基于傳感網的智能路燈節能控制系統

摘 要：針對路燈運行狀態、信息難以反饋和難以進行合理控制等問題，本文將無線傳感器網絡層次拓撲模型應用于城市路燈照明管理系統，完成整體優化控制。利用模糊控制原理對路面信號進行模糊化處理，將晶閘管相控斬波和自耦降壓技術整合進行路燈的軟啟動和慢斜坡控制，實現智能路燈控制器節點自動調壓節能，最終實現城市路燈的節能控制和智能化、網絡化管理。

關鍵詞：路燈 節能 模糊控制

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（b）-0005-02

An Energy-saving Control System to Street Lamp Based on Sensor Networks

Li Xiaoguang Xiao Pingping

（Information College of Guanghua College of Changchun University，Jilin Changchun，130033）

Abstract：For the problems that the street running state and information was difficult to feedback and reasonable control，we apply the topology model to the street lighting management system，and complete the optimization control in this paper.Using the fuzzy control theory to handle the road signals，the intelligent lighting region controller integrates the thyristor chopper with the autotransformer technology，carries out the soft start and slow slope control to the street light，and realizes automatic voltage and energy saving.At finally，the system can realize the energy-saving control and intelligent，networked management of city street lamp.

Key Words：Lamp；Energy saving；Fuzzy control

路燈是我國經濟發展和國家建設中必需的用電設備，它在我國的整體用電量中所占比例巨大。據統計，2009年全國用電總量為36430億kW·h。而城市公共照明（主要是道路照明）大約占總用電量的10%左右，約為3643億kW·h。

由于道路照明控制過于簡單，存在路燈運行狀態、信息難以反饋和難以進行合理控制等問題，造成了區域不平衡供電和過度供電的現象（電壓過高或“全夜燈”現象），每年將造成幾百億度的電能浪費，還極大地影響用電設備和燈具的使用壽命，造成了巨大的經濟損失[1]。尤其吉林省路燈過度供電的現象尤為嚴重，路燈供電電壓平均在230～240 V之間，而且均為“全夜燈”，給吉林省能源和經濟造成了極大的浪費。本項目所開發的基于傳感網的智能路燈節能控制系統是具有節能控制功能的道路照明管理系統，能對區域內的路燈進行自動狀態監測、照明控制及管理，自動調整路燈在不同時間、不同交通流量下的耗電量，可解決路燈區域不平衡供電和過度供電造成的電能極大浪費和燒毀燈具的難題。

1 總體方案設計

本文所構建的基于無線傳感器網絡的路燈節能控制系統由路燈管理中心平臺、路燈區域控制器、傳感器節點組成[2]。路燈管理中心平臺負責所有信息的匯總、統計、分析和處理，實現對區域控制器節點的控制；路燈區域控制器（即分簇結構中的簇頭節點）負責所轄路段路燈亮度的節能控制、解析執行管理中心指令和采集、上報運行數據。傳感器節點負責某段區域路燈的控制和狀態檢測。傳感器節點、路燈區域控制器和路燈管理中心之間采用Zigbee協議進行數據傳輸，傳感器節點與所轄區域內各路燈之間采用電力線載波通信方式進行數據傳輸。其系統結構圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 傳感器節點

傳感器節點由四個部分組成：數據采集模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊[3]。如圖2所示。

數據采集模塊由光敏、聲音傳感器進行所轄區域內光照、聲音信息的采集，并將采集的信號通過信號調理電路變為其變為適合傳輸的數字信號，傳送給微處理器模塊[4]；微處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作，存儲和處理數據采集模塊采集的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，實現信息交換控制和數據收發[5]；電源模塊為傳感器節點提供運行所需的能量，采用微型化、高容量的電池。

2.2 路燈區域控制器

路燈區域控制器的工作原理是光敏傳感器采集到所轄區域道路上的光照信號通過輸入智能控制器，實現所轄路段路燈的開啟和關閉[6]。道路上的人車流量通過聲音傳感器輸入智能控制器，通過模糊控制算法進行實時處理后，利用晶閘管的移相控制原理，根據時間和車流量對三相交流調壓電路中晶閘管的導通角進行控制，進而改變照明電路的輸出電壓，達到平衡供電，實現節能控制的目的[7]。控制原理[8]如圖3所示。

