远程路灯监控系统的设计

徐东辉

（辽宁地质工程职业学院机电系，辽宁丹东118008）

【机械与电子工程】

远程路灯监控系统的设计

徐东辉

（辽宁地质工程职业学院机电系，辽宁丹东118008）

为解决纬度算法与实际需要不符、相邻路灯开关灯长时间不同步的问题，以及如何使系统适度、合理报警等问题，对行业内已应用的控制系统在控制方式、算法、效果等方面进行了横向比较。通过修正经纬度算法,增加了手动调节功能，精确得出日出日落时间，满足路灯控制的实际需求。同时，采取减少校时并发通信数量的方法，使各路灯站点分时、分批校时，减少了通信延迟，提高了网络校时的精度。此外，下置的数据增加校验步骤，保证校时数据的正确性，解决了相邻路灯开关长时间不同步的问题。实际应用结果表明，路灯监控系统的各项功能符合实际需要，路灯管理水平显著提高。

网络控制；DTU；路灯管理

目前国内路灯控制基本采用钟控、光控〔1〕、网络控制〔2〕、单灯控制及人工控制等方式。国内的路灯监控系统基本是基于网络监控，再辅以其他控制方式，通信通常使用DTU、ZigBee、WiFi、电力载波、以太网等进行通讯，可以对整条道路或部分道路上的路灯进行监控。

现有路灯监控系统中，使用经纬度算法进行钟控的比较多，这种算法虽然可以对当地的日出日落时间精确计算，但是由于有的系统并没有考虑到地形的影响、大气层对日光的散射作用，以及人的光感差异，致使路灯系统虽然按时开关灯，但并未满足市民的实际需求。

在系统报警方面，对不同的报警没有区别对待，某些系统没有考虑到故障报警的软件自动修复，致使监控人员增加了很多不必要的工作，在一定程度上降低了监控人员的工作效率。

相邻路灯开关灯时间不一致的问题，是现在路灯监控系统中实际存在的问题，常见的解决方法是多次校时，甚至一日一校时，但是这个问题还是没有根本解决，虽然路灯监控室值班人员可以对路灯控制器一一手动校时，但是程序上的问题，还是应该在程序设计上做进一步的完善。

本系统通过对其他系统进行学习，走访路灯班监控人员，针对现有系统存在的问题，主要在以下几个方面进行了改进。

（1）路灯开关灯时间在现有经纬度算法的基础上，增加了网络人性化调节，以适应不同地理环境、大气层对日光的影响，以及不同人群的不同光照度需要。

（2）系统能自动提供故障自诊断、适度的故障自修复及报警。

（3）改进的站点时间自动校时功能，可以自动解决路灯开关灯时间不一致的老问题。

此外，早在1992年的《城市道路照明设施管理规定》（建设部1992第21号令）中，就首次提出了亮灯率指标的要求：“城市建设行政主管部门必需对道路照明设施管理机构建立严格的检查和考核制度，及时督促更换和修复破损的照明设施，使亮灯率不低于95%。”近年来政府各级相关部门对亮灯率的要求也越来越细、越来越高。因此，保证亮灯率达标已经成为路灯监控系统的一项重要任务。

对于解决亮灯率达标的问题，单灯控制是个最简单的解决方法，由于其直接对单个路灯进行监控，因此能对亮灯率精确反馈，能很好地解决亮灯率达标的问题，但由于控制器需要数量较大，现阶段控制器成本还较高，会导致初期投入资金较多的问题，因此目前普及率还不高。路灯管理系统如何既节约成本，又实现较高的亮灯率，成为资金不充足的路灯管理者的一个难题。

从满足控制要求和降低系统建设成本两方面进行综合考虑，本系统现阶段主要采用DTU模块及移动专网进行通信。现场控制系统的通信采用DTU组网，服务器端的网络采用移动专网，建网费用由中国移动承担。这样系统能很好地实现路灯远程实时监控，以及节能的需要，但仅靠现场控制系统少量的传感器对亮灯率进行精确及时的反馈，还存在明显的不足。通过人工巡灯，再辅以国产无人机巡灯，能对路灯亮灯率精确反馈方面的不足进行很大的改善，使系统亮灯率达到96%以上，在既降低成本又达到较高亮灯率方面算是一种有益的尝试。

1 具体方案的设计[3-4]

