校園智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計

王 波

上海交通大學(xué)

校園智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計

王 波

上海交通大學(xué)

智能路燈控制系統(tǒng)擬解決由于路燈分散的控制方式和日常的維護(hù)滯后所造成的路燈無法統(tǒng)一開啟/關(guān)閉時間，設(shè)備維護(hù)不及時等問題。本文以智能路燈控制系統(tǒng)建設(shè)的必要性，系統(tǒng)設(shè)計的原則和目標(biāo)，結(jié)合校內(nèi)實際情況，設(shè)計優(yōu)化路燈控制系統(tǒng)的邏輯和結(jié)構(gòu)。通過路燈系統(tǒng)的硬件改造，控制系統(tǒng)界面的設(shè)計，形成智能路燈控制系統(tǒng)的整體設(shè)計。最后，通過實際使用驗證，使智能路燈控制系統(tǒng)，實現(xiàn)實時觀察校園各處的路燈照明情況，實現(xiàn)實時對路燈的啟閉時間進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整，在節(jié)約路燈電費開支的同時，能及時發(fā)現(xiàn)和維護(hù)損壞的路燈，全面提高日常管理效率，為創(chuàng)建智慧校園打下基礎(chǔ)。

監(jiān)控、自控、管理、維護(hù)一體化系統(tǒng)

上海交通大學(xué)閔行校區(qū)路燈從建設(shè)至今已近30年，隨著校園的擴建和路燈的增加，經(jīng)多年的運行和維護(hù)，發(fā)現(xiàn)路燈的控制方法較為原始，因設(shè)備維護(hù)滯后，系統(tǒng)的應(yīng)急處理乏力，對路燈有效的運行造成了較大的障礙。經(jīng)學(xué)校相關(guān)部門的決策，綜合日常實際使用的情況和目前新興的技術(shù)手段，擬把校區(qū)的路燈改造升級為智能化和節(jié)約型的控制模式。

智能路燈控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)或無線信號遠(yuǎn)程操控集中控制器，其中自動運行開關(guān)可遠(yuǎn)控、自控和和現(xiàn)場操作，同時可發(fā)送報警等信息給值班人員。智能路燈控制系統(tǒng)可實現(xiàn)路燈的統(tǒng)一控制，提高了管理效率。智能控制不僅降低了人工成本，同時也提高了維修的及時率，更重要的是減少了能耗，因此被越來越多的政府和企業(yè)所采用。但智能路燈控制系統(tǒng)前期建設(shè)項目多，校內(nèi)路燈數(shù)量多，相間距離遠(yuǎn)且比較分散，需要敷設(shè)大量的通信線或信號控制箱，施工期間將造成校內(nèi)路面大規(guī)模開挖，無線信號接受不穩(wěn)定，建設(shè)費用昂貴等問題。

為解決以上問題，結(jié)合校內(nèi)實際情況對智能路燈控制系統(tǒng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件進(jìn)行了設(shè)計，并與學(xué)校原有的電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)有效結(jié)合，確保了信息的及時反饋。此外，對原硬件設(shè)備和線路的進(jìn)線進(jìn)行了改造，減少了校內(nèi)的重復(fù)建設(shè)，形成了上海交大智能路燈控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)與原則

校園智能路燈控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是基于PLC控制的智能路燈管理系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包含硬件改造和系統(tǒng)設(shè)計。運用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)和自動檢測技術(shù)構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)，快速準(zhǔn)確的對校內(nèi)道路照明、建筑燈飾、草坪景觀燈等進(jìn)行智能控制，實現(xiàn)對校內(nèi)路燈的電源可遙控、遙信、自控、遠(yuǎn)程管理和現(xiàn)場操作等功能。另外上述功能的實施有利于相關(guān)部門了解路燈的運行狀況，確保及時的維修和保養(yǎng)，提高了路燈的運行質(zhì)量和效率，為節(jié)約能源和創(chuàng)建智慧校園打下基礎(chǔ)。

新智能路燈的控制系統(tǒng)結(jié)合實際情況完成了校內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的總體規(guī)劃與設(shè)計，并按計劃實施。系統(tǒng)設(shè)計在技術(shù)上應(yīng)達(dá)到科學(xué)性、先進(jìn)性、可靠性和成熟性的統(tǒng)一。性能上應(yīng)確保安全、可靠性。使用上應(yīng)具有可維護(hù)性和可擴展性，并且性價比高：

