基于物聯網技術的城市路燈智能控制系統設計

佘晨沐

（四川省交通勘察設計研究院有限公司 四川 成都 610017）

0 引言

城市照明是城市發展所必備的基礎設施之一，也是改善和提升城市品質的重要保證。隨著路燈數量的不斷增長，電量消耗量持續增大，路燈管控難度也隨之增大，統計資料顯示，當前電能資源的生產總量已經無法應對日益增長的電能消耗[1]，為此必須積極引入物聯網技術進行城市路燈智能控制系統設計，有效解決路燈管控混亂、電能無謂消耗等問題。

1 智能路燈控制系統整體架構

傳統的路燈控制系統主要包括兩級：一是通過變壓器將高壓電線接進配電柜；二是通過時空控制開關實現路燈控制[2]。與這種傳統的控制系統相比，城市路燈智能控制系統擴展為3個層次。

一是基于上位機的控制軟件（LMS），該層次是系統控制終端，可通過其不同的功能模塊對城市路燈系統展開策略控制。此外，還能依據具體的開發思路，進行其他功能的添加，例如根據路燈服役及各部位損耗情況添加物料管理功能模塊，從而將城市路燈納入城市固定資產系統，為其運行提供智能控制。二是安裝在配電柜內、發揮承上啟下作用的數據集中器，該集中器主要通過GPRS等無線網絡與上位機控制軟件系統通信，既能滿足上層軟件在運行數據方面的需要，又能將處理后的數據實時反饋至上層軟件。數據集中器同時還通過電力載波信號對其下級控制實體——單燈控制器實施控制，即進行運行數據的收集、控制命令的下發以及路燈開關和調光控制。在該城市路燈智能控制系統中，主要采用的是美國i.LON數據集中器。三是作為城市路燈智能控制系統神經末梢的單燈控制器（SLC），通過該系統進行路燈控制，并通過電力載波將相關運行數據向數據集中器實時反饋。單燈控制器所用MCU體現著全球唯一標識碼，也是單燈個體特征識別的憑證[3]。

本文所提出的城市路燈智能控制系統的基本架構具體見圖1。

1.1 數據集中器

i.LON智能服務器主要起到輔助業務實現的作用，借助該服務器能夠實現對照明系統電子設備的監控及管理，i.LON智能服務器在舊網絡改造及新網絡建造方面均能發揮能源節省作用，其主要憑借強大的功能、堅實的結構和極大的靈活性實現設備管理。對于Web頁面、Web Service等應用程序均能借助模擬解調器、以太網、外部GPRS調制解調器等實現對電子設備的監管。各電子設備借助i.LON智能服務器的通用連通性實現服務器和設備的連接，并借助Internet網絡或企業IP網絡高效利用設備數據，通過內置的數據記錄、事件調度、報警等應用程序提升監控管理效果。在本文所設計的城市路燈智能控制系統中，充分發揮了i.LON智能服務器對電力載波通信的支持和應用功能，i.LON智能服務器是整個系統的核心[4]。

1.2 電力載波

電力載波通信（Power Line Carrier，PLC）主要利用電壓在35 kV以上的高壓電力線、電力10 kV左右的中壓電力線及電壓為220/380 V的低壓電力線進行媒介傳輸，以實現對語音等數據信號的通信傳輸。該通信方式被國外發達國家譽為尚未被充分開發的金礦，隨著近年來高壓電力載波技術突破單片機束縛[5]，向數字化方向的不斷邁進，這一技術日漸成為熱門專業技術。此外，社會各行各業對中低壓電力載波通信技術的開發與應用不斷推動著這一技術的發展。

1.3 LonWorks技術

該技術于20世紀90年代由美國Echelon公司提出后便在通信系統中得到廣泛應用，這一技術徹底打破了封閉化的常規性控制模式，能通過基于LonTalk協議的自由拓撲結構將傳感器、斷路器、執行元件等一次元件控制單元連接成開放性的測控網絡。LonWorks網絡屬于單層分布的點對點雙向通信網絡，其主要由傳感器總線、現場總線和設備總線等層次構成。LonWorks具備互操作功能，能為用戶提供自由應用空間，但是在應用該技術的過程中并不僅限于這一功能，這就導致開發商在LonWorks互操作協議組建過程中，必須應用標準化文件進行各執行細節的規定。

