具有壽命預測的LED路燈監控系統設計

陳侃松，楊 威，張 丹，蘭智高，馮 杰

(1.湖北大學 計算機與信息工程學院物聯網工程研究所，湖北 武漢 430062；2.黃岡師范學院 電子信息學院，湖北 黃岡 438000)

具有壽命預測的LED路燈監控系統設計

陳侃松1,2，楊 威1，張 丹1，蘭智高2，馮 杰2

(1.湖北大學 計算機與信息工程學院物聯網工程研究所，湖北 武漢 430062；2.黃岡師范學院 電子信息學院，湖北 黃岡 438000)

針對目前城市路燈的用電總量大、燈具壽命短且無法提前預知等缺點，設計了一種基于ZigBee網絡具有壽命預測功能的LED路燈監控系統；該系統由ZigBee通信模塊、LED驅動電路及數據采集模塊構成，可實現對照明設備的集中遠程管理，提高道路照明質量；而且該系統設計的路燈控制器具有自適應調節功能，在不同環境亮度下自動調光以達到節能目的;該系統還可對LED燈的各項關鍵參數進行在線監測，判斷路燈控制器工作狀態，實時監測LED燈珠老化程度;通過對光通量維持率和時間的關系進行擬合得到特征公式，并采用阿侖尼烏斯老化模型來建立LED燈珠多結溫下的壽命預測模型，實現對LED燈珠壽命預測并提前預警。

LED路燈；ZigBee；遠程監控；壽命預測

0 引言

隨著城市建設的快速發展，道路照明設施的不斷完善，路燈數量大量增加使城市用電量迅速增長，并且有些燈源的應用會產生大量的污染氣體，所以實施綠色照明、加快節能改造的需求就越迫切[1]。路燈照明是城市公共用電的重要部分之一，國內很多城市目前仍然采用的是配電箱分散管理，人工巡視的檢測與維護方式，從而效率很低、成本較高。目前，高壓鈉燈由于價格低、壽命長等優點仍然是道路照明主流光源，但是鈉燈的顯色和配光性能較差，光效低，實際消耗功率高，不利于照明節能[2]。非LED燈種(白熾燈/鹵素燈/節能燈等)都是將電能轉換為熱能之后激發成光能，浪費了大部分能源，而LED燈則是將電能直接轉換成光能，從而減少能源的浪費，并且LED燈功率相對較小，流明相對較大，壽命極長[3]。在路燈光照強度的控制上，LED相對簡單方便，所以LED燈有望取代現有路燈，根據LED燈的驅動特性，設計一種基于ZigBee的無線智能路燈控制系統符合智慧城市的發展需要。

1 系統總體設計

本系統利用ZigBee網絡的無線自組網等功能，對傳統路燈控制系統[4]進行完善，設計了一種基于ZigBee的LED路燈監控系統。其控制系統不僅能集中或分組控制LED的開關及亮度，而且各組內部可根據環境的不同而改變組內LED的亮度；其監測系統不僅能監測LED的光照度而且可以監測LED工作時的電壓電流，然后上傳到協調器，最后存入云端，作為以后數據分析和各種預測曲線校正的依據。

為了讓LED燈及其燈具的壽命能最大限度地延長[5]，減小LED結溫對燈使用壽命的影響，本設計加入了單燈的自控功能，如果燈具內的溫度高于正常溫度范圍，則減小LED亮度或直接關閉，直到燈具內部溫度達到正常水平。

作為節約電能的手段，在一些偏遠地段，本設計采用讀取汽車電子標簽的方法來檢測是否有車輛通過該區域路段，從而來控制該區域路段的LED路燈的亮度，做到“車來燈亮，車走燈暗”的效果。本設計系統如圖1，系統布局如圖2。

圖1 系統結構框圖

圖2 系統布局

1.1 路燈控制器設計

路燈控制器是由加載了ZigBee協議棧的CC2530主控芯片、LED驅動電路及相關傳感器電路組成的，其作為一個ZigBee網絡的路由設備而加入ZigBee網絡，如圖3。

