一種新型智慧照明控制器設計

吳俊

摘要：多功能智慧桿作為“新基建”的一部分承載了各類智慧城市應用，智慧照明是其最基礎的功能，也是全面推廣的重要支撐。智慧照明控制器的設計使用和推廣，可以有效的實現路燈節能、降本增效，更能推動路燈供電方式的改變，促進智慧城市各類應用依托多功能智慧桿進行落地。本文對控制器進行設計打樣測試，旨在推動物聯網等新技術在傳統行業的應用。

關鍵詞：路燈;智慧照明;控制器;PCB

一應用背景

隨著5G作為國家戰略加速落地、智慧城市快速發展、城市道路空間治理不斷升級，“多功能智慧桿”作為新一代信息基礎設施重要程度被推上了一個新高度。多功能智慧桿作為智慧城市各類應用的載體，涵蓋了智慧照明、智慧安防、智慧環保、智慧交通、智慧市政、便民生活、智慧城管、無線城市等多種行業應用，必須要有穩定的供電保障，才能支撐各類智慧應用的正常工作[1]。

基于以上需求，智慧照明是路燈智慧化的基礎，是多功能智慧桿作為“新基建”的基本要求，需要有功能穩定的單燈控制器來實現智慧照明的提升。因此，本文研究一種無線通信的智慧照明控制器，通過物聯網技術實現路燈控制智能化，實現對每盞路燈的實時開關、精準監控，以滿足路燈線路24小時供電要求;并可以通過0-10V、PWM等調光接口使路燈降功率運行，實現道路照明的二次節能。

二需求分析

參照《城市道路照明設計標準（CJJ45-2006）》、《城市道路照明工程施工及驗收規程（CJJ89-2012）》、《城市照明自動控制系統技術規范（CJJ/T227-2014）》、《B/T34923.4-2017路燈控制管理系統第4部分：路燈控制器技術規范》，根據路燈控制以及日常維護的需求，本文研究的智慧照明控制器應滿足基本功能設計如下：

1、實時數據監測功能。實現對每盞路燈的功率、電流、電壓、功率因數、漏電流、漏電壓、運行時間的實時數據監測。

2、通信功能。采用公共網絡的通信方式，具備自動入網功能，根據測試需求，選用移動4G網絡進行通信。

3、控制功能。具備設備內部參數設置、自動手動運行模式切換的功能;具備時鐘功能，可實現經緯度開關時間、臨時開關燈時間、單燈遙控策略等;具備準確的開關燈控制功能;具備精確0-100分度可調光控制功能;具備遠程升級功能。

4、報警功能。具有根據設定的報警條件主動向系統平臺報警功能。路燈設施故障如下主動報警：“燈具故障”、“漏電故障”、“電容故障”、“保險絲故障”、“繼電器故障”、“電流過大報警”、“功率過大報警”、“功率過小報警”。[3，4]

三控制器設計

構建統一的智慧照明管理平臺，通過無線通信方式，把相應檢測數據、控制數據傳送至管理平臺。關于物聯網平臺的搭建，應遵循相應統一規則，制定通信協議，不在本文中討論。

基于以上規范標準及實際使用的需求分析，按照主控模塊、通信模塊、計量模塊、控制模塊、電源模塊五部分來設計智慧照明控制器（如圖1）[5，6]。智慧照明控制器通過主控模塊來協調通信模塊和計量模塊，實現電流、電壓等多種數據的采集和存儲，并根據嵌入式程序的設定，指揮控制模塊工作，輸出指令實現燈具的開關、調光等控制[7]。

四PCB設計及打樣

基于以上電路原理圖，進行印制電路板的設計，進行仿真測試。考慮到燈桿內安裝空間的實際情況和設備可靠性性，本次采用兩層板的設計思路，上層板為控制板，為主控模塊和通信模塊;下層板為電源板，為電力計量模塊和燈具控制模塊，實現了強電和弱電電路的物理隔離[8]。（如圖2）結合實際設備情況，本次在強弱電的分布、隔離和爬電距離的控制;電力計量部分走線方式的特殊性兩部分做了專項設計。

首先是強弱電的分布，設備從220V交流電的導入，在板上進行功能分離，一是作為基礎供電在進行交直流轉換后按照各功能芯片和模組的要求，再進行二級電源的轉換（轉換后的直流弱電主要位于控制板，不和電源板

設計在一起）;二是作為燈具控制的主負載來源，通過繼電器又直接輸出至負載接口。在PCB設計時，嚴格的進行強弱電分區，交流部分的兩相電接近的部分，必須采用物理隔離方式即板載割據電氣縫隙來阻斷。

其次是電力計量部分走線的特殊性。為了較準確的進行采集測量和保護測量電路，電壓通道電阻分壓網絡，應呈階梯式分布，逐漸降壓（從輸入端強壓直至計量芯片的取樣電壓），應注意電阻與電阻之間的爬電距離，同時電流采樣電阻的地線必須和其它地線分開走線，減少其它信號對采樣信號的干擾。另外，電流信號線和電壓信號線走線不要交叉，盡量采用平行走線的方式，以保證電流采集和電壓采集的獨立性和準確性。

五結語

本次設計的新型智慧照明控制器，采用無線通訊、控制策略及傳感技術等，將城市中的路燈串聯起來，形成物聯網：

1）對單盞路燈的遠程控制與管理，設置多種策略，實現自動調節亮度、主動故障報警等功能。

2）有效控制能源消耗，形成二次節能措施，大幅節省電力資源;提升公共照明管理水平，管控精準，推動路燈“巡修”向“定修”的轉變，降低維護和管理成本。

3）利用邊緣計算等信息處理技術對運營狀況進行有效集中的智能處理，讓路燈從“亮不亮”到“好不好”的判定進行提升，有的放矢的針對城市照明系統中的弱點進行改造。

4）有效的通過控制技術，實現路燈電網的24小時供電，為智慧路燈加載各類應用的供電提供保障，有效的推進智慧城市各類應用基于路燈的部署和落地。

參考文獻：

[1]肖輝.智慧燈桿研究與應用進展.照明工程學報.2019，30（04）

[2]樊月波.智能互聯系統在城市道路照明管理中的應用.光源與照明.2020，（01）

[3]閆培平.智慧城市路燈遠程管控系統關鍵技術的研究及實現.西安理工大學.2019

[4]王廣寧.智慧路燈控制模塊研發及其應用.中國科學院大學.2020

[5]莫夫李超余亮聶軍.基于物聯網的小區智能照明管理系統設計與實現.計算機測量與控制.2016，24（05）

[6]毛游琴.城市智能照明單燈節能控制系統的設計與應用.光源與照明.2020，（03）

[7]王蓓彭吉瓊鄧國印.基于NB-IoT的智慧照明系統設計.現代信息科技.2019，3（19）

[8]儲昭兵劉凱凱.基于NB-IoT技術的照明監控系統.信息技術與網絡安全.2019，38（08）