采用物联网和4G数据传输技术的单灯控制系统应用

文｜南京市路灯管理处 陈爱勇

1 前言

南京市路灯管理处于1999年率先在全国省会城市建设“南京市路灯监控系统”。系统经过十几年的不断扩容和升级，目前已建有路灯监控中心、1600多台照明监控终端， 系统采用中国移动GPRS专网无线通信方式，实现了全市主城区及部分远郊区范围内路灯的集中控制管理。该系统对提高南京市路灯管理处的路灯管理水平起到了重要作用。

近些年为了进一步响应国家“节能减排、绿色照明”的号召，实现路灯管理部门的精细化管理，南京市路灯管理处牵头调研、总体规划设计新型单灯控制系统，搭建统一软件平台，在南京主要路段安装技术先进、稳定可靠的单灯控制器，该单灯控制器主要采用物联网和4G通信技术设计，实现任意一盏路灯的开关、模拟量检测、开关量检测、灯具故障、节能调光等功能。

2 国内单灯控制系统发展概况

国内单灯控制系统起步于2000年左右，当时全国大多数城市路灯监控系统通信方式仍在使用230MHZ或450MHZ电台通信的方式，中国移动和中国联通的无线分组技术（GPRS）才刚开始向一些行业进行推广应用。很多路灯管理部门连最基本的路灯监控系统都没有建设，更谈不上建设单灯控制系统，而当时单灯控制技术受限通信技术和芯片技术限制，只能采用电力线载波有线方式进行通信，传输速度慢，且电力线载波受现场线路影响很大，传输效率很低，只在少部分城市得到应用，应用效果不佳。2006年以后随着通信技术和芯片技术的迅猛发展，单灯控制系统逐步发展起来，并开始在一些大中城市推广应用。目前单灯控制系统主要的设计思路都是在原有路灯监控系统基础上，利用原有监控平台和监控终端，扩展单灯控制功能，通信方式也基本采用有线和无线两种方式。

3 单灯控制系统组成

南京市单灯控制系统框图见图3.1，由路灯监控中心软件平台、4G无线数据通信系统、分布在全市各路段的单灯控制器组成。

4 单灯控制系统组网方式

4.1 国内传统组网方式

图3.1 单灯控制系统组成框图

国内单灯控制器目前基本上都是采用Zigbee、433MHZ、电力线载波这三种方式进行单灯控制系统组网，这三种组网思路基本一致，都是采用两层网络结构进行组网，第一层网络结构是通过数据专网（GPRS/CDMA）将监控中心与配电柜处的照明监控终端进行无线连接，即可实现监控中心与监控终端的数据传输，达到第一层远程监控的目的。第二层网络结构是照明监控终端通过RS-485接口与单灯集中器连接，单灯集中器采用Zigbee、433MHZ、电力线载波三种方式中的任意一种采用无线小区组网方式与单灯控制器进行通信。

上述传统组网方式是目前国内最常用的组网方式，在一定时期内甚至作为主流通信方式被很多路灯管理部门所采用。但传统组网方式确有着无法避免的缺陷，首先传统组网方式必须组建两层网络，在数据传输效率上不是很高，加之需要通过照明监控终端和集中器对数据进行中转，发生数据拥塞和多设备多故障点的概率就会增加；其次Zigbee、433MHZ、电力线载波无论哪种通信方式都无法实现网络无盲区全覆盖。

4.2 本系统单灯组网方式

南京路灯处单灯控制系统摒弃了传统单灯系统组网方式，采用目前传输速度最快、网络覆盖全、技术成熟可靠的4G网络进行组网。

系统采用单层组网方式，监控中心直接通过4G无线网络与道路上安装的单灯控制器进行通信。4G网络目前在南京已经全市无盲区覆盖，解决了网络盲点问题，且网络传输速度快，根据今后需求可扩展视频监控、经纬度定位等功能。该组网方式脱离了原有照明监控终端的局限，更加独立，不仅作为独立单灯控制系统运行，也可通过原有照明监控系统统一送电统一管理。

5 单灯控制器设计

5.1 硬件设计

单灯控制器硬件组成框图

单灯控制器采用国际先进的物联网技术，可以实时在线监控每个灯杆、每盏灯的运行状态，采用4G公网通信方式与控制中心直连，组成智慧照明物联网，达到城市道路照明的自动化控制、精细化管理和节能减排的目的。