1.1 确定路灯的控制要求

通过走访当地路灯管理部门，确定路灯控制系统的具体控制要求。

（1）每个现场控制柜能自动或手动控制6路路灯的开关。

（2）路灯监控系统能按时段以不同的预设报警电压、电流上下限报警值，其预设值要求可修改、可保存，不同时段能调用不同的报警电压、电流上下限值。

（3）要求路灯控制系统既能通过网络手、自动控制；也能现场手动控制，并且还能由现场手动控制后自动切换到时段控制，一方面便于维修人员现场维护，另一方面能避免因维修人员的马虎而使系统运行异常。

（4）在远程监控电脑中各站点的路灯电压、电流数据，现场路灯的工作状态，要能实时查看。

（5）有路灯站点地图及站点导航。

（6）能自动提供故障自诊断及报警。

（7）各站点路灯电压、电流值能24小时自动保存，查阅时要能查阅一年的数据。

1.2 方案的横向比较

对国内路灯控制系统的先进经验进行借鉴，在《城市路灯无线监控系统》《基于GPRS的路灯监控系统》《基于无线通信的城市路灯监控管理系统》《智能路灯控制系统》《城市路灯监控系统》《城市道路照明系统》等项目的论文中借鉴其先进的算法和设计经验，以完善本控制方案。

2 方案的具体实施

2.1 确定系统的网络通信服务商与通信系统结构

通过与DTU及组态软件的技术支持人员沟通，以及笔者的工程实践，本项目的网络通信部分采用中国移动网络制式GPRS DTU和中国移动的移动专网，网络通信的无线及有线部分都是在中国移动的网络内部进行，其通信效果与域名解析、电信固定IP、联通固定IP相比，移动专网的通信效果最好。本次系统的网络通信结构见图1。

图1 远程路灯监控系统的网络结构

中心监控管理子系统由上位机组态软件和服务器电脑组成；数据传输部分由GPRS DTU和中国移动专网组成；前端测控子系统由现场控制柜中以可编程控制器为主的控制系统组成。

2.2 根据路灯系统的控制要求确定如下控制功能

（1）按时段控制路灯开关

即使用者可以通过上位机电脑对路灯进行管理，根据当地的实际情况，分多个时段按需设置路灯亮灭时间、及亮灯路数。比如：交通高峰期（晚上20:00—22:00），交通正常期（晚上22: 00—01:00）和交通低谷（凌晨01:00—天亮），用户可以根据交通状况设置多个时间段，在不同的时间段设置不同的控制方案，以实现既节约电能又保证足够光照度的目的。

本系统的时段控制采用了经纬度算法，但是单纯考虑日出日落时间，对于一个成熟的控制系统而言还是不够的，还要考虑经纬度算法在实际应用中会遇到的不同问题，以及不同人的光感综合设置可调的开关灯时间。比如，即使经纬度相同，但是各地还存在不同的地形和日光遮挡等因素，因此经纬度算法的运算结果除了按当地实际情况加以修正，还应具有手动调整的能力，这样才能适应市民的实际需要，比如熄灯时间比实际日出时间延迟，开灯时间比实际日落时间提前，这样才能体现出照明服务于人的真正意义，依据实际需要进行路灯管理，方便市民的出行。

（2）自动提供故障自诊断、适度的故障自修复及报警

系统能提供站点时间异常的报警提示、站点断电报警及电压、电流上下限报警、站点离线报警。

其中站点时间异常时先自动校时，校时失败时再报警，可以减少不必要的报警数量。

由于网络监控效果受网络通信质量影响，所以对于各站点的通信状态必须进行监测，本系统对不能通讯的站点提供离线报警，以保证网络通信故障能及时排除。

（3）改进的校时功能

系统在校时方面，采用改进的分批次自动校时的功能，各站点按时间分批进行校时，可以减少同一时刻通信的数量，避免网络通信出现拥堵，避免出现过大的通信延迟，确保网络校时的精确性。同时在现场控制器内还对校时结果进行了校验，时间数据下载与否与现场控制器校时成功与否，都分步进行了校验，以确保校时的成功。

（4）路灯电压、电流按不同时段设置不同的报警上下限值

控制系统可以对单个或多个站点设置不同时段、不同相上的电压、电流上下限保护值，并借助系统提供的超限报警提示，判断各站点的工作是否正常。此参数软件重新启动、电脑关机后不会消失，并且在报警提示中提供实际电压、电流检测值和本时段的上下限预设保护值，方便用户对数据进行比较，便于进一步分析问题。

