新型路燈智能監(jiān)控節(jié)能系統(tǒng)研究

徐文強(qiáng) 張向向 徐慶 陳曙光

摘 要：目前市場(chǎng)上的路燈大多比較美觀，燈光色彩多樣，但卻造成了大量能源的浪費(fèi)。針對(duì)城市照明巨大的能源損耗問題，重點(diǎn)研究了能夠監(jiān)測(cè)路燈、控制燈光各季度的開始及結(jié)束時(shí)間、使燈光亮度隨時(shí)間變化的系統(tǒng)裝置。其研究目的是把路燈照明系統(tǒng)這一設(shè)備進(jìn)一步完善，使更多的人能夠切實(shí)體驗(yàn)到設(shè)備的節(jié)能、環(huán)保等益處。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)螣艨刂破?；監(jiān)測(cè)；集中控制器；上位機(jī)監(jiān)控中心

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）01-00-02

0 前 言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，城市路燈建設(shè)已逐漸成為市政建設(shè)中一項(xiàng)不可或缺的浩大工程。路燈在幫助市民營(yíng)造光明的環(huán)境方面發(fā)揮了舉足輕重的作用，但隨著照明難題的解決，也出現(xiàn)了不可避免的能源大量損耗問題。城市照明不僅要美觀，其規(guī)模和能源使用量也應(yīng)達(dá)成良好的比例。然而目前我國(guó)城市的路燈建設(shè)正處于重效果輕節(jié)能的狀態(tài)，所以對(duì)路燈智能節(jié)能技術(shù)的研究迫在眉睫。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

西方發(fā)達(dá)國(guó)家在很久之前就開始關(guān)注照明節(jié)能問題。歐盟在照明節(jié)能方面做了大量研究工作，他們采用緊湊型熒光燈取代傳統(tǒng)白熾燈的方式，發(fā)揮了些許作用；美國(guó)政府采取禁止銷售和使用低效能鎮(zhèn)流器的節(jié)能方式[1]，而且鎮(zhèn)流器的型號(hào)必須是電子節(jié)能的；2012年，英國(guó)的新型照明系統(tǒng)將LeafNut路燈監(jiān)控系統(tǒng)投入使用[2]，該系統(tǒng)由Harvard University設(shè)計(jì)，采用高可靠性中央網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過(guò)GPRS無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)完成單燈控制與多燈控制。不僅如此，新型系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)光，能夠通過(guò)設(shè)計(jì)連接口直接控制燈泡上的發(fā)光體單元。為了實(shí)現(xiàn)新型系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保作用，英國(guó)政府計(jì)劃將倫敦全市所有路燈全部轉(zhuǎn)換成新型路燈，由iPad直接控制調(diào)光[3]。

最近幾年，我國(guó)也開始重視對(duì)照明節(jié)能產(chǎn)品的研究。在《中國(guó)綠色照明工程實(shí)施方案》中提出各項(xiàng)要求，目的在于創(chuàng)建高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量，優(yōu)體驗(yàn)、重環(huán)保、重節(jié)能的安全照明環(huán)境。我國(guó)已有幾大城市開始研究并使用了新的節(jié)能方式，實(shí)現(xiàn)了較好的節(jié)能成果：北京市在路燈變壓器上設(shè)置了控制裝置，每天可根據(jù)光照強(qiáng)度的大小控制路燈燈光的開關(guān)；廣州市用rdd-3000照明集中使用有線和無(wú)線兼容的方式監(jiān)控通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程測(cè)量、遠(yuǎn)程通信和遠(yuǎn)程控制三大功能[4]。

2 實(shí)際需求

2.1 人性化和智能化管理

在設(shè)計(jì)新型系統(tǒng)的智能化LED路燈時(shí)充分考慮城市照明系統(tǒng)存在的問題，采用單片機(jī)對(duì)路燈的光照強(qiáng)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)化、智能化、實(shí)時(shí)化管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)路燈的人性化照明。在軟件方面采取更精密嚴(yán)格的程序算法和高度集成的可拓展功能，靈活控制燈具開閉、電壓電流以及功率因素的檢測(cè)；在硬件方面，采用電力載波和GPRS無(wú)線通訊技術(shù)控制電力載波的操作和對(duì)GPRS的操控，為用戶帶來(lái)人性化和智能化的管理體驗(yàn)。

