智能路灯控制系统设计与应用研究 - 工业/测控 - 电子工程

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随着中国城市和经济的迅速发展，城市照明交通安全和灯饰美化工程也越来越受到普遍关注，同时为了符合节约型、可持续性发展社会的标准，产生了对路灯、灯饰工程监管改革的需求。传统路灯的照明和管理存在浪费大，路灯使用寿命短，远程操控、巡查无法监控，人工作业量大，故障维修反应效率低，统计查询功能弱等现象。对于“全夜灯”照明造成的浪费和“半夜全灭或半灭灯”带来的交通安全问题，都是可以实现智能管理的。故如何通过智能控制系统对路灯进行科学和智能的监管，采用何种通讯网络技术和智能控制器，运用何种路灯控制模式都是值得关注和研究的。本文从智能控制型路灯实现的基本原理和优势着手，分析了它应具备的一般功能：遥控、遥测、遥信、遥监、遥视、自动反馈、自动报警、统计、查询和打印，同时通过通讯网络技术和控制模式阐明了智能路灯控制系统的设计和应用。

<strong>1. 智能控制型路灯实现基本理论和优势</strong>

智能控制型路灯是运用先进的通讯手段，计算机网络技术、自动控制技术、新型传感技术与自动检测技术等构成的无线监控系统，快速准确地对道路照明、城市灯饰工程、广场照明、桥梁和隧道照明等系统进行智能监控，实现对远程路灯和电源实施遥控、遥测、摇监、遥视、摇信等功能，便于了解路灯运行状况以及它的维修和保养，能提高路灯运行质量和效率，为能源节约和创造节约型社会打下基础。路灯智能控制系统一般由控制中心主站、各点测控分站、通讯系统三大部分组成。主站主要由电脑和网络构成，负责管理、控制整个系统的运行，其兼容性和容量大小可灵活配置；通讯一般采用无线或无线与有线相结合的方式，目前无线技术有GSM 短信息网、GPRS数传电台、CDPD公共无线数据网，或利用单片机实现路灯控制器的TCP／IP协议(实现自己数据的高速传输和实时控制)等技术；而各分站点通过安装单片机或新技术装备(如LONWORKS技术)构成其控制器，从而达到与主站通讯、接受命令、执行开关、控制电压、控制时间、反馈数据信息等功能。智能控制型路灯实现过程可以是多种多样，但无外乎都是：主站电脑控制中心+合适的通讯手段或方式+各分站集中智能控制器+路灯控制系统的模式，其一般实现原理如图1所示。随着科技和信息产业的发展，图中任一个环节实现起来都可以采用其他方式或方法，在此不赘述。


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针对传统路灯使用缺陷，采用智能控制型路灯的优势如下：

(1)节约电力资源和保护路灯。减少了“全夜灯”、“后夜灯”、电灯在后半夜的高电压状态下工作的情况，这样不仅节约了电能资源，而且还保护了电灯，延长了其使用寿命。

(2)可实施远程监控和管理。智能控制路灯系统的采用将可对全部路灯进行实时、全程全天候地监控和管理，集中控制、监视和检查，大大减少了后期人力、物力、财力的投入，同时提高了巡查设备和路灯时的工作效率。

(3)及时反应和采取恰当措施保证低故障率。由于能实时对分站设备和路灯进行远程遥控、遥测和摇视，同时它们也能自己通过报警系统将数据反馈给主站系统，这样能及时发现故障和问题，并联系工人点对点地进行维修，避免逐站逐点巡查和发现问题、反应缓慢的情况。

(4)智能化、信息化、数据化程度高。由于主站和分站大量采用电脑和网络技术，路灯的整体控制智能化、信息化程度相当高，且从分站收集、反馈给主站的数据量也较大，这为智能系统开发决策和优化、维修和维护提供了基础。

