不間斷供電的LED路燈智能控制與管理系統

曹永健，董建宇，楊雨龍，陳程章

(1.四川火石光電有限公司，四川 成都 610054；2.長春市路燈管理處，吉林 長春 130000；3.吉林油田設計院電氣室，吉林 松原 131200；4.吉林省照明學會，吉林 長春 130000)

引言

傳統的路燈控制方式主要包括“三遙”、“四遙”、“五遙”等[1]，但是它們無法控制單燈，不能遠程快速診斷故障，從而影響了路燈維修效率和城市路燈亮燈率。隨著通信技術尤其是物聯網技術的發展，照明管理開始向智能化、智慧化的方向發展[2-6]。目前較為先進的路燈智能控制通信方式有 PLC(電力線通信)、ZigBee/SigFox/LoRa、2G(GPRS)和NB-IoT。2G(GPRS)通信比較穩定，但已在退網中，不再成為路燈的主要的通信方式。PLC、ZigBee/SigFox/LoRa在高效、安全、可靠和開放方面均存在不足。NB-IoT只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，秉承2G的所有優點，并在技術標準上可向5G平滑演進。NB-IoT在高效、可靠、安全和開放方面占有優勢，是智能路燈“互聯”的極佳方案。NB-IoT路燈智能控制系統自組網，不需要集中控制器、服務器等，即使某個單燈控制器通信模塊出現故障也不影響其他單燈控制器的通信，不影響整體的路燈智能控制與智能管理。NB-IoT物聯網是目前路燈智能控制與管理系統的最佳通信方案。

1 智能控制與管理系統的主要功能

1)智能調光控制功能。為了路燈的節能，《城市道路照明設計標準》(CJJ 45—2015)規定[7]：采用雙光源燈具照明的道路，可通過深夜關閉一只光源的辦法降低路面照明水平。中小城市中的道路可采用關閉不超過半數燈具的方法來降低路面照明水平。關閉部分燈具將導致道路照明出現黑斑現象，均勻度極大地降低，從而影響交通安全。通過智能化控制與管理使每盞燈都亮，但是調低燈具功率來避免黑斑現象，從而實現智能化節能。智能控制與管理系統對外輸出的調光信號為幅值10 V的PWM波，并且正向調光，控制器通過控制驅動電源0～10 V(0～5 V)調光對LED路燈進行調光，即當脈寬為0%時，對應最低亮度或關燈(能否關燈取決于電源是否支持)，脈寬為100%時，對應最大亮度。在實際的應用中，用戶可以定時地設置LED光源的調光范圍，也可以實時設置LED光源的調光范圍，從而實現更加人性化的節能。

2)故障定位和診斷功能。路燈管理部門以往在管理路燈時，需要通過人查、車查等方式，必須到達現場才能了解具體的故障點，必須在現場應用工具和高空車輛才能診斷出故障原因；維修后，有時需要多次前往現場了解故障維修的具體情況。智能控制與管理系統可以讓路燈的管理更加科學和智能化，可以遠程(手機、電腦)了解故障定位，并能夠對供電電纜、驅動電源、光源等部分的損壞或故障進行診斷，從而實現快速維修，確保路燈亮燈率。

3)其他功能。隨著路燈管理的智能化的應用，路燈智能化控制與智能化管理系統可以拓展很多功能，如空氣質量檢測、監控、公共信息發布、流量檢測、資產管理等。

以上功能中，智能調光是大部分智能控制系統均能實現的，因為它主要是單向通信，即控制中心發送調光指令給單燈控制器或者集中控制器實現調光，無需單燈控制器或者集中控制器回傳調光信號給控制中心。但是很多功能，尤其是故障診斷功能則需要單燈控制器把故障信號傳輸給控制中心，是雙向通信，即互聯互通。