同步信號采樣電路是按照三相交流調壓電路的控制規律要求，為晶閘管的移相觸發電路提供同步信號；移相觸發脈沖電路根據觸發角指令的要求，結合同步信號，來控制三相交流調壓電路中晶閘管的導通角來決定路燈輸出電壓的大小；智能控制器作為整套系統的核心部分，其控制方式選取的為模糊控制算法，采集的光信號與聲音信號通過放大、轉換后輸入到控制器的微處理器中，通過模糊控制的方式將采集的數據進行處理比對，選取最優化的控制信號加以輸出。可變電抗器是用來隔離高壓和低壓，將電抗器的高壓側與路燈相連，在電抗器中增加二次繞組作為低壓側，將二次繞組與晶閘管和具有模糊控制算法的控制系統相連。當晶閘管控制角的發生變化時，電抗器低壓側和高壓側的電壓大小也隨之改變，進而使得路燈的端電壓發生變化，改變路燈的照明亮度，以實現路燈的軟起動和調壓節能。路燈區域控制器還對三相電流的不平衡情況進行監視，實現三相不平衡保護和缺相保護，通過對負載端電壓的反饋、比較，實現電壓檢測。

3 實驗結果

本測試工作的重點是圍繞利用無線傳感器網絡，對溫濕度、光照強度、電壓信號等參數進行數據采集和分析。

3.1 組建網絡

首先，根據設備在網絡中的功能，預先對裝置編制好程序。網絡協調器通過串口與PC機相連，可以在串口調試助手上觀察網絡組建時的實驗數據結果。協調器的功能是通過掃描搜索，以發現一個未用的信道來啟動一個網絡。

網絡協調器上電后建立起ZigBee網絡，路燈節能控制系統傳感器節點自動加入網絡。當各節點加入網絡時，各節點網絡指示燈均亮起，表明組網成功。在采集管理界面中將傳感器節點逐漸加入到網絡協調器建立的網絡中，并在信息顯示窗口中顯示建網完成后，采集網絡建立完成，各采集器數據信息最終傳輸到網絡協調器。

3.2 上位機顯示界面

為了系統調試的方便和水質監測系統可視化人機界面的可操作性，本系統在Microsoft Visual C++6.0環境下實現了系統串口通信程序，可以實現數據在計算機上的實時顯示。

從圖4中可以看出，上位機界面主要由操作區、曲線顯示區、節點狀態區三部分組成。

操作區：主要顯示當前所使用的串口以及相應的狀態，服務器狀態、工作情況、登陸網址等信息。

曲線顯示區：在曲線顯示區可查看所選用的傳感器模擬量變化的波形。

節點狀態區：實時顯示當前網絡中各傳感器所采集到的溫度、光強、氣體、路燈的數據信息。

4 結語

本項目構建的基于無線傳感器網絡的智能路燈節能控制系統，能對區域內的路燈進行自動狀態監測、照明控制及管理，自動調整路燈在不同時間、不同交通流量下的耗電量，可解決路燈區域不平衡供電和過度供電造成的電能極大浪費和燒毀燈具的難題。

參考文獻

[1]郝洛西，李勛棟.高效節能與城市照明[J].照明工程學報，2011，17（2）：18-22.

[2]詹杰，吳伶錫，唐志軍.基于ZigBee的智能照明控制系統設計與實現[J].電力電子技術，2007（10）：25-26.

[3]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[4]王亞蘭.智能路燈節能控制器研究[D].武漢理工大學碩士論文，2008.

[5]李繼豪，趙瑞峰，李愛莉.基于GSM/GPRS網絡的路燈監控系統[J].計算機工程與設計，2005，26（7）：1889-1949.

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[8]王曉軍，徐鵬，段景春，等.基于單片機的晶閘管電子軟啟動器設計[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2010，29（3）：447-450.