圖3 路燈控制器結構設計框圖

其功能包括兩個方面：一方面接收ZigBee網絡的控制數據，根據控制命令而輸出一路PWM波作為LED驅動模塊的輸入；另一方面采集LED工作時的一些電氣數據及LED光強照度、溫度等，然后經過ZigBee網絡上傳至多模網關。

LED燈是電流驅動型的，本設計設計了一種數控恒流驅動電路，可根據外加輸入的PWM波形占空比的大小線性改變驅動電流大小。LED驅動模塊如圖4所示。

圖4 LED驅動模塊框架圖

1.2 特別監控節點設計

特別監控節點是以ZigBee終端設備而加入網絡的，其根據功能不同分為兩種：一種是是監測路面上的光照強度，然后根據多個節點采集的光照強度進行數據綜合處理后，控制該節點所在組內的LED路燈的亮度；另一種是讀取汽車的電子標簽，每組LED路燈放置一對這種功能的特別監控節點，用來監測它們中間的電子標簽的數量，然后根據數量大于零的與否來控制該組內LED路燈的亮滅或明亮程度，以此節能。設計框圖如圖5。

圖5 特別監控節點設計框圖

1.3 多模網關設計

多模網關是由ZigBee協調器和ARM板組成的，兩者功能相互獨立，通信方式為串口通信。ZigBee協調器負責ZigBee網絡的建立與維護，負責與ZigBee網絡中的路由或終端節點通信，并且將所有接收的數據經過串口全部傳送到ARM模塊，同時也通過串口將ARM模塊傳送的命令數據送到ZigBee網內。ARM模塊接收并處理ZigBee網內數據，并將處理好的數據上傳到云端，以建立LED路燈的大數據庫，便于以后數據分析和各種預測曲線的校正。網關硬件設計如圖6所示。

圖6 網關硬件設計框圖

2 軟件設計

2.1 路燈控制器軟件設計

路燈控制器作為ZigBee路由設備啟動后加入ZigBee網絡，輸出默認占空比的PWM波，初始化各個傳感器，然后輪循實行以下任務：1)等候調光命令并執行；2)檢測燈具內溫度值并上傳，若溫度高于預設最高溫度，則關閉或減小LED燈的亮度并且將此情況報告給網關；3)采集LED工作時的光照強度、電壓、電流及功率打包上傳，此任務為定時任務；4)同任務三的采集，但只在LED工作在額定電流時采集數據，這類數據用于分析LED燈剩余壽命及校正LED燈壽命預測曲線。功能流程如圖7所示。

圖7 路燈控制器軟件流程圖

2.2 特別監控節點軟件設計

特別監控節點作為ZigBee終端節點啟動后加入ZigBee網絡，初始化電子標簽閱讀器，然后輪循實行以下任務：任務一，采集光照度并與默認光照度(區間為[L_MIN，L_MAX])比較，若大于L_MAX則此節點向同組路燈控制器發送調暗LED命令，若小于L_MIN則發送調亮LED命令，直到采集值在范圍之內；任務二，電子標簽閱讀器檢測路上車輛，每個區域配合兩個閱讀器來記錄該路段車輛數，然后實施控制。軟件流程如圖8所示。

圖8 特別監控節點軟件流程圖

2.3 多模網關軟件設計

網關的協調器建立并維護ZigBee網絡，監聽串口，作為ZigBee網絡與ARM板通信的橋梁。協調器的流程如圖9所示 。

網關的ARM部分則加載了Linux操作系統，并搭建了嵌入式BOA服務器以用于遠程訪問，同時也建立了mysqlite3數據庫，用于存儲各種數據。并實時將數據傳送到上位機和云端，作為路燈大數據的積累數據。軟件流程如圖10 。

圖9 ZigBee協調器

3 系統測試及壽命預測

3.1 系統實現功能

整個系統運行后，數據采集模塊在LED燈穩定時進行數據采集并傳輸，主要采集LED燈兩端電壓，通過的電流及LED的光照強度，然后反饋給上位機進行LED壽命的預測。所需要的數據主要通過傳感器取得，只有LED結溫需要推算，本系統應用測量相對簡單且準確的正向壓降法[6]，該方法主要是測量出在額定電流下LED初始的兩端電壓、LED工作穩定后的兩端電壓及環境溫度，然后代入公式計算結果。