2.2 節(jié)能環(huán)保

新型路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)必須遵循當(dāng)前的節(jié)能環(huán)保理念。對(duì)于城市能源需求來(lái)說(shuō)，照明是電力消耗的主要方面，因而在滿足需求的同時(shí)，必須解決節(jié)能環(huán)保這一問題。新型路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)合理設(shè)置開關(guān)的開通和關(guān)斷時(shí)間，能夠使城市照明依據(jù)時(shí)間和周圍環(huán)境的條件（亮度，溫度，有無(wú)人活動(dòng)或車輛行駛等）有效、及時(shí)、自動(dòng)地開通或者關(guān)斷，并且使燈具可以在設(shè)定的時(shí)間開通，保證電能的充分利用。新型路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)一般都具備避免過(guò)電壓和欠電壓的保護(hù)功能，可以有效減少電能對(duì)燈具的不利影響，進(jìn)而延長(zhǎng)燈具的使用壽命。再者，新型路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)使用LED燈，相對(duì)于常見的白熾燈不僅節(jié)能省電，更支持自動(dòng)調(diào)光。新型路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)可以依據(jù)需求對(duì)LED燈進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單燈控制與多燈控制。對(duì)于環(huán)保來(lái)說(shuō)，新型系統(tǒng)的LED燈屬于環(huán)保型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，減少了對(duì)環(huán)境的污染。

2.3 可行性分析

該系統(tǒng)依靠先進(jìn)的技術(shù)構(gòu)建了復(fù)雜的系統(tǒng)，但最終面向用戶的是很直觀、生動(dòng)的軟件界面和非常簡(jiǎn)潔的硬件模塊單元。

在軟件設(shè)計(jì)方面能夠預(yù)防非法使用者的惡意入侵，保證系統(tǒng)的安全。在硬件設(shè)計(jì)方面，硬件產(chǎn)品涉及的系統(tǒng)需經(jīng)過(guò)規(guī)模應(yīng)用實(shí)踐驗(yàn)證，使負(fù)載達(dá)到均衡，不會(huì)造成整個(gè)監(jiān)控平臺(tái)的異常運(yùn)行。在用戶端方面，每個(gè)用戶都能夠分別定義操作權(quán)限、內(nèi)容、功能模塊，只需具備操作普通計(jì)算機(jī)的能力和電氣知識(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)就能夠熟練駕馭。

新型路燈智能監(jiān)控節(jié)能系統(tǒng)具備很強(qiáng)的可操作性和可維護(hù)性，工作人員能夠簡(jiǎn)單方便地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作和上位機(jī)中心監(jiān)控操作。從維護(hù)要求來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)應(yīng)具備一定的故障診斷能力及快速的響應(yīng)性能；分布式終端之間以及終端和監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信應(yīng)具有實(shí)時(shí)性。從用戶角度來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的功能和性能；充分利用現(xiàn)有資源，降低設(shè)備的采購(gòu)成本。此外，設(shè)備的體積、重量等特性也應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 系統(tǒng)的主要組成

新型路燈智能監(jiān)控節(jié)能系統(tǒng)主要由上位機(jī)監(jiān)控中心、集中控制器、單燈控制器組成。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控中心

上位機(jī)監(jiān)控中心包括Internet輸出端、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、智能指令處理系統(tǒng)。Internet輸出端將集中控制器匯總的信息傳遞給上位機(jī)監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)用于存儲(chǔ)從現(xiàn)場(chǎng)單燈控制器接收的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)置的指令映射表。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)用于對(duì)接收的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。智能指令處理系統(tǒng)根據(jù)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的解析結(jié)果和指令映射表的存儲(chǔ)指令，生成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)單燈控制器的操作指令，再將操作指令下發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)單燈控制器。

3.2 集中控制器

集中控制器包括電力載波信息轉(zhuǎn)換模塊、集中匯聚模塊、GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)輸出端。電力載波信息轉(zhuǎn)換模塊與集中匯聚模塊連接，作為單燈控制器與集中控制器的信息交換樞紐，用于對(duì)每個(gè)單燈控制器數(shù)據(jù)信號(hào)的接收和對(duì)每個(gè)單燈控制器控制指令的分發(fā)。集中匯聚模塊用于接收和匯總每個(gè)單燈控制器的實(shí)時(shí)狀態(tài)與參數(shù)，預(yù)先設(shè)置指令映射表；所述指令映射表用于記錄與不同監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解析結(jié)果對(duì)應(yīng)的優(yōu)選操作指令。GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)端口與Internet輸入端連接，將對(duì)各路燈的監(jiān)控信息匯總上傳到Internet，再由Internet傳遞給上位機(jī)監(jiān)控中心。

