一種互聯網+LED路燈分布式控制系統

王有鎖，沈少鵬，王友保

(1.安徽卓越工程研究院,安徽 合肥　230001；2.滁州學院電子與電氣工程學院自動化系,安徽 滁州　239000；3.肥西縣衛生局,安徽 肥西　231200)

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一種互聯網+LED路燈分布式控制系統

王有鎖1，沈少鵬2，王友保3

(1.安徽卓越工程研究院,安徽 合肥230001；2.滁州學院電子與電氣工程學院自動化系,安徽 滁州239000；3.肥西縣衛生局,安徽 肥西231200)

本文提出一種互聯網+LED路燈分布式控制系統的技術方案，通過給LED路燈增設單燈控制器，給路燈配電箱增設現場服務器，采用電力線通信技術，利用現有電力線路，實現了LED路燈的互聯互通和分布式控制與能源管理。結合路燈監控和管理的平臺軟件，這種分布式照明控制技術將為現代城市照明提供一套科學、高效、安全、可控、可調、可視的先進管理方法，使之成為構建新型智慧城市的重要途徑之一。

互聯網+；單燈控制器；現場服務器；電力線通信；分布式控制

1　總體技術方案

如圖1所示，方案由LED路燈、單燈控制器、現場服務器、3G/4G無線終端、中心服務器及平臺軟件等部分組成，其中LED路燈采用PWM數字調光技術，具有0～100%任意比例調光的功能；單燈控制器采用電力線通信技術，集成數據采集和PWM調光接口的功能；現場服務器對下采用電力線通信技術與單燈控制器實現數據交互，對上采用以太網技術實現LED路燈的互聯網+功能，并與中心服務器實現數據交互；平臺軟件則采用特定數據傳輸協議，并集成GIS(全球地理信息系統)技術，實現LED路燈的可視化控制和管理。這種基于電力線通信和互聯網+的LED路燈分布式控制系統，將為現代城市照明提供一套科學、高效、安全、可控、可調、可視的先進管理方法，使之成為構建新型智慧城市的重要途徑之一[1]。

圖1　互聯網+LED路燈分布式控制系統示意圖Fig.1　Distributed control system for Internet+LED street lamp

2　方案關鍵技術的實現

2.1LED路燈的智能化

當前，中國城市的路燈照明仍然以傳統的高壓鈉燈為主，能耗高，壽命短。現代城市的發展，需要智能的路燈，傳統的高壓鈉燈顯然不能滿足這個需求。眾所周知，LED具有的高光效、長壽命、可調光等顯著的節能優點已被廣泛認可，并正在加速進入城市照明領域。隨著互聯網+技術的發展，尤其是物聯網技術與照明技術的逐步融合，具有數字通信接口、可調光的智能LED路燈逐漸變成現實[3]。圖2所示的LED路燈，就是一種增設了單燈控制器的智能LED路燈，具有電力線通信、電能測量、數字開關和調光的功能。為提高性價比，筆者單位已將這種單燈控制器集成在LED路燈驅動電源里，形成了載波一體化LED路燈產品[2]。

如圖2所示，單燈控制器的主要功能模塊，由MCU(Microcontroller Unit)、電力線載波、電能測量、繼電器等組成，其中MCU是核心模塊，通過電能測量模塊獲取LED路燈的運行數據并偵測其運行狀態，通過繼電器模塊實現LED路燈遠程開關，通過輸出PWM調光信號實現LED路燈調光的功能。電力線載波模塊是單燈控制器的關鍵技術模塊，它主要負責實現數據調制和解析，實現數據在電力線介質上的收發[5]。

圖2　智能LED路燈系統示意圖Fig.2　Smart LED street lamp system

2.2電力線通信技術

電力線通信是本方案的關鍵技術，也是單燈控制器的核心技術。在LED路燈的智能化過程中，主要是解決電力線通信的電網噪聲干擾問題，降低誤碼率，提高通信質量，保證LED路燈控制穩定可靠。

