智能路燈控制系統研究

盧林

摘 要：現代城市發展迅速，城市公共照明也隨之獲得了長足發展，然而城市路燈的優化控制還存在諸多問題。本文在闡明城市智能路燈控制系統研究意義的基礎上，就城市公共照明現狀進行了分析，并針對現狀提出了相應的解決辦法，同時對智能照明控制系統的功能及技術實現進行了論述。最后對系統的實施效果進行了表述。

關鍵詞：城市照明；遠程控制；無線通信；模塊化；節能減排

隨著我國城市化步伐的加快，城市經濟和規模的發展，各種類型的道路越來越長，機動車數量迅速增加，夜間交通流量也越來越大，道路照明質量直接影響交通安全和城市發展，城市照明[1]建設作為體現城市形象的作用日益受到重視，如何提高道路照明質量、降低能耗、實現綠色照明已成為城市照明的關鍵問題。

1 智能路燈控制系統建設的必要性

城市照明越來越受到重視，得到了迅猛發展，路燈、景觀燈規模越來越大，要求越來越高，從而給規劃、設計、運行、管理和維護中帶來了一系列問題。在我國，大部分城市特別是中小城市的路燈系統自動化管理水平還不是很高，仍采用早期的鐘控、光控或人工控制技術，系統可靠性低，特別是當季節、氣候變化時不能及時改變開關燈的時間，當有些路燈壞掉或是燈桿出現傾斜時也不容易及時發現。

除此之外，傳統路燈多采用電力載波的有線傳輸方式，成本較高，線路復雜，當線路檢修時，就不能再傳輸數據。同時電力載波信號不容易控制，只能在一個配電變壓器區域范圍內傳送，且隨著傳輸距離的增加，信號衰減比較嚴重。

為了應對更高的節能要求，提高城市形象和管理水平，以及針對傳統路燈控制系統存在的弊端，必須進行高效精確的智能路燈控制系統。系統應集無線通訊技術、自動化控制技術、監控組網于一體，有效實現路燈控制的靈活性、實時性、可靠性。

2 城市照明控制現狀

目前國內應用的城市照明監控系統歸納起來，這些系統存在的問題主要在于一下幾方面。

精度不高：大多只能整體控制路燈的開與閉，最多到回路，精度不高，還遠未達到單燈監控的水平，更不能體現智能化。

不能適應節能及監控新光源要求：近年來，能源問題日趨緊張，國家大力宣傳在城市照明行業發展節能新技術，采用節能新光源，倡導“綠色照明”新觀念。為順應國家能源戰略的總體要求，各種路燈節能設備在城市照明行業得到普遍應用，但目前采用的節能器，大多設臵在控制箱端，體積龐大，控制線路長、設備多，因而節能效果也受到一定限制。

盜失嚴重，管理乏術：隨著城市建設規模的迅速擴展，市政公用設施的管理已成為一個老大難問題。僅在如何防止盜失方面，各地方各行業就此想了很多辦法，比如加固設施，派專人巡查，加大處罰力度，甚至組建機構、招募人員，可以說不遺余力，想盡了方法。但公用設施被盜事件仍層出不窮，防范效果并不顯著。原因主要是監控周期長，監控范圍大而目標分散，單純依靠人力畢竟不是科學和長久之計。

3 智能路燈控制系統實現

3.1 系統功能設計

系統功能設計主要包括終端控制管理和遠程管理。

終端控制部分包括主控管理、電源管理、參數采集、無線通信、存儲管理、延時斷電、時鐘管理、控制器以及程序管理。

遠程管理部分包括數據存儲、數據分析、路燈狀態控制、時間表設置、報警管理、防盜管理、數據顯示管理、時間同步管理、數據統計、無線通信、數據查詢以及報表打印功能。

3.2 系統設計

3.2.1 系統整體結構設計

整個系統設計采用模塊化結構，主要分為三大部分：監控中心，集中控制器，終端控制器。

每一個單燈控制器，成為系統的一個監控終端；多盞路燈的數據控制信息匯聚到一個集中控制器上，并通過集中控制器上傳到監控中心。集中控制器以及每個控制終端都可以通過組網具有優勢的Zigbee網絡進行數據傳輸。在集中控制器中，有且只有一個擔任主協調器，負責收發其他集中控制的數據信息。主協調器與監控中心主機通過網口或串口進行有線連接。監控中心可以通過任何可以上網的設備，通過瀏覽器查看連接到監控中心的軟件界面來實現路燈點對點實時監控。