（1）穩(wěn)定性：系統(tǒng)選擇高效集成的設(shè)備，便于控制、管理和維護(hù)。

（2）實用性：系統(tǒng)界面友好，簡易可操作，維護(hù)方便。

（3）可靠性：設(shè)備應(yīng)具備適應(yīng)極端氣候環(huán)境影響的能力，性能可靠、穩(wěn)定性強。

圖1 整體系統(tǒng)邏輯圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

閔行校區(qū)路燈原控制方式由36個室內(nèi)外路燈控制箱單獨控制，無法集中統(tǒng)一。為了建設(shè)校內(nèi)智能路燈集控系統(tǒng)，結(jié)合多年路燈管理的經(jīng)驗和實際情況，最經(jīng)濟(jì)實用的方法是利用校內(nèi)電力集控中心站的原有網(wǎng)絡(luò)，連接各個分站至路燈控制箱，從而達(dá)到集中控制，具體架構(gòu)設(shè)計和建設(shè)如下：

在KB05電力集控中心站內(nèi)設(shè)路燈監(jiān)控主機，連接大屏幕顯示，通過校園電力以太網(wǎng)絡(luò)至各個配電站（KB01、KB02等），連接各個變電站的室內(nèi)外配電箱（AL01、AL02等），利用PLC的輸出對路燈控制箱的接觸器進(jìn)行分合操作，利用PLC的輸入對路燈控制箱的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并對PLC進(jìn)行自控編程，在相應(yīng)時段進(jìn)行自動分合操作，接受主控中心的遠(yuǎn)程命令和管理，根據(jù)信息數(shù)據(jù)需要及時反饋。[1-2]

整體系統(tǒng)邏輯如圖1所示。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)用戶層：值班人員可以在系統(tǒng)中查詢到所有路燈的開啟/關(guān)燈的狀態(tài)、控制方式的設(shè)定和關(guān)燈時間的設(shè)定等一系列管理工作，另外可以多元化的對各條路燈制定差異化的控制邏輯，并以通訊方式傳達(dá)給PLC，讓PLC按照指令進(jìn)行自定義的控制模式。

系統(tǒng)監(jiān)控層：該層主要以監(jiān)控主機為主，主要任務(wù)是對PLC群的集成和通訊管理。視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端含可控云臺和固定式監(jiān)視器，可控云臺主要對開關(guān)柜進(jìn)行監(jiān)視，固定式監(jiān)視器主要對信號屏監(jiān)視。為了視頻系統(tǒng)與電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)共用更通暢，將原有開關(guān)站的百兆網(wǎng)提升為千兆網(wǎng)。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層：系統(tǒng)中的PLC通過以太網(wǎng)的方式互相連通，與路燈控制系統(tǒng)的上位機進(jìn)行通訊，并與GPS時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)對時。[3]

系統(tǒng)自動控制層：在PLC控制邏輯中分為3大類。（1）為時間繼電器控制，該控制方式將保留原有的以時間繼電器的方式控制，增加參照經(jīng)緯度的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。（2）為光感控制，該控制方式是以光照傳感器接入PLC，再根據(jù)用戶設(shè)定的照度進(jìn)行邏輯控制。（3）為用戶自定義的控制，PLC會保存用戶設(shè)定的每條路燈線路的控制方式，及開關(guān)燈的時間，路燈的開關(guān)時間是差異化的，并且具備遠(yuǎn)程開關(guān)的功能。

系統(tǒng)總線層：路燈控制箱、老舊路燈、景觀燈箱中的IO模塊，通過總線方式連接至上層若干個PLC，由區(qū)域PLC進(jìn)行管理通訊控制。PLC以地域為單位劃分各自管轄的路燈區(qū)域。同樣的以載波方式通訊的IO模塊以電力線作為總線接入。

系統(tǒng)控制設(shè)備層：系統(tǒng)中采用IO模塊控制，該IO模塊由單片機制成，多路DIDO，DI用于路燈開關(guān)狀態(tài)的采集，DO則控制路燈的分合閘。DIDO通過中繼器完成對路燈的狀態(tài)采集及控制。

以上IO模塊具有MODBUS通訊協(xié)議，可以與PLC進(jìn)行通訊控制，載波IO模塊則通過電力線進(jìn)行MODBUS協(xié)議的通訊，適用于老線路路燈。模塊以電力線載波通訊為核心，利用電力線載波通訊實現(xiàn)對遠(yuǎn)端燈光的控制，可以實現(xiàn)對路燈、河道、草坪、廣場等需要長時間照明的場合的燈具進(jìn)行控制，遠(yuǎn)程控制燈具的開關(guān)、檢測燈具的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)高效率和低成本的管理。以電力線載波通訊為核心的智能路燈控制系統(tǒng)，具有易實施、免布線等特點，可以節(jié)省大量的電費成本，系統(tǒng)整體效益非常顯著。[4]

