LED路燈的智能控制技術(shù)模式及應(yīng)用前景研究

蘇航 肖雪

[摘 要]在全球能源日趨緊張的當(dāng)下，環(huán)保、節(jié)能成為各個(gè)國家發(fā)展過程中需要考慮的熱點(diǎn)話題，LED路燈具有保證光照效率、節(jié)約能源、無污染等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為城市路燈的照明方式。為了進(jìn)一步提升LED路燈的節(jié)能效果，人們開始采用智能控制技術(shù)進(jìn)行適時(shí)操控，本文則分析了LED路燈智能控制技術(shù)的模式及其未來的應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]LED路燈；道路照明；智能控制技術(shù)；應(yīng)用前景

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.18.079

[中圖分類號]TU113.666；TP273.5 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1673-0194（2018）18-0-03

道路照明對行人、行車司機(jī)的安全均起著重要的作用，相關(guān)資料顯示我國路燈耗電總量占總電量的6%，因此道路照明系統(tǒng)節(jié)能具有非常大的潛力。近年來，隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，節(jié)能、環(huán)保的LED路燈照明系統(tǒng)逐漸引起人們的關(guān)注，而隨著智能控制技術(shù)的應(yīng)用給LED路燈照明系統(tǒng)節(jié)能帶來了全新的改革優(yōu)化，而未來LED路燈在節(jié)能環(huán)保方面還應(yīng)該向網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化的方向發(fā)展。

1 道路照明和節(jié)能的關(guān)系

城市道路照明與節(jié)能是一個(gè)整體，隨著社會(huì)的發(fā)展以及生態(tài)城市加速建設(shè)，照明設(shè)施的管理難度不斷提高，早期的道路照明管理方式開始與現(xiàn)階段的管理要求脫節(jié)，為了滿足節(jié)約能源和實(shí)現(xiàn)道路照明的人性化要求，催生出道路照明的無線監(jiān)控管理系統(tǒng)。

國家發(fā)改委、建設(shè)部在2004年頒發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)城市照明管理促進(jìn)節(jié)約用電工作的意見》，是我國城市照明工作的首個(gè)規(guī)范性文件，隨后在“十一五”期間，城市道路照明節(jié)能被列為重點(diǎn)節(jié)能工程。目前，綠色照明設(shè)計(jì)是城市照明設(shè)計(jì)中的核心內(nèi)容，即在滿足照明質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡量節(jié)約用電量以期獲得環(huán)保的效果。2009年，國家科技部開始在大中城市試點(diǎn)推行LED路燈，廣東省政府成為試點(diǎn)的重點(diǎn)，目前該省的LED路燈照明系統(tǒng)已經(jīng)更新至第3代光源，大幅縮減了電力資源的耗費(fèi)情況。

2 LED路燈的優(yōu)缺點(diǎn)

與傳統(tǒng)光源相比，LED路燈具有確保光照效率、節(jié)約能源、使用壽命長、維護(hù)成本低和無毒無污染等優(yōu)點(diǎn)，但也有諸多缺點(diǎn)，總體而言，合理設(shè)計(jì)和智能控制系統(tǒng)的能夠揚(yáng)長避短。LED路燈優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1。

3 LED路燈照明智能控制技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、測控技術(shù)和無線通信技術(shù)的應(yīng)用，城市照明無線監(jiān)控管理系統(tǒng)的技術(shù)壁壘逐一被攻破。在進(jìn)入新世紀(jì)之后，城市道路照明技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為集照明控制、照明設(shè)施管理、后期維修為一體的綜合性城市照明無線監(jiān)控管理系統(tǒng)。目前，較為常用的智能控制管理技術(shù)有電力線載波技術(shù)（PLC）、ZigBee技術(shù)等。

3.1 PLC技術(shù)

PLC技術(shù)是使用電力線載波完成信息傳輸?shù)囊环N通信方式，使用該種技術(shù)在電力線上加載各種信號，利用電力線載波的物理特性進(jìn)行信號傳輸，使用電力線調(diào)制解調(diào)器將不同信號進(jìn)行分離處理，再將不同信號傳送到相應(yīng)的設(shè)備中。PLC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是無須再次架設(shè)路燈照明網(wǎng)絡(luò)，只要之前鋪設(shè)的電線能夠正常運(yùn)行便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