3.3 單燈控制器

單燈控制器包括監(jiān)控?cái)z像頭、路燈亮度調(diào)節(jié)器、故障檢測(cè)模塊、單燈監(jiān)控終端、電力載波WiFi節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控?cái)z像頭用于監(jiān)控路燈附近的實(shí)時(shí)畫面，若檢測(cè)到路燈不在安裝位置，則向監(jiān)控中心發(fā)送防盜警報(bào)信息。路燈亮度調(diào)節(jié)器包括紅外傳感器模塊、光敏傳感器模塊以及溫度傳感器模塊：紅外傳感器模塊用于檢測(cè)不同時(shí)間的行人和車輛；光敏傳感器模塊用于檢測(cè)不同時(shí)間自然光的強(qiáng)度；溫度傳感器模塊用于檢測(cè)不同時(shí)間環(huán)境溫度；故障檢測(cè)模塊用于監(jiān)控發(fā)生故障的路燈信息，并向上位機(jī)監(jiān)控中心發(fā)出修復(fù)故障路燈的通知；單燈監(jiān)控終端是單燈控制器的控制單元，會(huì)不斷檢測(cè)狀態(tài)、參數(shù)及查詢上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的命令，完成自身路燈的開關(guān)控制和電流、電壓、電能以及功率因數(shù)的檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)路燈實(shí)時(shí)采集街道上行人與車輛的信息，自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈的亮暗變換，并將路燈的實(shí)時(shí)信息通過(guò)電力載波WiFi節(jié)點(diǎn)傳遞給集中控制器。電力載波WiFi節(jié)點(diǎn)利用傳輸電流的電力線作為通信載體，與集中控制器上的電力載波信息轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)無(wú)線連接，將路燈的實(shí)時(shí)信息傳遞給集中控制器并接收集中控制器對(duì)單燈控制器的控制信號(hào)。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

4 系統(tǒng)的主要功能

新型路燈智能監(jiān)控節(jié)能系統(tǒng)具有較多功能?？梢愿鶕?jù)季節(jié)和天氣的變化，在不同季節(jié)和不同天氣情況下設(shè)定不同的燈光亮度；在不同時(shí)間檢測(cè)行人和車輛的數(shù)量，當(dāng)行人與車輛稀少時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈的光照強(qiáng)度；設(shè)置有地理信息模塊，可結(jié)合收集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)查詢路燈實(shí)時(shí)監(jiān)控信息和修復(fù)狀態(tài)的回報(bào)；根據(jù)時(shí)間曲線和光照強(qiáng)度，由主機(jī)自動(dòng)控制路燈的開閉，實(shí)現(xiàn)燈具開關(guān)的手動(dòng)遙控和組合控制；根據(jù)預(yù)定的時(shí)間提前開始自動(dòng)檢測(cè)和排查，并可人工操作檢測(cè)路燈電力線路的電壓和電流參數(shù)；通過(guò)監(jiān)控中心可以得到每個(gè)路燈的信息和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)電壓電氣等基本設(shè)備的調(diào)壓功能。

5 結(jié) 語(yǔ)

智能路燈系統(tǒng)是一個(gè)應(yīng)用新技術(shù)的老工程問題。現(xiàn)代智能路燈系統(tǒng)大量應(yīng)用了先進(jìn)的節(jié)能算法、節(jié)能材料和通信技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了節(jié)能化、通信數(shù)字化以及控制和維護(hù)自動(dòng)化。其功能齊全強(qiáng)大、構(gòu)成合理，還可節(jié)省投資，是城市現(xiàn)代化發(fā)展的重要標(biāo)志，可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也是市政工程建設(shè)的主要內(nèi)容。本文依托城市化進(jìn)程實(shí)際需求提出了路燈系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)系統(tǒng)方案，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)需求選定硬件設(shè)備和軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)科研人員的技術(shù)驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)模擬，完全可行。新型路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)使用先進(jìn)技術(shù)對(duì)路燈進(jìn)行控制，不僅能夠產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，還能推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

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