系統(tǒng)路燈層：校園的路燈類型主要分為3大類。（1）新型的主干道路燈，路燈由大型的路燈箱控制，一個路燈箱能控制多路主干道路燈，路燈的供電線路為兩路，間隔方式連接，一路為全夜路燈，一路為半夜路燈，由時間繼電器控制。（2）老校區(qū)的單線式老路燈，路燈由變電站直接供電，通過時間繼電器控制。（3）景觀燈及非主干道照明，這些路燈則由一些小型的路燈箱控制，一般一個路燈箱控制一個景觀區(qū)、一個建筑或建筑群的景觀照明或周邊道路照明。

3 路燈控制系統(tǒng)圖

在KB05電力集控中心站內(nèi)利用原電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，通過以太網(wǎng)連接各開關(guān)子站，并進(jìn)行分合操作。結(jié)合室內(nèi)外路燈控制箱的實際操作情況，決定路燈系統(tǒng)采用串口光端機和載波模塊連接。串口光端機連接需進(jìn)行室內(nèi)線路改造，加入IO模塊連接；載波模塊連接需進(jìn)行室外路燈箱線路改造，采用載波通訊技術(shù)使得PLC控制接線盒內(nèi)的路燈。在KB05總變電站中心監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 路燈系統(tǒng)的硬件改造

4.1 變電站內(nèi)部設(shè)施改造

改造低壓線路，由原配電柜內(nèi)低壓電纜移至墻壁懸掛式路燈配電箱，考慮到智能控制的可擴展性，在路燈配電箱增加基于以太網(wǎng)的西門子PLC。

由于系統(tǒng)是將各個路燈控制箱構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，且考慮到路燈控制箱與站之間的傳輸距離（室外路燈控制箱），為保證通訊速率及通暢，采用光纖通訊，每個變電站內(nèi)需增加：PLC、光端機、附件等。[5]

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

4.2 路燈控制箱改造

閔行東、中校區(qū)路燈控制箱與變電站的距離比較遠(yuǎn)，線路比較復(fù)雜，而且校園內(nèi)不允許大規(guī)模開挖路面，只能沿用原通訊光纜連接控制，由PLC編程來控制路燈控制箱內(nèi)的IO模塊控制斷路器從而達(dá)到控制此線路下的各路燈，模塊需與各站內(nèi)的PLC以光纖方式通訊，方可達(dá)到監(jiān)控平臺和控制中心人員控制的目的，因此需要增加：I/O模塊、手/自動開關(guān)、光端機、斷路器輔助觸點、接觸器輔助觸點、開關(guān)電源、固態(tài)繼電器、光纜、附件等。路燈線路結(jié)構(gòu)圖4所示。

系統(tǒng)功能：路燈監(jiān)控系統(tǒng)可以檢測校園各處路燈使用情況，通過PLC輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出數(shù)據(jù)刷新，路燈開關(guān)可自動運行、遠(yuǎn)程管理和可現(xiàn)場操作，可以對路燈的開關(guān)時間進(jìn)行更改、以及進(jìn)行故障報警等功能的實現(xiàn)。

遠(yuǎn)程管理：站內(nèi)監(jiān)控主機能對所有PLC進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，設(shè)定路燈的開啟與關(guān)閉時間。遙控：站內(nèi)監(jiān)控主機能在監(jiān)控畫面上對路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。遙調(diào)：根據(jù)季節(jié)變化更改路燈的運行時間。遙信：隨時監(jiān)測校內(nèi)路燈的開關(guān)狀態(tài)和PLC運行狀態(tài)是否良好。

數(shù)據(jù)報表：對校內(nèi)各路燈的用電量做分類統(tǒng)計，便于管理和制定燈具節(jié)能改造方案。

故障報警：路燈控制箱內(nèi)接觸器跳閘、電纜故障、不正常打開等故障發(fā)生時，系統(tǒng)能及時報警，便于及時處理故障。

系統(tǒng)能全天候自動控制：采用經(jīng)緯度路燈控制器、光控和手動綜合集中控制，對整體、分區(qū)、單站根據(jù)四季變化規(guī)律和校園安全管理需要，調(diào)整開關(guān)燈時間，并具有半夜燈、全夜燈等工作指令，實現(xiàn)校內(nèi)照明的智能化控制。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 路燈線路結(jié)構(gòu)圖

5 軟件界面設(shè)計

在路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，硬件設(shè)備的功能是由軟件來定義的，通過有線串行通信來完成控制要求，通過編程完成大屏幕顯示等。監(jiān)控界面軟件采用VCC開發(fā)系統(tǒng)，監(jiān)控畫面采用GIS系統(tǒng)設(shè)計，更直觀的表現(xiàn)出各路燈的運行狀況，能直接對線路上的路燈進(jìn)行時間等控制參數(shù)的設(shè)定和遠(yuǎn)控操作。[6-7]