電力載波LED路燈智能控制系統(tǒng)由主站控制中心、基站控制器、路燈控制器以及完成路燈網(wǎng)絡(luò)和基站控制器間通訊過程的協(xié)議軟件4個(gè)部分組成。圖1是目前較為常用的以PLC為基礎(chǔ)的LED智能控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是結(jié)合了碼分多址（CDMA）和PLC方案。

3.2 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)與PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，但是該種系統(tǒng)的特點(diǎn)是自組織網(wǎng)，因此只要ZigBee子網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍之中，那么彼此通過自動(dòng)搜尋便可重新建立一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。該控制系統(tǒng)是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的連通來進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，所以該控制系統(tǒng)由ZigBee子網(wǎng)、監(jiān)控中心以及GPRS、CDMA網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)3個(gè)部分組成。見圖2。

ZigBee是低功耗、短距離的無線通信技術(shù)，而GPRS是遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)，因此兩種通信技術(shù)相互結(jié)合、相互補(bǔ)充，不僅能夠拓寬控制范圍，還能夠讓整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)更加智能化和精確化。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由65 000個(gè)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的網(wǎng)絡(luò)平臺，在該平臺中每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊都可以進(jìn)行相互通信，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距標(biāo)準(zhǔn)為75 m，但是可依據(jù)需求進(jìn)行無限擴(kuò)展。在現(xiàn)代路燈照明控制系統(tǒng)中使用ZigBee技術(shù)，可以將所需要控制的子網(wǎng)絡(luò)借助GPRS網(wǎng)關(guān)連成一個(gè)大型路燈網(wǎng)絡(luò)，而處于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任何一個(gè)路燈均可以實(shí)行無線控制。

3.3 數(shù)字可尋址照明接口（DALI）技術(shù)

DALI協(xié)議技術(shù)是專門用于照明控制的協(xié)議，但是其也可以作為獨(dú)立的系統(tǒng)控制路燈照明。基于DALI協(xié)議的智能照明控制系統(tǒng)是由系統(tǒng)主機(jī)、從機(jī)、智能終端、協(xié)調(diào)器和傳感器階段所組成的分布式控制體系。其中，系統(tǒng)主機(jī)為控制接收來自總線的數(shù)據(jù)信號；從機(jī)則為執(zhí)行器，接收和解析信號指令，對燈具進(jìn)行控制；傳感器是輸入設(shè)備，主要職能是采集環(huán)境變量，終端功能模塊詳見圖3。

圖3 DALI協(xié)議智能控制終端功能模塊圖

DALI系統(tǒng)具有開放性的特點(diǎn)，因此可以更方便和Lonworks、Luxmate等建筑物管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫連接，通過使用數(shù)字控制技術(shù)，借助DALI協(xié)議所形成的可尋址數(shù)字控制體系，在LED路燈照明控制中應(yīng)用造價(jià)低廉、安裝方便、能夠?qū)崿F(xiàn)主從控制系統(tǒng)的靈活級聯(lián)。該系統(tǒng)非常適用于辦公區(qū)、住宅等建筑物的智能照明控制，但卻在路燈照明控制方面有明顯的缺陷，相信隨著技術(shù)壁壘的突破，DALI協(xié)議能夠應(yīng)用于道路LED照明控制系統(tǒng)中。

4 LED道路照明智能控制系統(tǒng)實(shí)例

4.1 項(xiàng)目概況

某市科技園區(qū)LED路燈試驗(yàn)段，共34盞LED路燈，分布于兩條街道，A街道17盞，B街道17盞。

4.2 控制方案

該實(shí)驗(yàn)段所有LED路燈均使用智能控制系統(tǒng)，控制方案包括以下3個(gè)方面。①定時(shí)開關(guān)控制。預(yù)設(shè)為早上6∶00關(guān)燈，晚間19∶00開燈。智能控制系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程集中調(diào)整開關(guān)燈時(shí)間，可以根據(jù)四季日照時(shí)間等設(shè)定開關(guān)燈時(shí)間。②間隔開關(guān)設(shè)置。A街道路燈擬使用分時(shí)段間隔開關(guān)設(shè)置實(shí)現(xiàn)節(jié)能，即在每日凌晨12∶00間隔開燈。③智能調(diào)光控制。B街道的LED路燈采用分時(shí)段調(diào)光控制方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能，即每日凌晨12∶00—3∶00亮度調(diào)整為50%，3∶00—6∶00亮度調(diào)整為70%。

