智能路灯控制系统研究

卢林

摘 要：现代城市发展迅速，城市公共照明也随之获得了长足发展，然而城市路灯的优化控制还存在诸多问题。本文在阐明城市智能路灯控制系统研究意义的基础上，就城市公共照明现状进行了分析，并针对现状提出了相应的解决办法，同时对智能照明控制系统的功能及技术实现进行了论述。最后对系统的实施效果进行了表述。

关键词：城市照明；远程控制；无线通信；模块化；节能减排

随着我国城市化步伐的加快，城市经济和规模的发展，各种类型的道路越来越长，机动车数量迅速增加，夜间交通流量也越来越大，道路照明质量直接影响交通安全和城市发展，城市照明[1]建设作为体现城市形象的作用日益受到重视，如何提高道路照明质量、降低能耗、实现绿色照明已成为城市照明的关键问题。

1 智能路灯控制系统建设的必要性

城市照明越来越受到重视，得到了迅猛发展，路灯、景观灯规模越来越大，要求越来越高，从而给规划、设计、运行、管理和维护中带来了一系列问题。在我国，大部分城市特别是中小城市的路灯系统自动化管理水平还不是很高，仍采用早期的钟控、光控或人工控制技术，系统可靠性低，特别是当季节、气候变化时不能及时改变开关灯的时间，当有些路灯坏掉或是灯杆出现倾斜时也不容易及时发现。

除此之外，传统路灯多采用电力载波的有线传输方式，成本较高，线路复杂，当线路检修时，就不能再传输数据。同时电力载波信号不容易控制，只能在一个配电变压器区域范围内传送，且随着传输距离的增加，信号衰减比较严重。

为了应对更高的节能要求，提高城市形象和管理水平，以及针对传统路灯控制系统存在的弊端，必须进行高效精确的智能路灯控制系统。系统应集无线通讯技术、自动化控制技术、监控组网于一体，有效实现路灯控制的灵活性、实时性、可靠性。

2 城市照明控制现状

目前国内应用的城市照明监控系统归纳起来，这些系统存在的问题主要在于一下几方面。

精度不高：大多只能整体控制路灯的开与闭，最多到回路，精度不高，还远未达到单灯监控的水平，更不能体现智能化。

不能适应节能及监控新光源要求：近年来，能源问题日趋紧张，国家大力宣传在城市照明行业发展节能新技术，采用节能新光源，倡导“绿色照明”新观念。为顺应国家能源战略的总体要求，各种路灯节能设备在城市照明行业得到普遍应用，但目前采用的节能器，大多设臵在控制箱端，体积庞大，控制线路长、设备多，因而节能效果也受到一定限制。

盗失严重，管理乏术：随着城市建设规模的迅速扩展，市政公用设施的管理已成为一个老大难问题。仅在如何防止盗失方面，各地方各行业就此想了很多办法，比如加固设施，派专人巡查，加大处罚力度，甚至组建机构、招募人员，可以说不遗余力，想尽了方法。但公用设施被盗事件仍层出不穷，防范效果并不显著。原因主要是监控周期长，监控范围大而目标分散，单纯依靠人力毕竟不是科学和长久之计。

3 智能路灯控制系统实现

3.1 系统功能设计

系统功能设计主要包括终端控制管理和远程管理。

终端控制部分包括主控管理、电源管理、参数采集、无线通信、存储管理、延时断电、时钟管理、控制器以及程序管理。

远程管理部分包括数据存储、数据分析、路灯状态控制、时间表设置、报警管理、防盗管理、数据显示管理、时间同步管理、数据统计、无线通信、数据查询以及报表打印功能。

3.2 系统设计

3.2.1 系统整体结构设计

整个系统设计采用模块化结构，主要分为三大部分：监控中心，集中控制器，终端控制器。

每一个单灯控制器，成为系统的一个监控终端；多盏路灯的数据控制信息汇聚到一个集中控制器上，并通过集中控制器上传到监控中心。集中控制器以及每个控制终端都可以通过组网具有优势的Zigbee网络进行数据传输。在集中控制器中，有且只有一个担任主协调器，负责收发其他集中控制的数据信息。主协调器与监控中心主机通过网口或串口进行有线连接。监控中心可以通过任何可以上网的设备，通过浏览器查看连接到监控中心的软件界面来实现路灯点对点实时监控。

