LED路燈智能控制系統(tǒng)研究

劉國昌

摘要：城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，人們對能源的需求量也越來越大。照明是現(xiàn)代城市的耗能大戶之一，各國政府都開始積極尋求節(jié)能環(huán)保的綠色照明光源，綠色照明計劃正在從一盞路燈開始，成為走向低碳經(jīng)濟的必經(jīng)之路。LED具有體積小、耗能低、壽命長、環(huán)保、低電壓驅(qū)動、反應(yīng)快、無噪音、無頻閃、電壓可調(diào)等優(yōu)點。因此，近年來LED燈越來越多地被城市道路照明所采用。LED路燈在降低燈具的能源消耗和節(jié)能減排上發(fā)揮了重要的作用，然而現(xiàn)有的路燈控制技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)在LED照明發(fā)展中的瓶頸。因此，設(shè)計出LED路燈智能控制系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實意義和實用價值。本文就LED路燈智能控制系統(tǒng)展開探討。

關(guān)鍵詞：路燈；LED；智能控制

引言

路燈智能控制系統(tǒng)。就是結(jié)合通信技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、計算機技術(shù)，對快速發(fā)展的道路照明系統(tǒng)實現(xiàn)自動化和智能化監(jiān)控管理，從而達(dá)到預(yù)防事故的發(fā)生，提高照明質(zhì)量及維護(hù)、檢修效率；保證道路亮燈率和設(shè)備完好率、節(jié)約能源、減輕勞動強度，避免相關(guān)事故的發(fā)生。

1LED路燈智能控制系統(tǒng)的優(yōu)越性

（1）實現(xiàn)實時監(jiān)測功能。雖然傳統(tǒng)的路燈系統(tǒng)操作簡便，但其控制系統(tǒng)較為單一，其功能較少且無法實現(xiàn)對路燈系統(tǒng)的實時監(jiān)測，容易造成大量的人力及物力浪費，采用智能化控制系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)對LED路燈系統(tǒng)的實時監(jiān)測，工作人員還能通過無線傳輸技術(shù)在管理后臺掌握路燈的工作參數(shù)，如工作電壓和電流、工作溫度、LED亮度等，工作人員可以減少現(xiàn)場巡查次數(shù)，只需對數(shù)據(jù)分析即可判斷哪部燈具、哪個位置的路燈出現(xiàn)了壞損，智能控制系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測功能，還能進(jìn)一步提升LED路燈的使用效率。（2）采用占用空間小的傳感技術(shù)。傳統(tǒng)的路燈系統(tǒng)需要較長的供電線路網(wǎng)，這種形式主要分布于城市交通干線以及老式小區(qū)住宅中，這種傳統(tǒng)的供電方式容易造成線路損耗過大，降低了整個路燈系統(tǒng)的工作效率；同時，傳統(tǒng)的城市路燈系統(tǒng)工作在220V電壓下，容易發(fā)生三相不平衡的問題，嚴(yán)重時會發(fā)生零點位移現(xiàn)象，不利于路燈系統(tǒng)的日常運轉(zhuǎn)，更增加了路燈總體能耗。而采用LED路燈智能控制系統(tǒng)可解決上述問題，智能化控制系統(tǒng)采用無線傳輸技術(shù)，優(yōu)化現(xiàn)有線路布局方式，將固定化的、單一化的線路布局變?yōu)殚_放化、靈活化的布置方式，只需要極小的環(huán)境空間就能實現(xiàn)基本控制功能，能夠為路燈系統(tǒng)的其他建設(shè)節(jié)約空間。（3）創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益。智能化LED路燈控制系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅給社會民眾的日常生活帶來無限便捷，還能為各個城市創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益，在城市中不斷推廣LED智能化路燈控制系統(tǒng)，不僅能實現(xiàn)城市道路及小區(qū)照明系統(tǒng)的全自動化，還能達(dá)到節(jié)能減排的效果我認(rèn)為，隨著無線傳輸技術(shù)與智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，城市的LED智能控制系統(tǒng)將會得到進(jìn)一步升級，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對城市電力資源的有效整合，還能降低城市路燈系統(tǒng)的總體能耗，對延長路燈系統(tǒng)的壽命，降低后期維護(hù)成本都有著積極意義。

2基于智慧城市建設(shè)的LED路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1路燈智能控制系統(tǒng)方案

在每盞燈具電路前段安裝單燈控制器，在路燈供電設(shè)施（配電箱、變壓器）處安裝集中控制器，依托電力載波技術(shù)，主動輪巡燈具、燈桿、電纜運行狀態(tài)，并將燈具開關(guān)狀態(tài)、電壓、電流、燈桿傾斜度、電纜漏電電流等參數(shù)傳回集中控制器，集中控制器通過運營商2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)，以無線通信方式將數(shù)據(jù)傳回云計算中心進(jìn)行保存、清洗治理。

