智能路燈控制系統(tǒng)設計與應用研究

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現(xiàn)的基本理論和應用優(yōu)勢，提出它應具有的基本功能:遙控、遙測、遙信、遙監(jiān)、遙視、自動反饋、自動報警、統(tǒng)計、查詢和打印。通過通訊網絡和控制模式兩方面闡明智能路燈控制系統(tǒng)的設計和應用。該研究明確了智能路燈控制系統(tǒng)的設計思路和基本原理，為下一步的實施及采用打下基礎。

關鍵詞:路燈;智能;控制系統(tǒng);控制模式;設計與應用

中圖分類號:TP273.5文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)01-207-04

Design and Application of Street Lamp Intelligent Control System

HE Yiming，WANG Chonggui，LIU Jinyu

(Chongqing Municipal Institute of Design，Chongqing，400020，China)

Abstract:Aiming at existed problems in traditional lamps use and monitoring system，basic theory and its application advantages of intelligent control type lamps are analyzed，basic functions are put forward:remote control，telemeter，remote monitoring，remote viewing，automatic feedback，automatic alarm，statistics，inquiry and print，through the two aspects of communication network and control mode，design and application of intelligent control system street lamp are expounded.Research confirms the design and basic principle of intelligent street lamp control system，and lays the foundation for its implementation and adoption.

Keywords:street lamp;intelligence;control system;control mode;design and application

隨著中國城市和經濟的迅速發(fā)展，城市照明交通安全和燈飾美化工程也越來越受到普遍關注，同時為了符合節(jié)約型、可持續(xù)性發(fā)展社會的標準，產生了對路燈、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大，路燈使用壽命短，遠程操控、巡查無法監(jiān)控，人工作業(yè)量大，故障維修反應效率低，統(tǒng)計查詢功能弱等現(xiàn)象。對于“全夜燈”照明造成的浪費和“半夜全滅或半滅燈”帶來的交通安全問題，都是可以實現(xiàn)智能管理的。故如何通過智能控制系統(tǒng)對路燈進行科學和智能的監(jiān)管，采用何種通訊網絡技術和智能控制器，運用何種路燈控制模式都是值得關注和研究的。本文從智能控制型路燈實現(xiàn)的基本原理和優(yōu)勢著手，分析了它應具備的一般功能:遙控、遙測、遙信、遙監(jiān)、遙視、自動反饋、自動報警、統(tǒng)計、查詢和打印，同時通過通訊網絡技術和控制模式闡明了智能路燈控制系統(tǒng)的設計和應用。

1 智能控制型路燈實現(xiàn)基本理論和優(yōu)勢

智能控制型路燈是運用先進的通訊手段，計算機網絡技術、自動控制技術、新型傳感技術與自動檢測技術等構成的無線監(jiān)控系統(tǒng)，快速準確地對道路照明、城市燈飾工程、廣場照明、橋梁和隧道照明等系統(tǒng)進行智能監(jiān)控[1]，實現(xiàn)對遠程路燈和電源實施遙控、遙測、搖監(jiān)、遙視、搖信等功能[2]，便于了解路燈運行狀況以及它的維修和保養(yǎng)，能提高路燈運行質量和效率，為能源節(jié)約和創(chuàng)造節(jié)約型社會打下基礎。

路燈智能控制系統(tǒng)一般由控制中心主站、各點測控分站、通訊系統(tǒng)三大部分組成。主站主要由電腦和網絡構成，負責管理、控制整個系統(tǒng)的運行，其兼容性和容量大小可靈活配置[3];通訊一般采用無線或無線與有線相結合的方式，目前無線技術有GSM短信息網、GPRS數(shù)傳電臺、CDPD公共無線數(shù)據(jù)網，或利用單片機實現(xiàn)路燈控制器的TCP/IP協(xié)議(實現(xiàn)自己數(shù)據(jù)的高速傳輸和實時控制)等技術;而各分站點通過安裝單片機或新技術裝備(如LONWORKS技術)構成其控制器，從而達到與主站通訊、接受命令、執(zhí)行開關、控制電壓、控制時間、反饋數(shù)據(jù)信息等功能。智能控制型路燈實現(xiàn)過程可以是多種多樣，但無外乎都是:主站電腦控制中心+合適的通訊手段或方式+各分站集中智能控制器+路燈控制系統(tǒng)的模式，其一般實現(xiàn)原理如圖1所示。隨著科技和信息產業(yè)的發(fā)展，圖中任一個環(huán)節(jié)實現(xiàn)起來都可以采用其他方式或方法，在此不贅述。

