采用物聯網和4G數據傳輸技術的單燈控制系統應用

文｜南京市路燈管理處 陳愛勇

1 前言

南京市路燈管理處于1999年率先在全國省會城市建設“南京市路燈監控系統”。系統經過十幾年的不斷擴容和升級，目前已建有路燈監控中心、1600多臺照明監控終端， 系統采用中國移動GPRS專網無線通信方式，實現了全市主城區及部分遠郊區范圍內路燈的集中控制管理。該系統對提高南京市路燈管理處的路燈管理水平起到了重要作用。

近些年為了進一步響應國家“節能減排、綠色照明”的號召，實現路燈管理部門的精細化管理，南京市路燈管理處牽頭調研、總體規劃設計新型單燈控制系統，搭建統一軟件平臺，在南京主要路段安裝技術先進、穩定可靠的單燈控制器，該單燈控制器主要采用物聯網和4G通信技術設計，實現任意一盞路燈的開關、模擬量檢測、開關量檢測、燈具故障、節能調光等功能。

2 國內單燈控制系統發展概況

國內單燈控制系統起步于2000年左右，當時全國大多數城市路燈監控系統通信方式仍在使用230MHZ或450MHZ電臺通信的方式，中國移動和中國聯通的無線分組技術（GPRS）才剛開始向一些行業進行推廣應用。很多路燈管理部門連最基本的路燈監控系統都沒有建設，更談不上建設單燈控制系統，而當時單燈控制技術受限通信技術和芯片技術限制，只能采用電力線載波有線方式進行通信，傳輸速度慢，且電力線載波受現場線路影響很大，傳輸效率很低，只在少部分城市得到應用，應用效果不佳。2006年以后隨著通信技術和芯片技術的迅猛發展，單燈控制系統逐步發展起來，并開始在一些大中城市推廣應用。目前單燈控制系統主要的設計思路都是在原有路燈監控系統基礎上，利用原有監控平臺和監控終端，擴展單燈控制功能，通信方式也基本采用有線和無線兩種方式。

3 單燈控制系統組成

南京市單燈控制系統框圖見圖3.1，由路燈監控中心軟件平臺、4G無線數據通信系統、分布在全市各路段的單燈控制器組成。

4 單燈控制系統組網方式

4.1 國內傳統組網方式

圖3.1 單燈控制系統組成框圖

國內單燈控制器目前基本上都是采用Zigbee、433MHZ、電力線載波這三種方式進行單燈控制系統組網，這三種組網思路基本一致，都是采用兩層網絡結構進行組網，第一層網絡結構是通過數據專網（GPRS/CDMA）將監控中心與配電柜處的照明監控終端進行無線連接，即可實現監控中心與監控終端的數據傳輸，達到第一層遠程監控的目的。第二層網絡結構是照明監控終端通過RS-485接口與單燈集中器連接，單燈集中器采用Zigbee、433MHZ、電力線載波三種方式中的任意一種采用無線小區組網方式與單燈控制器進行通信。

上述傳統組網方式是目前國內最常用的組網方式，在一定時期內甚至作為主流通信方式被很多路燈管理部門所采用。但傳統組網方式確有著無法避免的缺陷，首先傳統組網方式必須組建兩層網絡，在數據傳輸效率上不是很高，加之需要通過照明監控終端和集中器對數據進行中轉，發生數據擁塞和多設備多故障點的概率就會增加；其次Zigbee、433MHZ、電力線載波無論哪種通信方式都無法實現網絡無盲區全覆蓋。

4.2 本系統單燈組網方式

南京路燈處單燈控制系統摒棄了傳統單燈系統組網方式，采用目前傳輸速度最快、網絡覆蓋全、技術成熟可靠的4G網絡進行組網。

系統采用單層組網方式，監控中心直接通過4G無線網絡與道路上安裝的單燈控制器進行通信。4G網絡目前在南京已經全市無盲區覆蓋，解決了網絡盲點問題，且網絡傳輸速度快，根據今后需求可擴展視頻監控、經緯度定位等功能。該組網方式脫離了原有照明監控終端的局限，更加獨立，不僅作為獨立單燈控制系統運行，也可通過原有照明監控系統統一送電統一管理。

5 單燈控制器設計

5.1 硬件設計

單燈控制器硬件組成框圖

單燈控制器采用國際先進的物聯網技術，可以實時在線監控每個燈桿、每盞燈的運行狀態，采用4G公網通信方式與控制中心直連，組成智慧照明物聯網，達到城市道路照明的自動化控制、精細化管理和節能減排的目的。

