智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究時(shí)間：2010-03-2410:36:45來源：現(xiàn)代電子技術(shù)賀一嗚，王崇貴，劉進(jìn)宇重慶市市政設(shè)計(jì)研究院摘要：針對傳統(tǒng)路燈使用和監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，分析智能控制型路燈實(shí)現(xiàn)的根本理論和應(yīng)用優(yōu)勢，提出它應(yīng)具有的根本功能：遙控、遙測、遙信、遙監(jiān)、遙視、自動反響、自動報(bào)警、統(tǒng)計(jì)、查詢和打印。通過通訊網(wǎng)絡(luò)和控制模式兩方面說明智能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。該研究明確了智能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和根本原理，為下一步的實(shí)施及采用打下根底。

關(guān)鍵詞：路燈；智能；控制系統(tǒng)；控制模式；設(shè)計(jì)與應(yīng)用

隨著中國城市和經(jīng)濟(jì)的迅速開展，城市照明交通平安和燈飾美化工程也越來越受到普遍關(guān)注，同時(shí)為了符合節(jié)約型、可持續(xù)性開展社會的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生了對路燈、燈飾工程監(jiān)管改革的需求。傳統(tǒng)路燈的照明和管理存在浪費(fèi)大，路燈使用壽命短，遠(yuǎn)程操控、巡查無法監(jiān)控，人工作業(yè)量大，故障維修反響效率低，統(tǒng)計(jì)查詢功能弱等現(xiàn)象。對于“全夜燈”照明造成的浪費(fèi)和“半夜全滅或半滅燈”帶來的交通平安問題，都是可以實(shí)現(xiàn)智能管理的。故如何通過智能控制系統(tǒng)對路燈進(jìn)行科學(xué)和智能的監(jiān)管，采用何種通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能控制器，運(yùn)用何種路燈控制模式都是值得關(guān)注和研究的。本文從智能控制型路燈實(shí)現(xiàn)的根本原理和優(yōu)勢著手，分析了它應(yīng)具備的一般功能：遙控、遙測、遙信、遙監(jiān)、遙視、自動反響、自動報(bào)警、統(tǒng)計(jì)、查詢和打印，同時(shí)通過通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制模式說明了智能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。l智能控制型路燈實(shí)現(xiàn)根本理論和優(yōu)勢

智能控制型路燈是運(yùn)用先進(jìn)的通訊手段，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)、新型傳感技術(shù)與自動檢測技術(shù)等構(gòu)成的無線監(jiān)控系統(tǒng)，快速準(zhǔn)確地對道路照明、城市燈飾工程、廣場照明、橋梁和隧道照明等系統(tǒng)進(jìn)行智能監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程路燈和電源實(shí)施遙控、遙測、搖監(jiān)、遙視、搖信等功能，便于了解路燈運(yùn)行狀況以及它的維修和保養(yǎng)，能提高路燈運(yùn)行質(zhì)量和效率，為能源節(jié)約和創(chuàng)造節(jié)約型社會打下根底。路燈智能控制系統(tǒng)一般由控制中心主站、各點(diǎn)測控分站、通訊系統(tǒng)三大局部組成。主站主要由電腦和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，負(fù)責(zé)管理、控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，其兼容性和容量大小可靈活配置；通訊一般采用無線或無線與有線相結(jié)合的方式，目前無線技術(shù)有GSM短信息網(wǎng)、GPRS數(shù)傳電臺、CDPD公共無線數(shù)據(jù)網(wǎng)，或利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)路燈控制器的TCP／IP協(xié)議(實(shí)現(xiàn)自己數(shù)據(jù)的高速傳輸和實(shí)時(shí)控制)等技術(shù)；而各分站點(diǎn)通過安裝單片機(jī)或新技術(shù)裝備(如LONWORKS技術(shù))構(gòu)成其控制器，從而到達(dá)與主站通訊、接受命令、執(zhí)行開關(guān)、控制電壓、控制時(shí)間、反響數(shù)據(jù)信息等功能。智能控制型路燈實(shí)現(xiàn)過程可以是多種多樣，但無外乎都是：主站電腦控制中心+適宜的通訊手段或方式+各分站集中智能控制器+路燈控制系統(tǒng)的模式，其一般實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。隨著科技和信息產(chǎn)業(yè)的開展，圖中任一個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)起來都可以采用其他方式或方法，在此不贅述。