4.3 節(jié)能效果

結(jié)果顯示，A街道采用間隔開關(guān)控制，雖然綜合節(jié)能率可以達(dá)到25%，但是在犧牲照明效果和質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)的，間隔照明容易給行人以及行車司機(jī)造成視覺盲區(qū)，容易引發(fā)危險(xiǎn)。而B街道的智能調(diào)光控制系統(tǒng)雖然綜合節(jié)電率為20%，但是在夜間19∶00—次日6∶00均保持照明設(shè)施的正常運(yùn)行，而3個(gè)時(shí)段的燈光亮度調(diào)整也是經(jīng)色溫測試、人眼視覺測試后得到的最佳處理方式，確保了行人和行車司機(jī)的安全。

智能調(diào)光控制系統(tǒng)由主站服務(wù)器、集中控制器和單個(gè)燈具的控制器組成，采用PLC智能控制系統(tǒng)。目前，試驗(yàn)段投入使用了8個(gè)月，PLC控制系統(tǒng)完全正常，無線通信設(shè)備、控制功能正常運(yùn)行，未出現(xiàn)系統(tǒng)誤報(bào)或者無故報(bào)警情況。

5 城市道路照明智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景

隨著智慧城市以及物聯(lián)網(wǎng)等概念的提出，未來道路照明控制技術(shù)將會(huì)整合電子、控制和通信3方面的全新技術(shù)更好地服務(wù)民眾。目前，隨著智能技術(shù)的發(fā)展，道路照明控制系統(tǒng)已經(jīng)打破了以往的觀念，未來將會(huì)向智能化、規(guī)范化和網(wǎng)絡(luò)化的方向進(jìn)一步延伸。

5.1 智能化

照明控制技術(shù)由以往控制開關(guān)的機(jī)械化，發(fā)展至現(xiàn)在的自動(dòng)化，而隨著智慧城市、智能城市概念的提出，智能化道路照明控制系統(tǒng)將是未來的發(fā)展趨勢。智能化照明系統(tǒng)及借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和微電子技術(shù)等，完成可以用于需求、環(huán)境變化以及客觀要求進(jìn)行照明設(shè)置的最佳調(diào)控。在智能照明控制系統(tǒng)不斷完善的過程中，控制系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)量也在逐漸增加，因此整個(gè)控制系統(tǒng)必須滿足擴(kuò)展性的基本需求，能夠容納更多的新模塊和新設(shè)備。目前，北京市、上海市、深圳市等城市已經(jīng)率先在道路照明控制智能化方面進(jìn)行改革嘗試，其所設(shè)計(jì)的道路智能控制系統(tǒng)不僅具備變頻控制、功率控制、調(diào)光功能，還具有地理信息功能、氣象聯(lián)動(dòng)、工況檢測、故障自動(dòng)反饋功能和系統(tǒng)自動(dòng)升級維護(hù)功能等。由此可見，智能控制系統(tǒng)可以讓道路照明更加智能化和人性化。

5.2 規(guī)范化

照明控制系統(tǒng)中所使用的設(shè)備非常多，因此不可能單由某一個(gè)供貨商完成供貨，但是各個(gè)廠家的產(chǎn)品之間兼容性較差會(huì)影響后續(xù)使用，所以規(guī)范化是實(shí)現(xiàn)道路照明智能控制的發(fā)展趨勢。政府需要牽頭統(tǒng)一規(guī)范道路照明設(shè)備廠家使用的端口和協(xié)議，讓不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備能夠互通，加強(qiáng)企業(yè)間的合作，減少不必要的浪費(fèi)。

5.3 網(wǎng)絡(luò)化

智能控制系統(tǒng)與通信介質(zhì)緊密相連，目前最常用的通信介質(zhì)有GPRS、CDMA、PLC、光纖通信和現(xiàn)場總線等，但是各通信介質(zhì)又有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，因此集成各介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)建暢通的通信網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)成為發(fā)展趨勢。物聯(lián)網(wǎng)是一種將感知技術(shù)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)集合在一起的全新概念，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及了信息技術(shù)的各個(gè)方面，所以被人們稱為第3次信息技術(shù)革命。未來的道路智能控制系統(tǒng)將會(huì)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，讓控制構(gòu)架更加方便，安全性更高，使用壽命更長，兼容性更好，更加方便管理和維修。

6 結(jié) 語

道路照明控制技術(shù)的發(fā)展是城市發(fā)展的基本需求，也是建設(shè)現(xiàn)代文明城市的需要，LED照明技術(shù)則是目前最節(jié)能的新光源。采用智能控制系統(tǒng)可以大幅提升節(jié)電效率，而隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，未來可以更好地應(yīng)對能源危機(jī)問題。

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