基于分布式控制的LED路燈控制系統(tǒng)

陳 穎 陳 碩

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108；2.福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福州 350000）

隨著我國城市現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，各項(xiàng)公共基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善。路燈作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，不僅為城市道路提供夜間照明，還能減少交通事故的產(chǎn)生。從1997年我國正式提出“綠色照明”以后，LED（Light Emitting Diode，發(fā)光二極管）路燈依靠綠色節(jié)能、使用壽命長、開關(guān)時(shí)間短等特點(diǎn)在城市照明領(lǐng)域得到了穩(wěn)步發(fā)展。

在傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)中，一般采取手動(dòng)或定時(shí)方式來控制路燈的開光，這樣不僅電力浪費(fèi)嚴(yán)重，而且還會(huì)縮短燈具的使用壽命。為此，研究人員也對(duì)構(gòu)建一種智能路燈控制系統(tǒng)做出了一定的研究。從技術(shù)角度來說，文獻(xiàn)[1]采用無線照明控制技術(shù)，研究將電子鎮(zhèn)流器與ZigBee 無線通信控制模塊整合在一起，減少通信干擾。文獻(xiàn)[2]由傳感器實(shí)時(shí)檢測到的光照和噪音輸入信號(hào)經(jīng)控制器得到輸出電壓，通過晶閘管的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)可變電抗變換器，從而調(diào)節(jié)路燈端電壓。文獻(xiàn)[3]提出了基于多智能體系統(tǒng)的層級(jí)式控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)智能體能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與控制管理。文獻(xiàn)[4]介紹了幾種路燈控制技術(shù)之間，電源質(zhì)量的比較。從應(yīng)用角度來說，文獻(xiàn)[5]提出了針對(duì)城市景觀照明的分布式智能控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)景觀照明設(shè)備的科學(xué)管理和監(jiān)控。文獻(xiàn)[6]給出了應(yīng)用了智能電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠按照電網(wǎng)的要求動(dòng)態(tài)地調(diào)整路燈的亮度。

基于上述工作與LED 路燈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特殊性，本文采用了分布式系統(tǒng)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)LED 路燈的智能控制，從而達(dá)到節(jié)能效果。

1 系統(tǒng)框架

LED 路燈系統(tǒng)是城市建設(shè)的重要部分，與居民生活息息相關(guān)。而路燈系統(tǒng)本身是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及不同方面的技術(shù)和功能。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、易操作性和節(jié)能性，其框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

LED 路燈智能控制系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)中包括四種主要基本設(shè)備：主站、集中器、控制終端和各類LED路燈。通過多種網(wǎng)絡(luò)通信手段，它們可構(gòu)成的一個(gè)分布式管理的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制系統(tǒng)。

集中器是整個(gè)智能控制系統(tǒng)在該配電區(qū)域中的管理節(jié)點(diǎn)，一個(gè)配電區(qū)域通常配置一個(gè)，一個(gè)集中器可以管理該配電區(qū)域下的所有控制終端及其所連接的LED 路燈，并能控制它們的運(yùn)行狀態(tài)。其控制的路燈節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，考慮到工程應(yīng)用成本問題，采用低功耗且價(jià)格低廉的ZigBee 無線通信模塊來進(jìn)行通信。主站通常由分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和通信服務(wù)器（或稱通信前置機(jī)）組成，集中器終端分布范圍廣，且與主站具有一定的距離，主要考慮采取3G通信。監(jiān)控中心則可以實(shí)時(shí)對(duì)各路燈主站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制。

2 分布式系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)

2.1 LED 路燈節(jié)點(diǎn)終端設(shè)計(jì)

LED 路燈節(jié)點(diǎn)控制終端是整個(gè)路燈控制系統(tǒng)的最基本單元，由傳感器模塊和單片機(jī)模塊組成。其主要有信息采集、照明、通信三部分功能。LED 路燈節(jié)點(diǎn)終端節(jié)點(diǎn)控制器由傳感器模塊和單片機(jī)模塊組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 LED 路燈節(jié)點(diǎn)終端結(jié)構(gòu)框圖

CC2530 是嵌入式ZigBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)，建立基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議較為容易。當(dāng)傳感器采集到電壓、電流、光照強(qiáng)度等信息后，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變到單片機(jī)可以接受的范圍內(nèi)，然后傳遞給AD 轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量供單片機(jī)使用。終端同時(shí)還需要LED 驅(qū)動(dòng)模塊為LED 提供恒流電源。系統(tǒng)中采用XL6003 LED 恒流驅(qū)動(dòng)芯片搭建驅(qū)動(dòng)器。XL6003 是連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的升壓恒流源，用于驅(qū)動(dòng)一顆或者多顆串聯(lián)LED，可通過PWM模式對(duì)LED 進(jìn)行調(diào)光，并提供功率開關(guān)漏端，用于故障檢測。