（5）系统既能网络手自动控制，也能现场手动控制，系统脱离网络现场控制柜也能在短期内提供正常的服务

根据特殊天气及维修等特殊需要，我们可以手动实现全夜灯和半夜灯的切换控制，其中半夜灯控制还可以自由的对任意现场路灯分组控制。为满足维修需要，白天维修时现场可以手动切换至全夜灯控制，之后即使忘记手动关闭路灯，系统仍然可以自动转入时段控制。

（6）站点数据按轻重缓急分类显示

所有的监控系统都存在一个问题，就是系统内的数据量较大时，一定要按轻重缓急对数据进行分类，否则主要数据如果不正常，会大大降低系统的整体控制效果，所以主要数据是否正常，一定要清晰的显示出来，因此我们将站点的时段、电压、电流、时间等关键信息，详细的在单站点窗口中提供给使用者，并通过各种颜色的彩灯将站点工作状态及时在左侧导航栏中显示出来，包括红色灯表示故障、灰色等表示停电、黄色等表示正常照明、绿色灯表示熄灯时无故障，出现故障时下方报警窗口也同时提供简要详明的报警提示。

（7）站点地图及站点导航

本系统运用百度地图API，能提供较直观的站点地图，便于值班人员查找故障站点。

站点导航方面，还提供了便捷的站点设置及查看方法，通过点击左侧导航栏内的站号就可以直接进行站点查看和设置。

（8）用户权限管理

为使路灯控制系统正常的工作，用户权限管理尤为重要，本系统对于无权限的用户只提供浏览权限，系统设置时必须输入指定的用户名及密码，可以实现系统的专人管理、专人负责。并且还可以对于用户的登录时间、操作进行记录。

（9）站点工作电压、电流值的自动保存与查阅

可以通过监控电脑提供工作历史数据，通过数据查找问题、分析问题、解决问题。

2.3 根据控制要求确定系统总体硬件配置

在控制系统图纸设计之前，先要确定控制系统的硬件配置。首先少量设备的开发，从开发周期、工作稳定性与后续的扩展性、便于维护、成本等角度综合衡量，PLC为首选方案。接下来国外品牌PLC与国内品牌相比较，国内品牌在功能和稳定性上已有长足进步，已能胜任此类控制任务。

随后，PLC的选型也以系统需求为依据，确定输入输出点数。这里选用海为经济型PLC，其输入输出各8点，通信口有2个，符合系统现有的输入、输出、通信及留有余量的要求，且维护方便。

2.4 路灯控制系统电气原理图

见图2控制系统电气原理图。

图2 控制系统电气原理图

2.5 程序流程设计

（1）设计可编程序控制器程序流程图，见图3。

图3 可编程控制器程序流程图

可编程控制器在前端测控子系统即现场路灯控制柜中，其程序是依流程图中的流程对本站点路灯进行具体的控制，并实时地采集主电路电流、电压数据，将站点的工作数据通过网络传输子系统传输至中心控制管理子系统。

（2）设计中心控制管理子系统流程图（见图4）。

图4 中心监控管理子系统程序流程图

中心监控管理子系统，主要由中心管理主机相关软硬件组成，系统将依图4流程图实现站点地图、路灯各站点集中控制、报警查询、电量记录查询、报表打印和用户管理等功能。

2.6 自动化控制编程

（1）编制PLC程序

依据用户的控制要求及系统最终确定的流程图编制PLC程序。

（2）服务器上位组态软件（见图5）。

居于中间的窗口为地图窗口，左侧为站点导航、上方为顶部导航栏、下方为报警信息窗口。

图5 上位组态监控软件首页

1）开关灯时间的经纬度算法及其改进。

下面是本系统中采用的经纬度算法[5-6]。

已知：日出日落时太阳的位置h＝-0.833°～-6°，要计算当地的地理位置，经度Long，纬度Glat,时区Zone，UTo为上次计算的日出日落时间，第一次计算时UTo＝180°。