針對傳統(tǒng)路燈使用缺陷，采用智能控制型路燈的優(yōu)勢如下：

(1)節(jié)約電力資源和保護(hù)路燈。減少了“全夜燈”、“后夜燈”、電燈在后半夜的高電壓狀態(tài)下工作的情況，這樣不僅節(jié)約了電能資源，而且還保護(hù)了電燈，延長了其使用壽命。

(2)可實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。智能控制路燈系統(tǒng)的采用將可對全部路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)、全程全天候地監(jiān)控和管理，集中控制、監(jiān)視和檢查，大大減少了后期人力、物力、財(cái)力的投入，同時(shí)提高了巡查設(shè)備和路燈時(shí)的工作效率。

(3)及時(shí)反響和采取恰當(dāng)措施保證低故障率。由于能實(shí)時(shí)對分站設(shè)備和路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控、遙測和搖視，同時(shí)它們也能自己通過報(bào)警系統(tǒng)將數(shù)據(jù)反響給主站系統(tǒng)，這樣能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和問題，并聯(lián)系工人點(diǎn)對點(diǎn)地進(jìn)行維修，防止逐站逐點(diǎn)巡查和發(fā)現(xiàn)問題、反響緩慢的情況。

(4)智能化、信息化、數(shù)據(jù)化程度高。由于主站和分站大量采用電腦和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，路燈的整體控制智能化、信息化程度相當(dāng)高，且從分站收集、反響給主站的數(shù)據(jù)量也較大，這為智能系統(tǒng)開發(fā)決策和優(yōu)化、維修和維護(hù)提供了根底。2智能控制型路燈實(shí)現(xiàn)根本功能

2．1遠(yuǎn)程遙控功能

采用智能控制系統(tǒng)的路燈開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)、時(shí)間控制等方式都能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，到達(dá)時(shí)控模式、光控模式、壓控模式、聲控模式、旁路模式的目的。下載開關(guān)燈時(shí)間表到分站控制器，根據(jù)經(jīng)緯度、季節(jié)、節(jié)假日及不同的天氣情況進(jìn)行的“時(shí)控”，可實(shí)現(xiàn)路燈全夜燈和半夜燈自動定時(shí)控制，管理人員可針對具體的情況對某一個(gè)或多個(gè)終端隨時(shí)進(jìn)行開關(guān)控制(分組、分區(qū)、全市開關(guān)等方式)；還可根據(jù)季節(jié)和天氣的變化進(jìn)行的“光控”和“壓控”，通過分站集中控制器調(diào)節(jié)特殊天氣和時(shí)段條件下的電壓，從而實(shí)現(xiàn)路燈的光照強(qiáng)度的改變，到達(dá)“光控”的目的，這樣不僅節(jié)約電能，而且也保護(hù)了路燈，延長了它們的使用壽命；還可根據(jù)路燈上的傳感器感應(yīng)公路上行車和行人的聲音、速度，將這些信息反響給分站控制中心，由分站智能控制器決定是否翻開燈，以及翻開燈的數(shù)量和光照強(qiáng)度。上述設(shè)計(jì)遙控模式，可根據(jù)具體情況酌情考慮選用。

2．2遙測、遙信功能

通過分站集中控制器對區(qū)域內(nèi)路燈數(shù)據(jù)(如實(shí)時(shí)電壓、電流、接觸器狀態(tài)、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、用電量等)的檢測和采集，再由無線或有限通訊手段，將數(shù)據(jù)反響給主站控制中心，進(jìn)而分析各區(qū)域內(nèi)每盞路燈的工作情況，了解它們的實(shí)際使用功率，開關(guān)次數(shù)、照顧強(qiáng)度、亮燈率、節(jié)約電能資源等方面。