<strong>2 智能控制型路灯实现基本功能</strong>

2．1 远程遥控功能

采用智能控制系统的路灯开关、亮度调节、时间控制等方式都能实现远程遥控，达到时控模式、光控模式、压控模式、声控模式、旁路模式的目的。下载开关灯时间表到分站控制器，根据经纬度、季节、节假日及不同的天气情况进行的“时控”，可实现路灯全夜灯和半夜灯自动定时控制，管理人员可针对具体的情况对某一个或多个终端随时进行开关控制(分组、分区、全市开关等方式)；还可根据季节和天气的变化进行的“光控”和“压控”，通过分站集中控制器调节特殊天气和时段条件下的电压，从而实现路灯的光照强度的改变，达到“光控”的目的，这样不仅节约电能，而且也保护了路灯，延长了它们的使用寿命；还可根据路灯上的传感器感应公路上行车和行人的声音、速度，将这些信息反馈给分站控制中心，由分站智能控制器决定是否打开灯，以及打开灯的数量和光照强度。上述设计遥控模式，可根据具体情况酌情考虑选用。

2．2 遥测、遥信功能

通过分站集中控制器对区域内路灯数据(如实时电压、电流、接触器状态、有功功率、无功功率、功率因数、用电量等)的检测和采集，再由无线或有限通讯手段，将数据反馈给主站控制中心，进而分析各区域内每盏路灯的工作情况，了解它们的实际使用功率，开关次数、关照强度、亮灯率、节约电能资源等方面。

2．3 遥监、遥视功能

对于现场检测的数据和信息，通过网络传输给控制中心，可由控制中心的电脑LCD进行图文显示，如配上GIS和GPS的相关硬件和软件，则可对这些数据和信息，进行实时监视和管理，真正意义上体现出管理无人化、系统服务高效化、反应维护快速化的特点。

2．4 自动检测、反馈、报警功能

通过中心控制主站对分站集中控制器的命令，集中控制中心对区域内各路灯进行实时监控和巡查，如果发现异常情况，如在不该亮灯和熄灯的时候发生“时控”失灵故障、电流和电压超过高低限造成“光控”失灵、还有导致电灯无法正常工作的其他设备和控制器故障等，就将这些数据通过通讯手段反馈给中心控制主站，主站通过声音报警来引起注意，如有GIS地理信息系统，则能迅速显示出故障点区域信息，再由中心职务人员或电脑、网络自动联系相关维修人员，这样不仅大大提高检测、巡查工作的效率，减少了人员工作强度，而且提高了整个路灯系统的反应机制和处理突发事件的能力。

2．5 统计、查询和打印功能

智能控制系统中心能对采集反馈的实时数据和信息进行存储、统计和分类，以表格、曲线、直方图等显示出来，可根据年、月、日统计数据进行查询，同时可通过本文打印出来作分析和研究。还可配上相关管理软件，对实测数据和信息进行管理和分类，以便更加直观地了解整体路灯运行情况，如每月故障类别分类统计，某区域内路灯开关、持续工作时间、亮灯率情况，电源点电量统计，电源过负荷故障分析情况，“时控和光控”条件下的电量节约情况等。

2．6 其他功能

可根据需要，进行卫星校时、信息存储管理、终端设置管理等功能。

<strong>3 基于通讯网络的智能路灯控制系统设计与应用</strong>

无论是何种智能路灯控制系统，都需要进行远程监测和管理，这必然需要通讯网络，而通讯方式有很多种，如采用电信系统网络、Internet、或其他网络等。其中属Internel．功能最强大、速度和效率最快，它可以通过各地域的分控制器或控制柜，嵌人计算机模块，实现它们的TCP／IP协议，从而能够使得分控制器能够接受主控制中心的远程命令和管理，同时它也能根据需要就信息数据给予中心及时的反馈，这种方式是值得提倡和推广的。现介绍几种其他通讯方式的应用。

3．1 基于GSM／GPRS的智能路灯控制系统设计与应用

智能控制型路灯的远程通讯方法很多，采用电信系统中的GSM(Global System for Mobile Communieation，全球移动通信系统)或GPRS(General Packet RadioService，通用分组无线业务)网络来实现智能控制路灯的远程管理和监控，利用GSM的成本低、频谱利用率高、系统容量大、保密性好、抗干扰能力强、自动漫游等优点，直接把要发的信息加上目的地址发送即可；而GPRS是在GSM系统的基础上利用分组交换技术建立的，它在兼容GSM的同时能在网络上传输高速数据，利用GPRS的资源利用率高、传输速度快、接入时间短、随时在线访问查询、支持TCP／IP协议等优点，故GPRS网络特别适合于频发小数据量的实时传输，这正好符合智能控制路灯的遥控设计思路。

