tài)控制算法快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)路燈燈光照明區(qū)域與照明亮度，智慧路燈控制系統(tǒng)有效提高了路燈控制效果，也可以很大程度上節(jié)約了能源。

參考文獻(xiàn)

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