計算機部分界面布置如圖5所示。

圖5 計算機部分界面布置圖

電腦屏幕顯示：斷路器開關(guān)位置，接觸器分合位置，自動狀態(tài)，開關(guān)燈時間，路燈實時狀態(tài)。

PLC運行界面：根據(jù)需求顯示所有PLC的運行狀況。

報警界面：當(dāng)PLC自動開關(guān)，路燈出現(xiàn)故障時、遠(yuǎn)控失敗時，會在屏幕上顯示告警窗口，第一時間告知運行狀況、后期維護(hù)及維護(hù)歷史記錄。

設(shè)置界面：能批量更改路燈控制時間。

值班人員通過軟件實現(xiàn)對路燈的訪問和控制，包括開關(guān)燈命令發(fā)送、參數(shù)配置、狀態(tài)查詢、故障檢測等，可以方便直觀的了解照明設(shè)備運行狀況。

6 智能路燈系統(tǒng)的節(jié)能效果

智能路燈系統(tǒng)啟用后，能源損耗明顯減少，根據(jù)校內(nèi)道路照明的情況，自動科學(xué)的設(shè)定節(jié)能時間。前半夜18點～22點（均值）為正常照明時段，22點～6點（均值）為半夜照明時段，后半夜關(guān)燈方式采用間隔照明，節(jié)電率為25%～30%。路燈維修及巡視原每周2次，現(xiàn)減少至2周1次，人工巡視成本和車輛消耗下降55%。

閔行校區(qū)路燈光源主要是250 W鈉燈，由于閔行校區(qū)主要是人車共行道路，車輛流量逐年增加，參照市政道路照明的指標(biāo)，道路平均照度建議為8 Lux，均勻度>0.35，并以照明舒適性、節(jié)能為主要考慮因素，逐步更改成120W的LED光源，增強路燈節(jié)能的效果，路燈耗電功率下降52%。

7 結(jié)論

（1）通過原電力監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，利用PLC連接控制，完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件的設(shè)計，以及硬件的改造，實現(xiàn)了路燈的智能控制，實現(xiàn)校內(nèi)路燈自控、管理和維護(hù)的一體化系統(tǒng)。

（2）智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過大量的試驗測試，不但順利解決了路燈統(tǒng)一控制的問題，而且滿足了晝夜分差的不同需求，在保證校內(nèi)路面不受影響的前提下，降低了校內(nèi)的重復(fù)建設(shè)，減少能源的消耗，同時提高日常工作的管理效率，減少了巡查人員和車輛的損耗，提高檢修效率，降低維護(hù)成本。

（3）2016年智能路監(jiān)控系統(tǒng)運行至今，運轉(zhuǎn)情況良好，滿足日常的工作要求，而且能在校內(nèi)各路段制定不同季節(jié)的開關(guān)燈周期策略，在特殊的天氣情況時能通過科學(xué)自動控制功能增強應(yīng)急能力，提高了校園環(huán)境的安全和形象。

帶來的節(jié)電效果有：

（1）對現(xiàn)有的照明控制方式改為智能控制，節(jié)電率為25%至30%。

（2）把傳統(tǒng)的光源改造為LED照明，節(jié)電率為50%至55%。

（3）人工巡視成本和車輛消耗下降55%。

[1] 廖常初，PLC編程及應(yīng)用， 機械工業(yè)出版社，2014.1.

[2] 賀一鳴，王崇貴，劉進(jìn)宇，智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究，現(xiàn)代電子技術(shù)，2010.（1）：190-192.

[3] 李正軍，現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)及其應(yīng)用技術(shù)，機械工業(yè)出版社，2011.9.

[4] 李燕，電力系統(tǒng)通信技術(shù)，中國電力出版社，2015.1.

[5] 中國機械工業(yè)聯(lián)合會，低壓配電設(shè)計規(guī)范GB 50054-2011，中國計劃出版社，2012.1.

[6] 李琳娜，Visual C++編程實戰(zhàn)寶典，清華大學(xué)出版社，2014.8.

[7] 牟乃夏，王海銀，李丹，高松峰，戴洪磊，GIS Engine 地理信息系統(tǒng)開發(fā)教程測繪出版社，2015.4.

Control System Design of Campus Intelligent Street Lamp

Wang Bo
Shanghai Jiaotong University

Intelligent street lamp control system deals with some problems, such as unified street lamp run/stop time, not in time equipment maintenance due to scattered streetlights control modes and maintenance delay. The article focuses on importance and necessity of intelligent street lamp control system and principles and goals of system design combined with campus reality. The author optimizes logic and structure of street lamp control system through hardware renovation and interface design of control system to realize overall design of intelligent street lamp control system. Finally the article introduces intelligent street lamp control system realizing real-time street lamps condition across campus and unified run/stop time adjustment through reality verification to save street lamp electric cost and find out broken street lamps to improve daily management efficiency, which paves the way for intelligent campus.

Monitoring, Self-Control, Management, Maintenance Integration System

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.12.012