3.2.2 系統各模塊設計

⑴終端控制器設計。每一個終端控制器，都集成了多種監控功能，主要負責路燈的多個參數同時監測和處理，同樣采用模塊化結構[3]，包括電源模塊、電能采集模塊、時鐘模塊、存儲模塊、延時斷電模塊、報警模塊、無線通信模塊和控制和反饋單元。

電源模塊：將220V交流電經過整流之后給主控模塊和無線通信模塊提供兩者正常運行所需要的直流穩壓電源。

電能采集模塊主要負責采集路燈的電流電壓等數據，通過內嵌精密的數據處理算法，計算出電能及功率因數，為工作人員對路燈的耗電等情況提供數據依據。

無線通信模塊采用Zigbee通信技術，成本和功耗低，無需布線，可以在不改變原有路燈控制系統布線的基礎上進行方便安裝，便于調整，并且能夠實現終端控制器之間自動組網進行通信，當網絡中出現某個終端控制器損壞時，控制器能夠快速識別距離自己最近的通信節點，并將數據自動傳送出去，保證了系統運行的穩定性。

存儲模塊：采用E?PROM存儲，用于存儲各路路燈的地址。

延時斷電模塊：為了防止在系統突然斷電的情況下數據丟失的情況，在控制器中設計有超級電容，用于對控制器的斷電起到延時作用，方便控制器及時對采集的數據進行存儲。

時鐘模塊：系統采用高精度、低功耗、高性能的時鐘芯片，從而為整個系統提供準確的時間。

報警模塊：采用蜂鳴器，主要用于在路燈出現異常狀態時進行報警，以實現快速發現并解決問題的目的。

控制器的控制和反饋單元采用可控硅，實現對路燈的開關控制，為了避免控制器受強電流等的影響而損害，系統在核心控制芯片和可控硅之間采用光耦隔離，從而實現保護核心控制器的作用。

系統主要組成結構如下圖所示：

⑵集中控制器設計。系統的集中控制器主要采用Zigbee無線通信方式進行數據通信，其中包括兩個部分，一部分是和終端控制器經串口連接的Zigbee子節點，另一部分是和監控中心的服務器相連的Zigbee模塊，擔當系統的主協調器。

Zigbee的從節點都設計成帶有PA（PowerApmlifier功率放大器）的功能，從而使傳輸距離達到300米左右，增大數據傳輸距離，結合Zigbee的數據發送頻率以及傳輸距離的技術問題，一般200-300左右盞燈通過安裝一個集中控制器的Zigbee從節點進行統一控制。且每個控制器均設有一個唯一的識別地址，方便系統的通信和定位。

擔任協調器的Zigbee模塊與監控中心的服務器主機通過串口相連接，每個系統有且只有一個協調器。同樣設計成帶有有PA（PowerApmlifier功率放大器）的功能，從而增大數據傳輸距離。其主要負責數據的通信功能，是整個系統的通信樞紐，主要功能為：接收服務器下發控制命令，上報服務器所要查詢的數據；可實現本地或者遠程的查詢與配置；同時可實現策略的查詢、修改。

⑶監控中心設計。監控中心安裝和配置卓朗公司自主研發的智能路燈控制系統軟件，軟件設計是在Windows操作系統的基礎上，結合SQL server數據庫，采用B/S架構進行開發，具有可視化、便于操作和掌握的人性化監控界面。每個監控中心都有唯一設定的地址編號，各個地址編號的路燈的電壓、電流、電能、功率因數、位置信息等數據都可以實時顯示在監控中心的大屏幕上，一旦某盞路燈出現損壞等情況時，將會在界面上發生聲光報警，方便工作人員及時查詢。

4 系統使用及效果

系統具有低功耗、低成本、斷電延時、高穩定性、易擴展等特點，其應用Zigbee自組網和網絡容量大的特點，可以應用在多種場合和環境，包括：需要監控的網點多，需要較大的網絡覆蓋的情況；低成本、低功耗的要求的情況；地形復雜，不便于布線的環境；無線傳輸的安全性及可靠性要求高的情況。

[參考文獻]

[1]中國建筑科學研究院.《城市道路照明設計標準》.

[2]瞿雷《ZigBee技術及應用》北航出版社.

[3]薩梅克（美國），譯者：敬萬鈞，陳麗蓉.《嵌入式系統的微模塊化程序設計：實用狀態圖C/C++實現》.北京航空航天大學出版社.