3.2 壽命預測模型的建立

現在越來越多LED制造企業開始采用L70(流明維持率達到70%所耗費的時間)標準作為LED壽命截止時間[7]。

依據LED燈芯元件供應商對其LED產品進行了3個溫度(55℃/85℃/105℃)持續6000小時的測量實驗，每隔1000小時取得測試LED的光照度數據，根據該光照度數據與LED平均初始照度，歸一化處理后得到測試LED燈的光衰。測試分別在3個恒定溫度的環境中進行，每個環境中一共是25個LED燈，每5個為一組。

實驗采用的是電流為150 mA驅動的正向電壓降為6 V規格的LED。所有測試數據按照每組數據采集時間點上的數據平均值重新組成特征如表1所示。

表1 55℃測試數據

表2 85℃測試數據

表3 105℃測試數據

3.2.1 最小二乘法指數擬合方法

對各數據采集時間點的數據的平均值Ave數據按照指數最小二乘法進行曲線擬合，從而得到LED光通量比例隨時間的指數關系函數φ(t)=Be-at，φ(t)為歸一化的光通量維持率，t為持續測試的時間，B為最小二乘法曲線擬合派生出的初始化常數，a為最小二乘法曲線擬合派生出的衰退系數。

根據φ(t)=Be-at函數關系，左右同時取e為底的對數可得到該函數的反函數為:

(1)

當LED流明維持率為70%時的使用時間定義為L70，用此值來表示預測的壽命值[8]，根據公式(1)且代入φ(t)=0.7可知，該測試規格的LED燈在三種環境下的壽命如表4所示。

表4 三種結溫的LED壽命預測表

3.2.2 指數擬合雙項改進

LED燈在工作后的一段時間內光通量會開始變大，逐漸達到最高亮度后才開始出現衰減情況[9]，在最小二乘法指數擬合方法中，未能準確地表達LED燈前期的光通量變化，本系統不僅要預測LED的壽命而且要能夠準確預測出在t時刻光通量的大小，在最小二乘法指數擬合的基礎上，添加一組校正指數，將函數改為φ(t)=Ae-at+Be-bt，根據Matlab的擬合結果，得出三個環境下的參數如表2所示。

令φ(t)=0.7，代入函數參數利用Matlab可解得t的值，即為L70，得到的值如表5。

表5 改進方案的函數參數及壽命預測

3.2.3 擬合方式對比分析

根據確定系數R-square可知，雙項指數擬合比單項指數擬合更接近測試數據，兩種擬合曲線如圖11～13，分別表示55℃/85℃/105℃時的單項與雙項指數擬合情況圖。圖中的散點分別是表1～3的6組平均數據，根據Ave的數據進行曲線擬合。

圖11 55℃擬合情況對比圖

圖12 85℃擬合情況對比圖

圖13 105℃擬合情況對比圖

由于數據是從1000～6000每1000才測量一次數據，一組數據只有6個值，且結合壽命預測結果，可知雙項擬合在壽命預測時發生錯誤(結溫越高壽命應該越短)。所以雙項指數擬合不適用于預測壽命，但結合大量實測數據及曲線擬合對比圖可知，在LED工作的前6000個小時內雙向擬合更能反映歸一化的光通量維持率φ(t)的變化情況。

3.3 壽命實時預測

LED的壽命取決于多個變量，主要有運行溫度、驅動電流、散熱情況好壞等[10]，本系統分別采用測量電氣參數的芯片及測量電路、溫度采集電路來取得這些環境數據，使用光通量傳感器直接采集光照度。在LED工作時，不一定會在55℃/85℃/105℃這三個標準溫度，所以不能夠直接應用擬合曲線來預測壽命。

設采集到的LED結溫為T，且T1(55℃)