正是基于該技術的互操作功能，LonWorks技術應用領域逐漸從工業自動化轉向智能建造，并因為其所具備的互操作性、高可靠性、開放性、無中心檢測等技術優勢，該技術必將成為智能建筑方面的主流技術。LonWorks技術開發平臺完整，主要由硬件部分、神經元芯片、LonTalk通信協議等部分組成。該技術應用于智能建筑后以節點為基本單元，以控制模塊為網絡節點，并通過一根總線將全部監控模塊連接，各監控模塊又同時劃分成電源、I/O監控電路、通信收發器、神經元芯片等若干部分，通過監控模塊主要進行數據處理、智能建筑運行的調節控制。考慮到監控模塊和被監控模塊之間的距離往往不長，所以其線路結構較為簡單，布線少，能夠以子系統形式分布，使系統可靠性大大提升。此外，LonWorks技術還為智能控制系統的升級提供了多條路徑，只需在總線結構上添加節點便能增設控制設備。

2 硬件設計

2.1 單燈控制器設計

單燈控制器作為城市路燈智能控制系統的神經末梢，主要具備兩個功能：監視路燈實際運行情況；將數據集中器所采集到的電壓、電流、運行時間、功率等單燈實時運行數據及時返回。單燈控制器單元主要涉及以下功能模塊：（1）SIP卡模塊，即通過該模塊進行電力載波信號的解析及單燈運行數據的編碼與解碼，并接收和發送數據。SLC中所用的單片機芯片中包含的全球唯一編碼為12位，在城市路燈智能控制系統中，該編碼是單燈控制器的主要標識。（2）物聯網模塊，為增強該模塊的抗干擾性和穩定性，物聯網模塊利用ESP-826612S主芯片，物聯網模塊聯網控制主要通過物聯網與串口間的通信以及和STM32單片機系統結合實現。將該模塊初始化后通過路由器接入外網，系統端便顯示設備已上線，通過系統發出指令后便引發該模塊引腳電平的相應變化，單片機據此做出遠程控制城市路燈的決策。考慮到ESP-826612S主芯片和單片機串口的連接方式，ESP-826612S主芯片和單片機P14引腳、GPIO14引腳相連，向系統發送指令后主芯片對應的GPIO14引腳電平將發生變化，實現對城市路燈運行系統的智能控制。（3）開關電源模塊，要求該模塊必須釋放穩定的直流電，向SIP卡模塊供電。（4）測量模塊，即通過采樣電路進行有用數據收集，并通過電力載波信號將數據實時反饋至數據集中器。

2.2 三相耦合器設計

就目前技術來看，城市路燈供電一般通過高壓電線→變壓器→配電柜的方式，由配電柜引出三相電。對于現場使用的數據集中器i.LON而言，電力載波信號無法繞過變壓器實現傳輸，故數據集中器硬件設計方面必須考慮如何對三相電電力載波信號進行收集。i.LON屬于具備很強通用性的數據集中器，所提供的外部I/O較多。根據i.LON接口設置可以看出，數據集中器i.LON主要包括兩個I/O外部接口，用于數據集中器收集電力載波信號：一是電源接口（hight-Voltage），二是三相耦合接口（Lon/Works）。其中，電源接口是主要的供電通道，同時將供電相電力載波信號向i.LON反饋；三相耦合接口則收集另外兩相電力載波信號。按照三相濾波器的連接方式，三相濾波器屬于實驗環境下的隔離電路，可有效避免其余電力信號對電力載波信號的干擾。三相濾波器連接方式見圖2。

2.3 信號隔離器設計

電力載波信號應用于城市路燈智能控制系統設計過程中所面臨的主要難題在于如何降低、屏蔽電力線干擾信號。信號隔離器是基于實際應用而產生的設計形式，其電路設計較為簡單，主要作用在于將非必要電力信號屏蔽于主干線以外。城市路燈在設計時一般遵循就近取電原則，所以對于現實的街道而言，一個電路上可能外接公交指示燈、燈箱、廣告牌等數個設備，外接電路往往缺乏規范性，且設備加電后很容易出現各種形式的噪聲干擾，導致燈頭前端所加載的SLC和數據集中器的通信受到很大干擾，使其無法順利接收數據集中器所發出的命令消息，也無法進行單燈控制器有用數據的及時反饋。為此，必須引入信號隔離器并連接于主干線和外接設備之間，以起到有效的抗通信干擾作用。