圖1 智能控制型路燈實現(xiàn)基本原理

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，而且還保護了電燈，延長了其使用壽命。

(2) 可實施遠程監(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行實時、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、財力的投入，同時提高了巡查設備和路燈時的工作效率。

(3) 及時反應和采取恰當措施保證低故障率。由于能實時對分站設備和路燈進行遠程遙控、遙測和搖視，同時它們也能自己通過報警系統(tǒng)將數(shù)據(jù)反饋給主站系統(tǒng)，這樣能及時發(fā)現(xiàn)故障和問題，并聯(lián)系工人點對點地進行維修，避免逐站逐點巡查和發(fā)現(xiàn)問題、反應緩慢的情況。

(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絡技術，路燈的整體控制智能化、信息化程度相當高，且從分站收集、反饋給主站的數(shù)據(jù)量也較大，這為智能系統(tǒng)開發(fā)決策和優(yōu)化、維修和維護提供了基礎。

2 智能控制型路燈實現(xiàn)基本功能

2.1 遠程遙控功能

采用智能控制系統(tǒng)的路燈開關、亮度調節(jié)、時間控制等方式都能實現(xiàn)遠程遙控，達到時控模式、光控模式、壓控模式、聲控模式、旁路模式的目的。下載開關燈時間表到分站控制器，根據(jù)經緯度、季節(jié)、節(jié)假日及不同的天氣情況進行的“時控”，可實現(xiàn)路燈全夜燈和半夜燈自動定時控制，管理人員可針對具體的情況對某一個或多個終端隨時進行開關控制(分組、分區(qū)、全市開關等方式)[4];還可根據(jù)季節(jié)和天氣的變化進行的“光控”和“壓控”，通過分站集中控制器調節(jié)特殊天氣和時段條件下的電壓，從而實現(xiàn)路燈的光照強度的改變，達到“光控”的目的，這樣不僅節(jié)約電能，而且也保護了路燈，延長了它們的使用壽命;還可根據(jù)路燈上的傳感器感應公路上行車和行人的聲音、速度，將這些信息反饋給分站控制中心，由分站智能控制器決定是否打開燈，以及打開燈的數(shù)量和光照強度。上述設計遙控模式，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)域內路燈數(shù)據(jù)(如實時電壓、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)反饋給主站控制中心，進而分析各區(qū)域內每盞路燈的工作情況，了解它們的實際使用功率，開關次數(shù)、關照強度、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，通過網絡傳輸給控制中心，可由控制中心的電腦LCD進行圖文顯示，如配上GIS和GPS的相關硬件和軟件，則可對這些數(shù)據(jù)和信息，進行實時監(jiān)視和管理，真正意義上體現(xiàn)出管理無人化、系統(tǒng)服務高效化、反應維護快速化的特點。

2.4 自動檢測、反饋、報警功能

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)域內各路燈進行實時監(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候發(fā)生“時控”失靈故障、電流和電壓超過高低限造成“光控”失靈、還有導致電燈無法正常工作的其他設備和控制器故障等，就將這些數(shù)據(jù)通過通訊手段反饋給中心控制主站，主站通過聲音報警來引起注意，如有GIS地理信息系統(tǒng)，則能迅速顯示出故障點區(qū)域信息，再由中心職務人員或電腦、網絡自動聯(lián)系相關維修人員，這樣不僅大大提高檢測、巡查工作的效率，減少了人員工作強度，而且提高了整個路燈系統(tǒng)的反應機制和處理突發(fā)事件的能力。

2.5 統(tǒng)計、查詢和打印功能

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

2.6 其他功能

可根據(jù)需要，進行衛(wèi)星校時、信息存儲管理、終端設置管理等功能。

3 基于通訊網絡的智能路燈控制系統(tǒng)設計與應用

無論是何種智能路燈控制系統(tǒng)，都需要進行遠程監(jiān)測和管理，這必然需要通訊網絡，而通訊方式有很多種，如采用電信系統(tǒng)網絡、Internet、或其他網絡等。其中屬Internet功能最強大、速度和效率最快，它可以通過各地域的分控制器或控制柜，嵌入計算機模塊，實現(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程命令和管理，同時它也能根據(jù)需要就信息數(shù)據(jù)給予中心及時的反饋，這種方式是值得提倡和推廣的。現(xiàn)介紹幾種其他通訊方式的應用。