路灯智能监控系统是一个分布式、集散型、网络化、全开放的监控系统。监控中心对整体路灯系统控制，向分控点发出命令，对分控点的运行状态、电流、电压、电量等参数进行采集，并将信息反馈给监控中心，供显示屏显示、打印机打印及管理人员分析处理，同时对分站内路灯进行开／关控制，如图2所示。


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随着计算机嵌入式技术的发展，通常可以利用GSM和GPRS的技术模块嵌入到现场单片机控制器中，从而实现无线远程路灯的智能监控和管理，为交通运输工程提供高速、在线、透明的数据通讯网络，如图3所示。


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3．2 基于ZigBee网络的智能路灯控制系统设计与应用

ZigBee是IEEE 802．15．4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。它是一个由可多到65 000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可根据需要从标准的75 m无限扩展。

正是利用ZigBee网络的特点，将其应用到智能路灯无线控制系统中，这使得在路灯管理中非常适合使用ZigBee技术。使用ZigBee无线通信，可实现如下功能：无线控制、信号传递、传递一些辅助控制信号和监视信号、快速巡检、交通灯智能管理等。

<strong>4 基于控制模式的智能路灯控制系统设计与应用</strong>

传统的智能路灯控制一般采用：时问控制、光照控制等，这类控制一般是根据季节、气候、时差等因素，由主要控制中心对某一区域内的交通路灯进行开关、时间、光照强度调控的方式。这类控制方式在特殊时段对交通熄灯、减少亮灯率、减少光照强度的做法，虽然节约了电资源，更加经济，但是也为交通安全增添了隐患。

很多研究机构发现，路灯一开始点亮时所需电压大于等于额定电压，在使用稳定以后仅需要较低一些的电压工作即可；据研究，照明亮度下降10％，人眼的感光度仅仅下降仅为1％；而道路在后半夜时，属于用电低峰时期，电灯的实际使用电压会渐渐升高．这不仅加强了路灯的亮度、造成电资源浪费，而且缩短了电灯的使用寿命。故基于上述观点，出现了很多电压控制的模式，即在特殊时段或根据具体需要，通过各分控制器调控路灯的实际使用电压，这有效地克服了上述缺点。

现在出现了更加智能、更加节能、且同时也不降低交通安全的控制方式：“随需而控”。将无线通信技术、微机电MEMS系统和传感技术融合到一起的无线传感器网络技术，它通过安装在路灯上的光学、声学、电学、速度传感器(多普勒探测器)，或采用上述光学、声学、电学、速度的探测器(监控自然条件的亮度、道路行人和行车的声音和速度、电灯的实际使用电压和功率等)，然后配上智能单片机或PLC控制器和无线通讯技术，实现对路灯的开关、亮度调节、电压调节以及亮电灯率的控制。应用该智能路灯控制系统(见图4)，只有路上有人或车辆通过时路灯才点亮，且可根据行人和车辆通过的声音、速度智能地打开前方一定数量的路灯，同时熄灭经过路段的路灯，在提高路灯利用率、节约电资源的同时，又满足了在夜间行人、车辆出行时的道路照明，确保了交通安全。


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<strong>5 结语</strong>

(1)针对目前道路照明系统中存在的问题，分析了智能控制型路灯实现的基本理论和其优势：节约电力资源和保护路灯；可实施远程监控和管理；及时反应和采取恰当措施保证低故障率；智能化、信息化、数据化程度高。

(2)通过系统研究发现，智能控制型路灯一般应该具备遥控、遥测、遥信、遥监、遥视、自动反馈、自动报警、统计、查询和打印的功能。

(3)从通讯网络和控制模式的角度，分析了智能路灯控制系统的设计，为下一步智能系统的实施和采用打下基础。

作者：贺一呜，王崇贵，刘进宇 重庆市市政设计研究院
来源：现代电子技术 2010年第33卷第01期