LED 路燈終端工作流程如圖3所示。

圖3 路燈終端工作流程圖

LED 路燈終端上電以后會(huì)主動(dòng)搜索ZigBee 網(wǎng)絡(luò)并加入，然后循環(huán)檢測集中器是否發(fā)來命令，若接收到命令，則執(zhí)行相應(yīng)操作。其主要功能如下：①發(fā)現(xiàn)并加入網(wǎng)絡(luò)；②采集路燈信息，檢測報(bào)警；③接受命令并執(zhí)行。

2.2 集中器設(shè)計(jì)

集中器是在低壓市電（380V 線電壓/220V 相電壓）配電區(qū)域內(nèi)進(jìn)行信息采集和控制的設(shè)備，通過通信信道對(duì)其管轄的控制終端和各類控制終端的信息進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)和控制，并通過遠(yuǎn)程通信信道與主站交換數(shù)據(jù)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

CC2530 主控模塊通過ZigBee 無線模塊實(shí)現(xiàn)與LED 路燈終端的相互通信；通過串口通信模塊實(shí)現(xiàn)與主站的GPRS 相互通信。由于CC2530 外設(shè)豐富，擁有外部存儲(chǔ)模塊來進(jìn)行功能的擴(kuò)展。電源模塊則提供合適的穩(wěn)壓電源。

集中器工作流程如圖5所示。

圖4 集中器結(jié)構(gòu)框圖

圖5 集中器工作流程圖

對(duì)于集中器而言，組建網(wǎng)絡(luò)是自動(dòng)進(jìn)行的，不需要用戶的干涉。通信網(wǎng)絡(luò)一旦建立，集中器就分別監(jiān)聽ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與串口，判斷他們是否有數(shù)據(jù)的傳遞。無論是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)端口或串口發(fā)來數(shù)據(jù)，都先進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，然后執(zhí)行相應(yīng)的上傳或下達(dá)的命令。其主要功能如下：①建立通信網(wǎng)絡(luò)；②在線監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)與串口；③接收與發(fā)送信息。

2.3 主站設(shè)計(jì)

主站由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和WAN 接入設(shè)備或遠(yuǎn)程通信設(shè)備組成的整個(gè)系統(tǒng)的控制和信息搜集中心，一般位于監(jiān)控中心，通過過程公用信道（如GPRS、GSM、PSTN、WAN 等）對(duì)所屬位于現(xiàn)場監(jiān)控區(qū)域的集中控制器的信息進(jìn)行采集和控制，并對(duì)采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和綜合處理。

主站應(yīng)具有如下基本功能：

1）采集功能。主站通過通信網(wǎng)絡(luò)，按照預(yù)先設(shè)定的主站總采控周期和總采控周期（由當(dāng)?shù)厥姓块T規(guī)定的自動(dòng)控制時(shí)間）自動(dòng)地讀取集中器中的計(jì)劃任務(wù)以及控制狀態(tài)信息，并且具有實(shí)時(shí)隨機(jī)操作功能。

2）參數(shù)設(shè)置功能。主站通過通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。該功能主要是對(duì)集中器運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，包括裝載集中器的網(wǎng)絡(luò)通信地址（ID）、集中器的計(jì)劃任務(wù)等，并具有防止非授權(quán)人員操作的安全措施。

3）校時(shí)功能。主站必須具有準(zhǔn)確的時(shí)鐘（由標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源同步），并通過通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)集中器校時(shí)的功能。

4）安全操作功能。主站必須具有完善的操作權(quán)限管理機(jī)制，并具有防止非法授權(quán)人員操作的安全措施，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

5）自診斷功能。可自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)自檢，發(fā)現(xiàn)設(shè)備（包括通信設(shè)備）異常應(yīng)有記錄和報(bào)警。

6）子地圖功能。主站具有電子地圖（GIS 地理信息）功能，可支持地圖操作。

主站應(yīng)具有如下擴(kuò)展功能：

1）實(shí)時(shí)監(jiān)控LED 路燈的運(yùn)行狀態(tài)功能。主站經(jīng)公用通信網(wǎng)絡(luò)，通過集中器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)指定的LED 路燈的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和跟蹤的功能。通過該功能能夠準(zhǔn)確地掌握LED 路燈的現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)況，并提供運(yùn)行的基本信息。

2）遠(yuǎn)程控制功能。系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需要提供遠(yuǎn)程控制的能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警和控制的功能。