3.2.2 系统各模块设计

⑴终端控制器设计。每一个终端控制器，都集成了多种监控功能，主要负责路灯的多个参数同时监测和处理，同样采用模块化结构[3]，包括电源模块、电能采集模块、时钟模块、存储模块、延时断电模块、报警模块、无线通信模块和控制和反馈单元。

电源模块：将220V交流电经过整流之后给主控模块和无线通信模块提供两者正常运行所需要的直流稳压电源。

电能采集模块主要负责采集路灯的电流电压等数据，通过内嵌精密的数据处理算法，计算出电能及功率因数，为工作人员对路灯的耗电等情况提供数据依据。

无线通信模块采用Zigbee通信技术，成本和功耗低，无需布线，可以在不改变原有路灯控制系统布线的基础上进行方便安装，便于调整，并且能够实现终端控制器之间自动组网进行通信，当网络中出现某个终端控制器损坏时，控制器能够快速识别距离自己最近的通信节点，并将数据自动传送出去，保证了系统运行的稳定性。

存储模块：采用E?PROM存储，用于存储各路路灯的地址。

延时断电模块：为了防止在系统突然断电的情况下数据丢失的情况，在控制器中设计有超级电容，用于对控制器的断电起到延时作用，方便控制器及时对采集的数据进行存储。

时钟模块：系统采用高精度、低功耗、高性能的时钟芯片，从而为整个系统提供准确的时间。

报警模块：采用蜂鸣器，主要用于在路灯出现异常状态时进行报警，以实现快速发现并解决问题的目的。

控制器的控制和反馈单元采用可控硅，实现对路灯的开关控制，为了避免控制器受强电流等的影响而损害，系统在核心控制芯片和可控硅之间采用光耦隔离，从而实现保护核心控制器的作用。

系统主要组成结构如下图所示：

⑵集中控制器设计。系统的集中控制器主要采用Zigbee无线通信方式进行数据通信，其中包括两个部分，一部分是和终端控制器经串口连接的Zigbee子节点，另一部分是和监控中心的服务器相连的Zigbee模块，担当系统的主协调器。

Zigbee的从节点都设计成带有PA（PowerApmlifier功率放大器）的功能，从而使传输距离达到300米左右，增大数据传输距离，结合Zigbee的数据发送频率以及传输距离的技术问题，一般200-300左右盏灯通过安装一个集中控制器的Zigbee从节点进行统一控制。且每个控制器均设有一个唯一的识别地址，方便系统的通信和定位。

担任协调器的Zigbee模块与监控中心的服务器主机通过串口相连接，每个系统有且只有一个协调器。同样设计成带有有PA（PowerApmlifier功率放大器）的功能，从而增大数据传输距离。其主要负责数据的通信功能，是整个系统的通信枢纽，主要功能为：接收服务器下发控制命令，上报服务器所要查询的数据；可实现本地或者远程的查询与配置；同时可实现策略的查询、修改。

⑶监控中心设计。监控中心安装和配置卓朗公司自主研发的智能路灯控制系统软件，软件设计是在Windows操作系统的基础上，结合SQL server数据库，采用B/S架构进行开发，具有可视化、便于操作和掌握的人性化监控界面。每个监控中心都有唯一设定的地址编号，各个地址编号的路灯的电压、电流、电能、功率因数、位置信息等数据都可以实时显示在监控中心的大屏幕上，一旦某盏路灯出现损坏等情况时，将会在界面上发生声光报警，方便工作人员及时查询。

4 系统使用及效果

系统具有低功耗、低成本、断电延时、高稳定性、易扩展等特点，其应用Zigbee自组网和网络容量大的特点，可以应用在多种场合和环境，包括：需要监控的网点多，需要较大的网络覆盖的情况；低成本、低功耗的要求的情况；地形复杂，不便于布线的环境；无线传输的安全性及可靠性要求高的情况。

[参考文献]

[1]中国建筑科学研究院.《城市道路照明设计标准》.

[2]瞿雷《ZigBee技术及应用》北航出版社.

[3]萨梅克（美国），译者：敬万钧，陈丽蓉.《嵌入式系统的微模块化程序设计：实用状态图C/C++实现》.北京航空航天大学出版社.