2.2系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在現(xiàn)代化城市路燈建設(shè)中，路燈桿距為30-45米，若一條馬路的總長為3km，道路兩旁的路燈數(shù)量共計200盞，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)如此長距離的路燈控制，只能加大后臺管理硬件的數(shù)量，進(jìn)而增加建設(shè)成本。而在單燈控制系統(tǒng)中采用LoRa無線傳輸技術(shù)，通過GPRS公共網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞至后臺管理中心，并在組網(wǎng)中設(shè)置匯聚節(jié)點、中繼節(jié)點以及開關(guān)節(jié)點，以此實現(xiàn)對整條馬路的路燈控制，能夠建立動態(tài)、可控的智能化路燈管理系統(tǒng)。在該組網(wǎng)中，路燈工作參數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)會傳遞到匯聚節(jié)點上，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)被傳遞至后臺管理中心，組網(wǎng)中的中繼節(jié)點和匯聚節(jié)點基于LoRa無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)信息互聯(lián)。

2.3路燈控制模塊

路燈控制單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示。路燈控制模塊主要由繼電器單元、光耦隔離單元和受控LED路燈組成。光電耦合器件可以將微控制器與外部電路隔離開。CC2530的路燈控制信號CRTL與光隔相連接，光隔的輸出信息向繼電器發(fā)送命令，進(jìn)而實現(xiàn)控制路燈的開啟和關(guān)閉。

2.4系統(tǒng)硬件設(shè)計

開關(guān)節(jié)點布設(shè)在路燈里，通過RS485與中繼節(jié)點相連，本系統(tǒng)的開關(guān)節(jié)點采用MSP430系列微型控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)成本低、能耗低且結(jié)構(gòu)簡單適用于智慧城市路燈系統(tǒng)，開關(guān)節(jié)點中的光敏電阻采用557系列，該電阻受到光照影響改變阻值，進(jìn)而實現(xiàn)對LED燈亮度調(diào)節(jié)功能。中繼點與開關(guān)節(jié)點的硬件連接基于Modus通信法則，同時單燈的控制采用LoRa無線信息傳輸技術(shù)實現(xiàn)長距離信息傳輸。該硬件系統(tǒng)的核心構(gòu)件采用MSP430F247控制器，且內(nèi)嵌32K存儲卡能夠輕松滿足路燈存儲的要求。匯聚節(jié)點的核心構(gòu)件配備64k的存儲器并與GPRS模塊相連，與后臺管理中心采用RS232形式連接，該節(jié)點的主要功能是接收后臺管理中心指令，并通過LoRa無線傳輸技術(shù)將指令傳遞至中繼節(jié)點，再由中繼節(jié)點將指令傳遞至開關(guān)節(jié)點，最終形成一套完整的控制系統(tǒng)。

2.5軟件設(shè)計

LED路燈智能控制系統(tǒng)的軟件部分基于模塊化設(shè)計思想設(shè)計，大體上分為基于ZigBee的控制設(shè)備的軟件和上位機監(jiān)控軟件兩個部分。ZigBee節(jié)點主要包括協(xié)調(diào)器和路由，其中，ZigBee路由節(jié)點主要控制路燈終端的現(xiàn)場設(shè)備，協(xié)調(diào)器節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點，通過串口與上位機進(jìn)行通信。LED路燈智能控制系統(tǒng)中，主要有兩種類型的ZigBee設(shè)備分別是協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點主要涉及的主要任務(wù)有：（1）對協(xié)議棧進(jìn)行初始化，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；（2）構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)；（3）維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其他?jié)點加入和離開網(wǎng)絡(luò)時，分配網(wǎng)絡(luò)地址；（4）定期對ZigBee監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行監(jiān)測；（5）監(jiān)控中心通過對無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行判斷，根據(jù)路燈狀態(tài)數(shù)學(xué)做相應(yīng)處理。LED路燈智能控制終端采用路由節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和無線傳輸，具體任務(wù)主要包括：（1）搜索并加入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)；（2）采集傳感器傳回的數(shù)據(jù)；（3）通過與相鄰節(jié)點進(jìn)行通信，實現(xiàn)路燈的提前點亮；（4）定期把路燈的工作狀態(tài)發(fā)送給協(xié)調(diào)器；（5）接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的狀態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)狀態(tài)數(shù)據(jù)做相應(yīng)的處理。

結(jié)語

綜上所述，我國智慧城市LED路燈控系統(tǒng)的總體發(fā)展方向是標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，路燈控制系統(tǒng)以“節(jié)能減排”為長遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)，確保城市路燈控制系統(tǒng)更加高效、便捷。采用LoRa單燈控制無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對傳輸數(shù)據(jù)的加密處理，保證信息傳輸環(huán)節(jié)的安全性和完整性；結(jié)合系統(tǒng)測試結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，采用該種通信協(xié)議再也不用擔(dān)心通信距離，同時整套控制系統(tǒng)的運行能耗低、建設(shè)成本低且抗干擾能力強，能夠滿足我國智慧城市現(xiàn)代化LED路燈系統(tǒng)的各種設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：大慶油田礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部園林綠化公司）