2．3遙監(jiān)、遙視功能

對于現(xiàn)場檢測的數(shù)據(jù)和信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給控制中心，可由控制中心的電腦LCD進(jìn)行圖文顯示，如配上GIS和GPS的相關(guān)硬件和軟件，那么可對這些數(shù)據(jù)和信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和管理，真正意義上表達(dá)出管理無人化、系統(tǒng)效勞高效化、反響維護(hù)快速化的特點(diǎn)。

2．4自動檢測、反響、報(bào)警功能

通過中心控制主站對分站集中控制器的命令，集中控制中心對區(qū)域內(nèi)各路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和巡查，如果發(fā)現(xiàn)異常情況，如在不該亮燈和熄燈的時(shí)候發(fā)生“時(shí)控”失靈故障、電流和電壓超過上下限造成“光控”失靈、還有導(dǎo)致電燈無法正常工作的其他設(shè)備和控制器故障等，就將這些數(shù)據(jù)通過通訊手段反響給中心控制主站，主站通過聲音報(bào)警來引起注意，如有GIS地理信息系統(tǒng)，那么能迅速顯示出故障點(diǎn)區(qū)域信息，再由中心職務(wù)人員或電腦、網(wǎng)絡(luò)自動聯(lián)系相關(guān)維修人員，這樣不僅大大提高檢測、巡查工作的效率，減少了人員工作強(qiáng)度，而且提高了整個(gè)路燈系統(tǒng)的反響機(jī)制和處理突發(fā)事件的能力。

2．5統(tǒng)計(jì)、查詢和打印功能

智能控制系統(tǒng)中心能對采集反響的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行存儲、統(tǒng)計(jì)和分類，以表格、曲線、直方圖等顯示出來，可根據(jù)年、月、日統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，同時(shí)可通過本文打印出來作分析和研究。還可配上相關(guān)管理軟件，對實(shí)測數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行管理和分類，以便更加直觀地了解整體路燈運(yùn)行情況，如每月故障類別分類統(tǒng)計(jì)，某區(qū)域內(nèi)路燈開關(guān)、持續(xù)工作時(shí)間、亮燈率情況，電源點(diǎn)電量統(tǒng)計(jì)，電源過負(fù)荷故障分析情況，“時(shí)控和光控”條件下的電量節(jié)約情況等。

2．6其他功能

可根據(jù)需要，進(jìn)行衛(wèi)星校時(shí)、信息存儲管理、終端設(shè)置管理等功能。3基于通訊網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

無論是何種智能路燈控制系統(tǒng)，都需要進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理，這必然需要通訊網(wǎng)絡(luò)，而通訊方式有很多種，如采用電信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、Internet、或其他網(wǎng)絡(luò)等。其中屬Internel．功能最強(qiáng)大、速度和效率最快，它可以通過各地域的分控制器或控制柜，嵌人計(jì)算機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)它們的TCP／IP協(xié)議，從而能夠使得分控制器能夠接受主控制中心的遠(yuǎn)程命令和管理，同時(shí)它也能根據(jù)需要就信息數(shù)據(jù)給予中心及時(shí)的反響，這種方式是值得提倡和推廣的?，F(xiàn)介紹幾種其他通訊方式的應(yīng)用。

3．1基于GSM／GPRS的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

智能控制型路燈的遠(yuǎn)程通訊方法很多，采用電信系統(tǒng)中的GSM(GlobalSystemforMobileCommunieation，全球移動通信系統(tǒng))或GPRS(GeneralPacketRadioService，通用分組無線業(yè)務(wù))網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)智能控制路燈的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控，利用GSM的本錢低、頻譜利用率高、系統(tǒng)容量大、保密性好、抗干擾能力強(qiáng)、自動漫游等優(yōu)點(diǎn)，直接把要發(fā)的信息加上目的地址發(fā)送即可；而GPRS是在GSM系統(tǒng)的根底上利用分組交換技術(shù)建立的，它在兼容GSM的同時(shí)能在網(wǎng)絡(luò)上傳輸高速數(shù)據(jù)，利用GPRS的資源利用率高、傳輸速度快、接入時(shí)間短、隨時(shí)在線訪問查詢、支持TCP／IP協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)，故GPRS網(wǎng)絡(luò)特別適合于頻發(fā)小數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)傳輸，這正好符合智能控制路燈的遙控設(shè)計(jì)思路。