2 不間斷供電的智能控制與管理系統

若采用PLC、ZigBee/SigFox/LoRa、2G(GPRS)通信方式的智能控制系統，集中控制器或者單燈控制器需要有外部供電的情況下方可工作，外部電源為市電電纜或者驅動電源。如此它們便無法真正地進行故障診斷，如市電無法供電或者驅動電源無法供電，單燈控制器或者集中控制器就將無法工作，這時只能做故障定位，而無法實現故障診斷。因此，供電方式某種程度上決定了控制系統是否能夠進行故障診斷。不間斷供電的智能控制與管理系統可以在市電或者驅動電源無法供電的情況下，正常進行故障診斷和信號傳輸。

1)技術背景和方案。不間斷供電系統由四個模塊組成，框架如圖1所示。不間斷供電技術即不間斷電源，一般是指當市電斷開后，為所需供電的系統繼續供電的裝置。不間斷供電的路燈單燈控制器，比一般的單燈控制器增加了蓄電模塊以及對應的控制模塊。對于蓄電模塊，其輸入端與取電電路的第三輸出端電性連接，其輸出端與路燈控制系統的第二輸入端電性連接，其充電與放電均由內部的控制模塊實現。其控制方式為：當接入市電時，控制模塊控制取電電路對蓄電模塊進行充電，且控制蓄電模塊不輸出電能，這時由市電直接給單燈控制器供電；當市電沒有接入或發生故障時，控制模塊控制蓄電模塊對單燈控制器進行供電。蓄電模塊包括鋰電池。

圖1 不間斷供電框架圖Fig.1 Uninterrupted power supply frame diagram

2)取電電路。取電電路(圖2)由延時啟動電路、降壓穩壓電路和鋰電池充電電路組成，且延時啟動電路、降壓穩壓電路和鋰電池充電電路之間電性連接。延時啟動電路由依次電性連接的Q1、R13、R14、R15和C15組成，降壓穩壓電路包括U7，鋰電池充電電路包括U8。延時啟動電路判斷路燈電源模塊是否正常啟動，當路燈電源模塊正常輸出電壓后，通過三極管轉換，轉換為控制模塊的啟動信號。降壓穩壓電路用于將路燈電源模塊輸出端的電源穩壓為5 V電源，并為鋰電池充電電路供電，U7通過DC/DC芯片的5號腳控制U7是否啟動。鋰電池充電電路負責鋰電池充電控制和放電控制，通過控制模塊進行自動控制。市電包括220 V交流電。DC/DC芯片型號為TL2575。

圖2 取電電路原理圖Fig.2 Power circuit schematic

與現有技術相比，本文提出的控制系統的優點是：當路燈市電關閉后，為路燈監控系統提供持續的電源，以便路燈監控系統24 h不間斷地監控路燈狀態，為智能路燈監控系統提供技術支撐。

3)故障診斷技術方案。通過對供電時段、交流電壓、交流電流、直流電壓、直流電流的信息來診斷市電電纜故障、驅動電源故障、LED光源故障，從而實現路燈故障的三級診斷。故障診斷根據表1診斷，其中1代表有值，0代表無值(小于額定輸入)，×代表忽略。

表1 路燈故障的三級診斷表Table 1 Level 3 diagnostic table for street lamp failure

3 結束語

本文給出了基于NB-IoT物聯網通信方案的不間斷供電的LED路燈智能控制與管理系統，并給出了通過該系統進行路燈故障診斷的技術方案。綜合而言，我們提出的不間斷供電的LED路燈智能控制與智能管理系統具有如下優點：①采用NB-IoT物聯網通信方案，自建網，網絡穩定，單燈故障不影響其他燈具組網；②成本低，系統不需要集中控制器、服務器等，投入成本低；③不間斷供電，確保24 h供電，即使市電線纜沒有供電也能正常工作；④實現單燈遠程功率調節，實現更人性化的節能；⑤實現故障三級診斷，能夠診斷單燈不亮時的故障原因，如線纜故障、驅動電源故障、光源故障等。