3.1 基于GSM/GPRS的智能路燈控制系統(tǒng)設計與應用

智能控制型路燈的遠程通訊方法很多，采用電信系統(tǒng)中的GSM(Global System for Mobile Communication，全球移動通信系統(tǒng))或GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務)網絡來實現(xiàn)智能控制路燈的遠程管理和監(jiān)控，利用GSM的成本低、頻譜利用率高、系統(tǒng)容量大、保密性好、抗干擾能力強、自動漫游等優(yōu)點，直接把要發(fā)的信息加上目的地址發(fā)送即可[5];而GPRS是在GSM系統(tǒng)的基礎上利用分組交換技術建立的，它在兼容GSM的同時能在網絡上傳輸高速數(shù)據(jù)，利用GPRS的資源利用率高、傳輸速度快、接入時間短、隨時在線訪問查詢、支持TCP/IP協(xié)議等優(yōu)點，故GPRS網絡特別適合于頻發(fā)小數(shù)據(jù)量的實時傳輸[1]，這正好符合智能控制路燈的遙控設計思路。

路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)是一個分布式、集散型、網絡化、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，向分控點發(fā)出命令，對分控點的運行狀態(tài)、電流、電壓、電量等參數(shù)進行采集，并將信息反饋給監(jiān)控中心，供顯示屏顯示、打印機打印及管理人員分析處理，同時對分站內路燈進行開/關控制，如圖2所示[5]。

圖2 基于GSM的智能路燈控制系統(tǒng)

隨著計算機嵌入式技術的發(fā)展，通常可以利用GSM和GPRS的技術模塊嵌入到現(xiàn)場單片機控制器中，從而實現(xiàn)無線遠程路燈的智能監(jiān)控和管理，為交通運輸工程提供高速、在線、透明的數(shù)據(jù)通訊網絡，如圖3所示[1]。

圖3 基于GPRS網絡和模塊的智能路燈控制系統(tǒng)[1]

3.2 基于ZigBee網絡的智能路燈控制系統(tǒng)設計與應用

ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。它是一個由可多到65 000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個ZigBee網絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節(jié)點間的距離可根據(jù)需要從標準的75 m無限擴展。

正是利用ZigBee網絡的特點，將其應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。使用ZigBee無線通信，可實現(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[6]。

4 基于控制模式的智能路燈控制系統(tǒng)設計與應用

傳統(tǒng)的智能路燈控制一般采用:時間控制[7]、光照控制[8]等，這類控制一般是根據(jù)季節(jié)、氣候、時差等因素，由主要控制中心對某一區(qū)域內的交通路燈進行開關、時間、光照強度調控的方式。這類控制方式在特殊時段對交通熄燈、減少亮燈率、減少光照強度的做法，雖然節(jié)約了電資源，更加經濟，但是也為交通安全增添了隱患。

很多研究機構發(fā)現(xiàn)，路燈一開始點亮時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，屬于用電低峰時期，電燈的實際使用電壓會漸漸升高，這不僅加強了路燈的亮度、造成電資源浪費，而且縮短了電燈的使用壽命。故基于上述觀點，出現(xiàn)了很多電壓控制的模式，即在特殊時段或根據(jù)具體需要，通過各分控制器調控路燈的實際使用電壓，這有效地克服了上述缺點。

現(xiàn)在出現(xiàn)了更加智能、更加節(jié)能、且同時也不降低交通安全的控制方式:“隨需而控”[9，10]。將無線通信技術、微機電MEMS系統(tǒng)和傳感技術融合到一起的無線傳感器網絡技術，它通過安裝在路燈上的光學、聲學、電學、速度傳感器(多普勒探測器)，或采用上述光學、聲學、電學、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、電燈的實際使用電壓和功率等)，然后配上智能單片機或PLC控制器和無線通訊技術，實現(xiàn)對路燈的開關、亮度調節(jié)、電壓調節(jié)以及亮電燈率的控制。應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路燈才點亮，且可根據(jù)行人和車輛通過的聲音、速度智能地打開前方一定數(shù)量的路燈，同時熄滅經過路段的路燈，在提高路燈利用率、節(jié)約電資源的同時，又滿足了在夜間行人、車輛出行時的道路照明，確保了交通安全。

圖4 基于控制模式的智能控制系統(tǒng)

5 結 語

(1) 針對目前道路照明系統(tǒng)中存在的問題，分析了智能控制型路燈實現(xiàn)的基本理論和其優(yōu)勢:節(jié)約電力資源和保護路燈;可實施遠程監(jiān)控和管理;及時反應和采取恰當措施保證低故障率;智能化、信息化、數(shù)據(jù)化程度高。

(2) 通過系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，智能控制型路燈一般應該具備遙控、遙測、遙信、遙監(jiān)、遙視、自動反饋、自動報警、統(tǒng)計、查詢和打印的功能。

(3) 從通訊網絡和控制模式的角度，分析了智能路燈控制系統(tǒng)的設計，為下一步智能系統(tǒng)的實施和采用打下基礎。

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