路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)分布式、集散型、網(wǎng)絡(luò)化、全開放的監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控中心對整體路燈系統(tǒng)控制，向分控點(diǎn)發(fā)出命令，對分控點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)、電流、電壓、電量等參數(shù)進(jìn)行采集，并將信息反響給監(jiān)控中心，供顯示屏顯示、打印機(jī)打印及管理人員分析處理，同時(shí)對分站內(nèi)路燈進(jìn)行開／關(guān)控制，如圖2所示。

隨著計(jì)算機(jī)嵌入式技術(shù)的開展，通常可以利用GSM和GPRS的技術(shù)模塊嵌入到現(xiàn)場單片機(jī)控制器中，從而實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程路燈的智能監(jiān)控和管理，為交通運(yùn)輸工程提供高速、在線、透明的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

3．2基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

ZigBee是IEEE802．15．4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低本錢。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種廉價(jià)的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。它是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可根據(jù)需要從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。

正是利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用到智能路燈無線控制系統(tǒng)中，這使得在路燈管理中非常適合使用ZigBee技術(shù)。使用ZigBee無線通信，可實(shí)現(xiàn)如下功能：無線控制、信號傳遞、傳遞一些輔助控制信號和監(jiān)視信號、快速巡檢、交通燈智能管理等。4基于控制模式的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

傳統(tǒng)的智能路燈控制一般采用：時(shí)問控制、光照控制等，這類控制一般是根據(jù)季節(jié)、氣候、時(shí)差等因素，由主要控制中心對某一區(qū)域內(nèi)的交通路燈進(jìn)行開關(guān)、時(shí)間、光照強(qiáng)度調(diào)控的方式。這類控制方式在特殊時(shí)段對交通熄燈、減少亮燈率、減少光照強(qiáng)度的做法，雖然節(jié)約了電資源，更加經(jīng)濟(jì)，但是也為交通平安增添了隱患。

很多研究機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，路燈一開始點(diǎn)亮?xí)r所需電壓大于等于額定電壓，在使用穩(wěn)定以后僅需要較低一些的電壓工作即可；據(jù)研究，照明亮度下降10％，人眼的感光度僅僅下降僅為1％；而道路在后半夜時(shí)，屬于用電低峰時(shí)期，電燈的實(shí)際使用電壓會漸漸升高．這不僅加強(qiáng)了路燈的亮度、造成電資源浪費(fèi)，而且縮短了電燈的使用壽命。故基于上述觀點(diǎn)，出現(xiàn)了很多電壓控制的模式，即在特殊時(shí)段或根據(jù)具體需要，通過各分控制器調(diào)控路燈的實(shí)際使用電壓，這有效地克服了上述缺點(diǎn)。

現(xiàn)在出現(xiàn)了更加智能、更加節(jié)能、且同時(shí)也不降低交通平安的控制方式：“隨需而控”。將無線通信技術(shù)、微機(jī)電MEMS系統(tǒng)和傳感技術(shù)融合到一起的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它通過安裝在路燈上的光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、速度傳感器(多普勒探測器)，或采用上述光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、速度的探測器(監(jiān)控自然條件的亮度、道路行人和行車的聲音和速度、電燈的實(shí)際使用電壓和功率等)，然后配上智能單片機(jī)或PLC控制器和無線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對路燈的開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)以及亮電燈率的控制。應(yīng)用該智能路燈控制系統(tǒng)(見圖4)，只有路上有人或車輛通過時(shí)路燈才點(diǎn)亮，且可根據(jù)行人和車輛通過的聲音、速度智能地翻開前方一定數(shù)量的路燈，同時(shí)熄滅經(jīng)過路段的路燈，在提高路燈利用率、節(jié)約電資源的同時(shí)，又滿足了