基于动态控制算法的智慧路灯系统的设计与实现

赵希华　向隆文　肖雄　赵可　俞尚根

摘 要：智慧路灯是一种新型的路灯控制系统。本文通过对路灯控制系统的设计，采用基于动态控制算法，实现对路灯照明区长度与灯光的有效控制，极大程度上节约了能源。

关键词：动态控制算法；智慧路灯系统；系统模型；系统设计；仿真

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）22-0022-01

随着信息技术的不断发展，传统的路灯对能源的大量消耗现状已不符合现阶段节能减排的发展模式。针对路灯的节能问题，本文采用微波传感器与其他传感器相结合的方式，采用动态控制算法，设计了一套智慧路灯控制系统，可以有效地节约了灯光照明的电能。

1 系统模型

1.1 业务模型

一般来说，智慧路灯控制系统主要是实现对路灯进行智能控制，采集路灯相关信息及对路灯的故障排查。根据相关要求，本文所设计的智慧路灯控制系统具备智能控制、耗电检测，在此基础上还具备广播模式与网络模型功能，具体如下：

（1）广播模式。在整个智慧路灯控制系统中心可实现广播的模式对各节点上路灯开关状态检测、亮度的改变、耗电状况的检测的功能。

（2）组播模式。在该智慧路灯控制系统中，将系统中各节点路灯进行分组，通过监控中心中组处理的模式实现对所有路灯的控制。

（3）点播模式。可实现对智慧路灯控制系统中单独某一节点进行点亮的功能。

（4）报警模式。在系统中，若某一结点处出现欠载、过载或故障时，监控中心能够获取相关故障点的状态信息，并显示和发出相应的报警信息。

1.2 网络模型

实现单节点控制，主节点与分节点可实现数据交换，各单节点之间可互相通讯。所有节点于同一信道中通讯，汇聚点可实现点播、组播、广播三种模式进行相关数据传输。

2 系统方案

智慧路灯控制系统，通过道路现场智慧传感控制系统和后台监控中心系统通过互联网实现互相连接，现场控制系统通过GPRS无线网络技术接入互联网。系统采用防火墙、数据库、中心管理平台等部分组成，对监控的数据进行管理与存储。系统综合考虑其他各种因素，在现场控制系统中控器与单路灯控制器可独立于监控中心之外，独立运行，根据用户的配置需求进行配置，达到实现需求最佳的状态。

3 智慧路灯系统的设计

3.1 整体设计

智慧路灯控制系统中心采用Web Service技术，C/B+B/S架构技术，可实现的系统任务的合理分配处理，降低系统资源的消耗。系统采用防火墙、数据库、中心管理平台等部分组成，对监控的数据进行管理与存储。系统控制中心主要采用窗口模式，简单、方便已操作。

3.2 硬件设计

根据设计要求，智慧路灯控制系统中智能控制器具备GPRS通信、数据处理分析及独立运行控制现场的功能，根据市场上芯片功能与性价比，最后采用ARM Cortex-M3处理器STM32F103C8T6为核心处理器，连接其他功能模块实现系统离网运行自动控制、路灯开关、路灯灯光的调节、路灯数据交换、人车的识别、故障检测等功能，中控器硬件框如图1所示。

智能中控器各单元模块可与核心处理器相互联通，输出电平信号经过处理后通过PWM形式对路灯LED进行路灯光亮度调节与开关等控制。

3.3 软件设计

智能中控器具有外围模块单元多的特点，需要完成相关通讯及数据处理分析、中断的响应等任务，系统采用较好的软件框架，可快速有效的完成相关通讯数据的处理分析与作答任务，大大提高程序执行的效率与CPU的利用率，同时也提高了程序的扩展性与可维护性。

3.4 控制算法

在该系统中，采用微波传感器与热释红外传感器相互结合的方式，完成对人车移动的状态进行检测，使系统最小区域的照明。人车到路灯亮，人车走路灯灭，结合斑马式半亮度智能模式，采用动态控制算法對路灯进行高效控制与灯光亮度的调节，实现节能最大化。

根据相关推到与运算，可得到系统性能评价指标ITAE，可得式（1）。

（1）

式中，e（n）为误差函数，TS为采用周期，α在[0，1]之间取值，找出最优值。根据相关工程经验，一般α取值0.1到0.5之间比较适合。

4 实验数据及分析

在系统设计完成后，开始验证系统的各项性能。实验选取一段新修建的道路（该路段内设30个60W路灯，互相之间间隔30米），实验中以12小时为周期。表1为实际实验观测数据，该数据表明该智慧路灯控制系统不仅实现了最小区域动态控制效果，且照明区长度能根据车速自动动态调节，有效节约了能源。

5 结语

本文采用微波传感器与其他相关检测传感器结合，根据人车的状态，基于动态控制算法快速动态调节路灯灯光照明区域与照明亮度，智慧路灯控制系统有效提高了路灯控制效果，也可以很大程度上节约了能源。

参考文献

[1]资双飞，林炜岚.基于长链状传感网的智慧路灯控制系统[J].照明工程学报，2015，5（26）：48-56.

[2]黎山峰，杨雷，孙建军.基于动态控制算法的智慧路灯系统的设计与实现[J].南昌大学学报，2013，3（40）：303-306.