3）統(tǒng)計(jì)分析功能。本項(xiàng)條款應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)厥姓块T的實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)充和完善，其基本內(nèi)容包括：

（1）燈具數(shù)量：可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的燈具進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類；

（2）區(qū)域信息：可對(duì)系統(tǒng)內(nèi)燈具分布實(shí)現(xiàn)區(qū)域管理；

（3）故障信息統(tǒng)計(jì)：統(tǒng)計(jì)設(shè)備故障報(bào)警信息和通信異常信息。

3 系統(tǒng)控制方案及應(yīng)用

本文所設(shè)計(jì)的分布式LED 照明系統(tǒng)需根據(jù)環(huán)境光照參數(shù)調(diào)整照明亮度[7]，以獲得更好的照明質(zhì)量和節(jié)電效果。

3.1 控制方案設(shè)計(jì)

LED 路燈終端中光照采集模塊使用的核心器件是光電三極管。光電三極管的靈敏度較高，輸出電流大。光照檢測電路如圖6所示。

光照強(qiáng)度采集的原理是將光電三極管Q1與電阻R1串聯(lián)，光照強(qiáng)度不同時(shí)，Q1的阻值不同，分壓也不同，通過檢測Q1的電壓，按照公式可以計(jì)算出光照強(qiáng)度。

圖6 光照檢測電路

由于系統(tǒng)中存在各種不可避免的誤差，所以采用多次采樣去平均值的方法來降低誤差對(duì)系統(tǒng)的影響[8]。光照強(qiáng)度采集的程序流程如圖7所示。

圖7 光照強(qiáng)度控制流程圖

光照采集模塊將檢測到環(huán)境照度與我們所設(shè)定的上下閾值Vh和Vl進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)Vl＞V0時(shí)，表示環(huán)境照度小，則需要開啟路燈；當(dāng)V0＞Vh時(shí)，表示環(huán)境照度足夠大，可以關(guān)閉路燈；當(dāng)Vl＜V0＜Vh時(shí)，則根據(jù)環(huán)境照度的大小，對(duì)LED 路燈進(jìn)行PWM 調(diào)節(jié)，使環(huán)境照度最舒適。

由于是路燈系統(tǒng)，對(duì)調(diào)光精度要求不高，系統(tǒng)采用8 級(jí)調(diào)光。CC2530 中的定時(shí)器1 在正/倒計(jì)數(shù)的模式下可使用中心對(duì)稱的PWM 輸出。通過設(shè)置的閾值與計(jì)算值進(jìn)行比較，可以產(chǎn)生PWM 方波。根據(jù)占空比和調(diào)光頻率來確定計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值以及相關(guān)參數(shù)，最后對(duì)中斷進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

本案例在福建省云霄縣元光路進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用。元光路為城市Ⅱ級(jí)次干道，長500m，道路寬度24m，沿道路兩側(cè)交錯(cuò)布置單臂路燈，路燈異側(cè)間距24m，燈桿高度9m，設(shè)置路燈44 盞。系統(tǒng)光源選擇95W LED 燈，顯色指數(shù)為Ra70，色溫6000K，初始光通量為10450lm，燈具光效110lm/W。若使用高壓鈉燈達(dá)到相同的實(shí)際光通量則需要200W 的功率。

照明時(shí)間按照傍晚6 點(diǎn)到第二天6 點(diǎn)，共12h計(jì)算。由于本系統(tǒng)中的LED 路燈具有自動(dòng)調(diào)光功能，故取平均70%功率照明，則每天單燈耗能：

而高壓鈉燈不能調(diào)光，每天以100%功率照明，則每天單燈耗能

由此可以看出，對(duì)LED 路燈進(jìn)行分布式控制，可以得到每年每盞路燈將近600kW·h 的節(jié)約。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的智能路燈控制一般采用手動(dòng)控制或時(shí)間控制等，這類控制方式容易造成資源的浪費(fèi)。本文提出的分布式控制LED 路燈系統(tǒng)，能根據(jù)路面照度對(duì)單個(gè)路燈進(jìn)行控制，經(jīng)測試，提出的控制策略具有實(shí)際價(jià)值。此外，還將ZigBee 技術(shù)引入，在滿足單燈控制的基礎(chǔ)上，還能對(duì)同一區(qū)域上的LED 路燈進(jìn)行片控。通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)，將采集到的各路燈信息與監(jiān)控中心相連。如果這種路燈控制系統(tǒng)能夠與智能交通控制結(jié)合在一起，將為路燈照度提供更有效、更節(jié)能的調(diào)節(jié)控制，相信這也將是城市道路照明高智能化發(fā)展的未來方向。

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