眾所周知，電力線通信是一種以電力線為介質的數字通信技術，也是典型的物聯網技術之一，其工作原理所圖3所示，在發送端把數據調制成高頻信號，并附加到50Hz交流電的正弦基波上，沿著電力線進行傳輸，在接收端再把高頻訊號包解析出來，從而實現數據的收發和指令控制。

電力網最大的問題，就是其環境噪聲高，電力線載波信號很容易受到干擾。為此，本方案單燈控制器在設計時，采用了抗干擾性能優異的PL31xx系列電力線載波芯片。該芯片系美國ECHLON公司推向市場已久的一款電力線載波通信專用芯片，具有115KHz/132KHz雙頻智能自動切換功能，在主頻通道 (132KHz) 受噪聲干擾發生阻塞時，自動啟用輔頻通道(115KHz)保證數據順利傳輸。其次，該芯片通過先進的前向糾錯(FEC)算法和數字信號處理技術，達到了噪音消除和信號失真校正的功能，從而可以克服噪聲引起的錯誤。再次，該芯片還具有自動中繼功能，即數據在傳輸過程中，如遇信號變弱，將自動放大該信號，以保證數據正常傳輸，最大支持8級信號中繼。這些優點，顯著提高了電力線通信的性能，使之適應惡劣的和復雜的電力網環境，保證了LED路燈照明控制的可靠性和穩定性[4]。

圖3　電力線通信原理示意圖Fig.3　The PLC principle map

2.3現場服務器

現場服務器是實現互聯網+LED路燈分布式控制和管理的關鍵技術，采用了ARM9內核的CPU和嵌入式操作系統技術，其主要的功能模塊有以太網通信、電力線通信、RS-485通信、輸入輸出、任務調度、數據采集、數據存儲、系統配置等，具體如圖4所示。其中的以太網通信模塊主要實現3G/4G無線終端網絡連接和通信配置功能，實現LED路燈的互聯網+功能；電力線通信模塊主要實現集成單燈控制器的LED路燈的網絡匯聚功能，為數據采集、任務調度等功能提供網絡支持，實現數據和控制指令在現場服務器與單燈控制器之間的傳輸；RS-485通信模塊主要實現485設備的接入和數據交互，比如485電能表的接入和數據讀取等；輸入輸出模塊主要實現開關型設備的接入和控制，比如路燈配電箱的門磁檢測與控制等；系統配置功能用來實現現場服務器工作模式、網絡參數等項目的配置[4]。

圖4　現場服務器功能方框圖Fig.4　The site server functions

在本文的技術方案中，現場服務器的工作模式配置為服務器模式，每臺現場服務器相對獨立的管理一條道路或一個片區的LED路燈。在配置合理、科學的條件下，一臺現場服務器通常可以管理254盞LED路燈。由多個現場服務器形成的分布式控制和管理網絡，既有利于實現城市照明的統一監控和管理，又可以實現按道路、按片區進行個性化的控制和管理，節能、安全、高效，充分體現了現代化城市照明管理的先進性和科學性[6]。

2.4中心服務器

在本方案中，中心服務器布署平臺軟件后，通過3G/4G無線網路，實現現場服務器數據的統一采集、整理、分析和加工等，并通過工作站或移動終端予以展示，或接收經認證或權限范圍內的控制指令等。同時，中心服務器可以給各個現場服務器統一或分別下達控制和管理策略，結合平臺軟件的GIS(全球地理信息系統)功能，可以實現城市照明的可視化片區管理、目的地管理等，實現智慧控制和科學節能。

3　方案實施效果

以筆者所在城市合肥為例，為驗證方案實施效果，筆者協調了一條安裝有340盞250W高壓鈉燈的城市次干道，并把高壓鈉燈全部更換為100W智能LED路燈，并按圖1所示技術方案搭建好控制系統。

3.1電力線通信質量實測

現場服務器的CPU占用率、內存占用率、磁盤剩余空間及LED路燈的信號強度與信號邊界余量等項目，均是評價電力線通信質量的重要指標，其中，前三項指標值與現場服務器管理LED路燈的數量直接相關。為簡化實驗，本案例采用的現場服務器，一臺直接按254盞LED路燈進行配置，編號為1#；另一臺則配置了86盞LED路燈。一組實驗數據如下：