单灯控制器由电源控制板、处理通信板、外壳、接线端子等组成。两层电路板插拔式结构，下口具有标准的接线端子和状态、故障指示灯，安装维护方便，防护等级达到IP54。该产品集电量采集、开关控制、数据传输、调光节能和漏电监测为一体，安装在每个路灯灯杆的接线盒内，完全能满足南京市道路照明对单灯控制的需求。

本次设计严格按有关的国标规范进行，主要遵循的国标有：

CJJ45-2006 城市道路照明设计标准；

CJJ89-2012 城市道路照明工程施工及验收规程；

GB/T 2421: 1999 电工电子产品环境试验；

GB/T 2423电工电子产品环境试验第2部分：试验方法；

GB/T 4208: 2008外壳防护等级（IP 代码）；

GB/T 13729-2002远动终端设备；

CJJ/T 227-2014城市照明自动控制系统技术规范。

灯控制器的硬件组成框图如上图所示，具体的组成部分说明如下：

主芯片选用ARM芯片，运行速度快，功能强大，集成度高，可靠性高。

电源采用线性电源，确保恶劣使用环境下稳定可靠的供电。

采用大容量存储芯片，用于存储系统参数、网络参数、报警信息、状态记录、日志记录等信息。

内置时钟芯片，确保掉电后时钟准确保持，上电后单灯控制器可自主运行。

选用高可靠性的采样芯片，保证检测电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数的准确性和精度。

采用工业级4G通信模块，适应灯杆内部自然环境条件，确保通信可靠稳定。

调光控制分为开关量输出、PWM输出和0～10V输出，可控制高压钠灯的变功率镇流器或LED路灯，实现调光节能。

5.2 嵌入式软件设计

软件设计兼容南京市路等管理处控制平台，通信协议执行南京市路灯管理处的《主站与单灯控制器通讯协议》。通信规约开放城市照明自动控制系统信息交换标准，对设备地址、设备参数、运行状态、控制信息应采用统一数据格式，满足设备互换的要求。与控制中心的通信规约依据GB/T19582《基于Modbus协议的工业自动化网络规范》执行。

单灯控制器的程序设计使用标准C语言编程，程序设计采用面向过程的设计思想，采用多任务实时操作系统，实现多任务并发执行，各个任务相互独立，互不干扰，执行效率高，实时性能好，同时也有利于功能模块的扩展。

6 单灯控制器技术参数及功能

6.1 单灯控制器技术参数

输出回路：1～3路，常闭触点，容量AC220V/5A；

电量监测：1～3路，电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数；

调光节能：1～3路继电器干触点或1～3路0～10V模拟量输出；

漏电检测: 同时具备灯杆漏电压和线路漏电流检测；

计量精度：有功1级，无功2级；

通信接口：RS-485接口；

工作电源：AC220V±20%；

环境温度：-40～+70℃；

相对湿度：≤95%RH（+25℃）

大气压力：80kPa～106kPa；

防护等级：IP54；

外形尺寸：160×80×50mm（长×宽×高）。

6.2 单灯控制器主要功能

按照路灯控制中心的命令或按预设置的参数自主执行对路灯单灯运行数据的监控,对于有节能接口的灯具，可实现单灯节能；

执行路灯控制中心的查询、控制和参数设置指令；

可对路灯运行数据（电压、电流、有功、无功、功率因素、开关量等）进行采集；

灯具故障检测并主动上报功能；

可对灯杆带电和线路漏电进行检测报警；

具有参数设置和掉电保护功能；

可根据设定的报警条件主动向上级系统进行报警；

具有运行和管理数据的存储功能；

单灯控制器与路灯控制中心之间的通信方式采用移动4G公网通信方式，具备自动入网功能；

具备RS-485接口，可与扩展的外设连接，实现路灯电缆24小时被盗或水浸报警功能；

具有节能控制功能，能实现路灯的调光控制。支持高压钠灯和金卤灯的开、关及变功率的节能控制，支持LED路灯的开、关及0～100%节能控制的0到10伏调光。

结束语

南京单灯控制系统建成后，在原有照明无线监控系统基础上增加了单灯控制子系统，通过南京路灯监控中心软件平台可直观的了解全市安装单灯控制器路段的每盏路灯的开关灯情况，一旦路灯发生故障可直接定位到某盏路灯，使得路灯精细化管理成为现实，路灯维护效率大大提高，另外通过科学设置各路段的亮灯方案，采取隔灯亮，快车道慢车道分时段亮、单双日轮换亮灯等方式不仅节约了大量电费还大大延长了灯具的使用寿命。因此该系统的建设获得了很好的社会效益和经济效益。