公式(2)是表示光通量隨時間的函數，P0為初始光通量，P為當前光通量，β為某一溫度下的衰退系數。此公式可由最小二乘法指數擬合公式φ(t)=Be-at變換后得到，兩者的關系是φ(t)=P/P0，B為校正系數故B接近于1，所以可知衰退系數β=a，即在一定溫度下，β為一個已知值。

公式(3)中，β為衰減系數，β0為衰減常數，If為驅動電流，Ea為材料激活能，K為波爾茲曼常數，T為實際結溫。

設T1、T2、T對應的衰減系數分別為β1、β2、β，所以有:

(4)

根據式(3)可知，代入T1時的值，算得:

綜上所述，得到T溫度下的衰減系數為:

(5)

為了減小誤差，將溫度T進行階梯式分組[55，85],[85，105]或更多組(需要數據支持)作為推測壽命的方案。

3.4 LED路燈大數據的建立

本系統會將所有采集的LED燈電氣參數、運行狀態、LED實際工作時間和設備更換的具體記錄，建立LED路燈大數據庫，并將這些海量數據存至云端組成專用數據庫，并利用專用軟件及算法對這些大數據進行分析處理，不斷來校正壽命預測曲線，這樣不僅可預測LED燈珠的使用壽命，而且還能通過電壓電流及老化更換時間等數據來建立LED控制板及LED驅動板的老化函數，從而可以預測這些設備的老化情況，提前預防加以更換而避免事故的發生。

4 總結

為建立LED壽命預測機制，本文通過對兩種擬合方案的分析，發現最小二乘法單項指數擬合函數更能反映出在6000 h后LED壽命隨時間的變化規律，而雙項指數擬合函數雖然在前6000 h內擬合優度更好，但是考慮到數據間隔過大及數據不足的影響，曲線在6000 h后的適應度就會降低。綜合兩者的優缺點，本系統最終選擇最小二乘法單項指數擬合函數作為LED壽命預測函數，并選擇雙項指數擬合函數作為前6000 h的光通量維持率的變化情況函數。

本系統不僅解決了遠程及自動控制和在線監測的問題，還建立了LED壽命預測機制及擬建立LED驅動器和LED控制器的老化情況預測機制，這樣既實現智能監測及控制又能節省維修人員的時間和精力。同時，本系統在LED運行過程中將采集的大量數據建立成強大的專用數據庫，這將對LED產品的大量應用與推廣具有及其重要的意義。

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Design of LED Street Light Monitoring System with Life Prediction

Chen Kansong1,2,Yang Wei1, Zhang Dan1, Lan Zhigao2, Feng Jie2

(1.Institute of Internet of Things, School of Computer Science and Information Engineering, Hubei University,Wuhan 430062, China; 2.School of Electronic Information, Huanggang Normal University, Huanggang 438000, China)

Aiming at the shortcomings such as the large amount of electricity and the short life span of the street lamp, a LED streetlight monitoring system with life prediction function based on ZigBee network is designed. The system consists of ZigBee communication module, LED drive circuit and data acquisition module and it can achieve the centralized remote management of lighting equipment to improve the quality of road lighting. The street lamp controller designed by this system has adaptive adjustment function, automatically adjusts the light in different environment brightness to achieve the energy saving purpose. The system can also be on-line monitoring of the key parameters of the LED lights to determine the working status of the street light controller, and real-time monitoring of LED lamp beads aging. The relationship between luminous flux maintenance rate and time was fitted to obtain the characteristic formula. The life prediction model of LED lamp bead in multi-junction temperature was established by using Arrhenius aging model, and the life prediction of LED lamp beads was predicted and early warning was realized.

LED；ZigBee；Remote monitoring；Life prediction

2016-12-02；

2016-12-19。

國家科技支撐計劃項目(2015BAK03B02)。

陳侃松(1972-)，男，湖北荊州人，教授，博士生導師，主要從事無線傳感網絡及應用方向的研究。

蘭智高(1968-)，男，湖北黃岡人，教授，主要從事信息科學與技術方向的研究。

張 丹(1976-)，男，湖北武漢人，講師，主要從事無線傳感網絡及應用方向的研究。

1671-4598(2017)01-0102-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.028

TM923

A