表1　電力線通信質量實驗數據

從表1實驗數據看，現場服務器1#和2#的通信質量各項指標均是正常的，其中1#現場服務器的CPU占用率已近限值，說明現場服務器的管理容量已近極限，不可以再增加了。

3.2節能效果

經實測，100W智能LED路燈的平均照度優于原250W高壓鈉燈，250W高壓鈉燈實際耗電為287W，100W智能LED路燈的實際耗電為103W。案例實驗策略如下：

a)日點燈11小時，連續運行30天；

b)采用時段調光策略：晚上6點開燈，9點調光25%，11點調光60%；凌晨2點調光75%，凌晨4點調光60%，早晨6點關燈；

c)以LED路燈的運行時間核算原250W高壓鈉燈固定照明的用電量。

實驗數據如下：

a)100 W智能LED路燈與原250 W高壓鈉燈的用電量分別為6933.6 KWh和32204.4 KWh；

b)LED路燈節電25270.8 KWh，節電率78.47%。

由此可見，方案的節電率高達78.47%，節能效果顯著。

3.2運維效果

A.方案采用了電力線通信技術，相比弱電線纜，電力線更加堅固，易于維護和故障排查，節省材料、施工和檢修費用；

B.方案采用了單燈控制器術，可以實現任意編程的路燈照明控制策略，且任意一盞路燈有故障時，均能自動上傳故障數據，省時高效，提高了城市照明的運維水平；

C.方案采用了分布式控制技術，任意一只現場服務器失效時，均不影響其它現場服務器對LED路燈的控制，既便民，又安全。

4　結論

隨著我國新型智慧城市建設工作的不斷推進，城市照明的管理水平必然需要與此相適應。互聯網+LED路燈分布式控制系統，能夠較好的解決城市照明的物聯網化、互聯網化、信息化、智能化、自動化等問題，并具有顯著的節能效益。它的廣泛推廣應用，將為我國新型智慧城市的建設提供了一個創新的思路，也必將促進我國城市照明的管理水平更上一個層次。

[1] 郝敬全，劉思彬，張作慧. 智慧照明：為智慧城市建設點一盞燈——淺談城市照明智能監控及單燈控制系統[J]. 建設科技,2014,17:44.

[2] 朱祺，陶冶林. 單燈控制器在路燈監控中的應用[J].電世界,2014,8:26.

[3] 方聰，于亞，馬建偉，戚佳金. 基于單燈節能的城市照明智能管理系統[J]. 照明工程學報,2014,25(2):85.

[4] 畢鑫禹，李郝林，吳小東，等. 基于電力線載波通信的道路智能照明系統研究[J].信息技術，2015，1:80.

[5] 孔繁宇，崔健博，鄒同元，等. 基于地上地下數據的智慧照明信息系統總體設計[J].照明工程學報，2015，26(5):14-18.

[6] BBC. iPad-controlled street lights installed in London. [EB/OL]. (2016-5-21)[2012-11-4].http://www.bbc.com/news/uk-england-london-20197434.

A Distributed Control System For Internet+LED Street Lamp

WANG Yousuo1， SHEN Shaopeng2， WANG Youbao3

(1.Anhui Joyo Engineering Research Institute，Hefei230001，China；2.ChuzhouInstituteofElectronicandElectricalEngineeringAutomation，Chuzhou239000，China；3.FeixiCountyHealthDepartment，Feixi231200，China)

This paper presents a technical solution for internet+LED lights distributed control system, by giving additional single LED street light controller street distribution box to additional site servers, using power line communication technology that uses existing power lines to achieve the LED lights interoperability and distributed control and energy management. Combined with street light monitoring and management software platform, this distributed lighting control technology will provide a scientific and modern urban lighting, efficient, safe, controllable and adjustable, advanced management methods visible, making it wise to build a new city one important way.

internet+; single lamp controller; site server; power line communication; distributed control

TM923

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.023