①先计算出从格林威治时间公元2000年1月1日到计算日天数days；

②计算从格林威治时间公元2000年1月1日到计算日的世纪数t，则

t＝（days+UTo／360）／36525；

③计算太阳的平黄径：L=280.460+36000.770t；

④计算太阳的平近点角G＝357.528+35999.050t；

⑤计算太阳的黄道经度λ＝L+1.915×sinG+0.020 ×sin(2G)；

⑥计算地球的倾角ε＝23.4393-0.0130t；

⑦计算太阳的偏差δ＝arcsin(sinε×sinλ)；

⑧计算格林威治时间的太阳时间角GHA：

GHA=UTo-180-1.915×sinG-0.020×sin(2G) +2.466×sin(2λ)-0.053×sin(4λ)；

⑨计算修正值e：e=arcos{[sinh-sin(Glat)sin(δ)] /cos(Glat)cos(δ)}；

⑩计算新的日出日落时间UT＝UTO-（GHA+Long± e）；

其中“+”表示计算日出时间，“-”表示计算日落时间。

本系统通过上述算法，初步绘制本地开关灯曲线，再将本地历年的黎明、黄昏的观测时间描点，采用曲线拟合法再次对经纬度算法进行修正，并将最终计算值按不同的日期存入配方库，然后将当前日期与配方的日期进行比较，自动调用当日的路灯开关灯时间配方，并且配方中的数据还可以根据不同的照明需要手动调整，这样就避免了经纬度算法在实际控制中因不能调整，而无法使用的问题。

2）监控软件用户管理窗口，对用户操作权限进行管理。

3）工作记录窗口对各街道站点的路灯工作数据进行管理。

4）事件记录窗口，对各用户登陆后的操作进行记录与查询。

2.7 程序细节调整

（1）对通讯速度进行优化，合理减少上位机与PLC通讯的点数，减少通信数据打包数量，从而提高整体通信效率。

（2）对程序进行多方面测试，问题也从多方面进行汇总。从路灯监控人员到现场维修人员，再到群众反馈，对发现的问题逐条修改。

3 最终研究成果。

3.1 现场路灯控制柜一个（见图6）

图6 路灯现场控制柜实物图

3.2 节能效果

在采用本系统之前路灯使用高压钠灯具，现在已用高亮LED灯替换，在保证合格光照度的前提下，每年每灯节电约260～500kWh，节能效果十分明显。

4 结语

经过调整和完善，本系统与其他系统相比较，解决的问题主要体现在以下几个方面：

（1）路灯开关灯时间可以通过网络人性化调节。

（2）适度的故障自修复及报警。

站点时间异常时首先自动尝试对站点时间进行校时，再次出现故障时再做报警处理，这样可以减少不必要的报警数量，提高管理者的管理效率。

（3）站点时间自动校时功能，可以自动避免路灯开关灯时间长时间不一致的老问题。

用户反馈系统达到了路灯日常管理的各项要求，运行稳定，监控效果良好。

［1］陈纳新.城市路灯无线监控系统探讨[J].南方冶金学院学报，2003，24（4）：53-56.

［2］王成福，唐晓强.基于GPRS的路灯监控系统的设计[J]. 2008，29（190）：18-21.

［3］宋成艳，李扬，梅运华.基于无线通信的城市路灯监控管理系统[J].微计算机信息，2007，23（1-2）：19-20.

［4］贺一鸣，王崇贵，刘进宇.智能路灯控制系统设计与应用研究[J].现代电子技术[J]，2010，33（1）：207-210.

［5］景春国，舒冬梅，顾德英.城市路灯监控系统中日出日落时间算法的实现[J].现代计算机，2003（5）：84-86.

［6］章君达，陆觉民，向群.城市道路照明系统节能控制方法的实现[J].能源工程，2011（4）：54-56.

（责任编辑：龙海波）

Design of remote street lamp monitoring system

XU Dong-Hui

（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Liaoning Geology Engineering Vocational College, Dandong 118008,China）

In order to improve the asynchronous lamp switching of adjacent lamps and realize the alarm function，the control mode，algorithm and results of practical control system of street lamps were studied.By revising the latitude algorithm and adding manual operation function，the times of sunrise and sunset were precisely obtained.Meanwhile，by reducing concurrent communication number，the timing of each street lamp station was conducted by time and batch，by which reducing communication delay and improving the precision of network timing.The checking procedures were increased so as to secure the data accuracy.The practical application results showed that the functions of the street lamp monitoring system meet the actual needs.

network control；DTU；street lamp management

TN915.853

A

1673-4939（2017）02-0113-07

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.02.08

2016-11-10

徐东辉（1975-），男，辽宁丹东人，实验师，研究方向：电气工程及其自动化。