單燈控制器由電源控制板、處理通信板、外殼、接線端子等組成。兩層電路板插拔式結構，下口具有標準的接線端子和狀態、故障指示燈，安裝維護方便，防護等級達到IP54。該產品集電量采集、開關控制、數據傳輸、調光節能和漏電監測為一體，安裝在每個路燈燈桿的接線盒內，完全能滿足南京市道路照明對單燈控制的需求。

本次設計嚴格按有關的國標規范進行，主要遵循的國標有：

CJJ45-2006 城市道路照明設計標準；

CJJ89-2012 城市道路照明工程施工及驗收規程；

GB/T 2421: 1999 電工電子產品環境試驗；

GB/T 2423電工電子產品環境試驗第2部分：試驗方法；

GB/T 4208: 2008外殼防護等級（IP 代碼）；

GB/T 13729-2002遠動終端設備；

CJJ/T 227-2014城市照明自動控制系統技術規范。

燈控制器的硬件組成框圖如上圖所示，具體的組成部分說明如下：

主芯片選用ARM芯片，運行速度快，功能強大，集成度高，可靠性高。

電源采用線性電源，確保惡劣使用環境下穩定可靠的供電。

采用大容量存儲芯片，用于存儲系統參數、網絡參數、報警信息、狀態記錄、日志記錄等信息。

內置時鐘芯片，確保掉電后時鐘準確保持，上電后單燈控制器可自主運行。

選用高可靠性的采樣芯片，保證檢測電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數的準確性和精度。

采用工業級4G通信模塊，適應燈桿內部自然環境條件，確保通信可靠穩定。

調光控制分為開關量輸出、PWM輸出和0～10V輸出，可控制高壓鈉燈的變功率鎮流器或LED路燈，實現調光節能。

5.2 嵌入式軟件設計

軟件設計兼容南京市路等管理處控制平臺，通信協議執行南京市路燈管理處的《主站與單燈控制器通訊協議》。通信規約開放城市照明自動控制系統信息交換標準，對設備地址、設備參數、運行狀態、控制信息應采用統一數據格式，滿足設備互換的要求。與控制中心的通信規約依據GB/T19582《基于Modbus協議的工業自動化網絡規范》執行。

單燈控制器的程序設計使用標準C語言編程，程序設計采用面向過程的設計思想，采用多任務實時操作系統，實現多任務并發執行，各個任務相互獨立，互不干擾，執行效率高，實時性能好，同時也有利于功能模塊的擴展。

6 單燈控制器技術參數及功能

6.1 單燈控制器技術參數

輸出回路：1～3路，常閉觸點，容量AC220V/5A；

電量監測：1～3路，電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數；

調光節能：1～3路繼電器干觸點或1～3路0～10V模擬量輸出；

漏電檢測: 同時具備燈桿漏電壓和線路漏電流檢測；

計量精度：有功1級，無功2級；

通信接口：RS-485接口；

工作電源：AC220V±20%；

環境溫度：-40～+70℃；

相對濕度：≤95%RH（+25℃）

大氣壓力：80kPa～106kPa；

防護等級：IP54；

外形尺寸：160×80×50mm（長×寬×高）。

6.2 單燈控制器主要功能

按照路燈控制中心的命令或按預設置的參數自主執行對路燈單燈運行數據的監控,對于有節能接口的燈具，可實現單燈節能；

執行路燈控制中心的查詢、控制和參數設置指令；

可對路燈運行數據（電壓、電流、有功、無功、功率因素、開關量等）進行采集；

燈具故障檢測并主動上報功能；

可對燈桿帶電和線路漏電進行檢測報警；

具有參數設置和掉電保護功能；

可根據設定的報警條件主動向上級系統進行報警；

具有運行和管理數據的存儲功能；

單燈控制器與路燈控制中心之間的通信方式采用移動4G公網通信方式，具備自動入網功能；

具備RS-485接口，可與擴展的外設連接，實現路燈電纜24小時被盜或水浸報警功能；

具有節能控制功能，能實現路燈的調光控制。支持高壓鈉燈和金鹵燈的開、關及變功率的節能控制，支持LED路燈的開、關及0～100%節能控制的0到10伏調光。

結束語

南京單燈控制系統建成后，在原有照明無線監控系統基礎上增加了單燈控制子系統，通過南京路燈監控中心軟件平臺可直觀的了解全市安裝單燈控制器路段的每盞路燈的開關燈情況，一旦路燈發生故障可直接定位到某盞路燈，使得路燈精細化管理成為現實，路燈維護效率大大提高，另外通過科學設置各路段的亮燈方案，采取隔燈亮，快車道慢車道分時段亮、單雙日輪換亮燈等方式不僅節約了大量電費還大大延長了燈具的使用壽命。因此該系統的建設獲得了很好的社會效益和經濟效益。