3 軟件設計

3.1 系統軟件設計

該城市路燈智能控制系統軟件基于Java Web開發設計，其中的Web由Web服務器和Web客戶端兩部分構成。城市路燈智能控制系統軟件設計中引入路燈監控、控制器維護、路燈使用計劃、能耗報表、區域管理、燈源壽命、故障報警、運維管護效果分析、物料服務商管理等控制模塊。系統登錄界面見圖3。基于Web進行系統軟件開發的優勢還在于只要接入Internet網絡，便能遠程登錄，并對系統運行情況實施控制和管理。

主要通過安裝在監控中心計算機上的監控軟件和用戶操作界面實施操作，并管理系統。各數據集中器主要通過無線網絡接入監控中心計算機。通過控制數據集中器的各類指令，實現對城市路燈亮度、調度時間、報警應答等方面的控制和操作，同時對集中器所反饋的包括路燈溫度、亮度、電壓、電流、功率等在內的節點信息實施監視。

以基于Web的C/S架構為軟件監控的用戶操作界面程序，該架構易擴展，操作方便，網絡狀態可通過多個遠程計算機、本地計算機同時監控，還能提供與其余工控標準的通信接口及用戶數據通道。監控人員借助本地計算機監控系統可對所有網絡中的i.LON集中器實施管理，并對其運行狀況及單燈控制器組網的運行狀況實施控制，并結合運行實際，進行受控裝置及目標設備的添加、移除、改動，對i.LON集中器數據實施定期訪問，并通過管理軟件在相應的數據集中器中下載臨時或新增調度程序，升級單燈控制器固件。

3.2 通信模塊設計

數據集中器i.LON功能強大，可為現場用戶提供眾多功能模塊，但是其部分模塊如數據傳輸功能模塊雖然能向現場用戶提供數據回轉功能，但是卻面臨模塊功能開發等方面的難題。FPM允許通過C/C++語言為i.LON提供定制功能的驅動或應用程序，既能有效解決i.LON自身所面臨的難題，又能提供出包括能源優化、數據分析、照明控制等在內的一整套有效的解決方案，還能借助FPM驅動程序從i.LON內部應用程序將數據發送至其I/O口的RS-485或嵌入式網頁。

此模塊最初設計的目的在于數據傳輸，但是隨著開發應用領域的拓展以及i.LON實現此類功能所需數據流量較大等原因，i.LON自身所能實現的功能也逐漸在FPM中得到體現。上層發送的數據由FPM通信控制模塊接收，考慮到數據包中包含數據長度、命令類型等重要信息，可自動為下級處理提供方向和要求；同時還能及時進行內存空間大小的核對與分配，便于對所接收數據進行存儲，并為接下來接收的信息開辟內存空間。

4 系統軟件功能模塊測試

基于物聯網技術的城市路燈智能控制系統軟件功能模塊測試包括正常運行期間的節能減排、異常情況下系統的自動開關、壓力測試等。其中，壓力測試主要針對的是添加進系統的數據集中器數量的確定，每個數據集中器都與上層軟件無線連接，為保證壓力正常，則必須監測上層軟件處理無線連接的個數。到目前為止，這一連接個數上限為500，當連接個數超出500時，必須同時設置2臺服務器系統以進行數據信息的相應處理。

5 結語

綜上所述，智能路燈控制系統是物聯網技術發展的產物之一，該控制系統的設計既能極大簡化路燈控制系統管理，又能達到節能降耗的目的。然而，將物聯網技術引入城市路燈智能控制系統仍屬于較新的領域，無論在技術層面還是實際應用層面，均存在諸多有待解決的問題。在技術層面，城市路燈智能控制系統的數據集中器、SLC通信的實現主要依靠電力載波，LonTalk協議能為數據傳輸和通信提供有力保證，但是電力線上會產生噪聲干擾，尤其對于復雜的路燈連接系統而言，電力線上外接電源設備數量較多，噪聲在主干線路上匯集，引發底層通信中斷的可能性非常大。通過應用信號隔離器隔離各外接電源設備干擾信號解決此類問題的做法仍有待進一步研究。