盧林

摘 要：現(xiàn)代城市發(fā)展迅速，城市公共照明也隨之獲得了長足發(fā)展，然而城市路燈的優(yōu)化控制還存在諸多問題。本文在闡明城市智能路燈控制系統(tǒng)研究意義的基礎(chǔ)上，就城市公共照明現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并針對現(xiàn)狀提出了相應(yīng)的解決辦法，同時(shí)對智能照明控制系統(tǒng)的功能及技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了論述。最后對系統(tǒng)的實(shí)施效果進(jìn)行了表述。

關(guān)鍵詞：城市照明；遠(yuǎn)程控制；無線通信；模塊化；節(jié)能減排

隨著我國城市化步伐的加快，城市經(jīng)濟(jì)和規(guī)模的發(fā)展，各種類型的道路越來越長，機(jī)動車數(shù)量迅速增加，夜間交通流量也越來越大，道路照明質(zhì)量直接影響交通安全和城市發(fā)展，城市照明[1]建設(shè)作為體現(xiàn)城市形象的作用日益受到重視，如何提高道路照明質(zhì)量、降低能耗、實(shí)現(xiàn)綠色照明已成為城市照明的關(guān)鍵問題。

1 智能路燈控制系統(tǒng)建設(shè)的必要性

城市照明越來越受到重視，得到了迅猛發(fā)展，路燈、景觀燈規(guī)模越來越大，要求越來越高，從而給規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理和維護(hù)中帶來了一系列問題。在我國，大部分城市特別是中小城市的路燈系統(tǒng)自動化管理水平還不是很高，仍采用早期的鐘控、光控或人工控制技術(shù)，系統(tǒng)可靠性低，特別是當(dāng)季節(jié)、氣候變化時(shí)不能及時(shí)改變開關(guān)燈的時(shí)間，當(dāng)有些路燈壞掉或是燈桿出現(xiàn)傾斜時(shí)也不容易及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

除此之外，傳統(tǒng)路燈多采用電力載波的有線傳輸方式，成本較高，線路復(fù)雜，當(dāng)線路檢修時(shí)，就不能再傳輸數(shù)據(jù)。同時(shí)電力載波信號不容易控制，只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送，且隨著傳輸距離的增加，信號衰減比較嚴(yán)重。

為了應(yīng)對更高的節(jié)能要求，提高城市形象和管理水平，以及針對傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)存在的弊端，必須進(jìn)行高效精確的智能路燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)集無線通訊技術(shù)、自動化控制技術(shù)、監(jiān)控組網(wǎng)于一體，有效實(shí)現(xiàn)路燈控制的靈活性、實(shí)時(shí)性、可靠性。

2 城市照明控制現(xiàn)狀

目前國內(nèi)應(yīng)用的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)歸納起來，這些系統(tǒng)存在的問題主要在于一下幾方面。

精度不高：大多只能整體控制路燈的開與閉，最多到回路，精度不高，還遠(yuǎn)未達(dá)到單燈監(jiān)控的水平，更不能體現(xiàn)智能化。

不能適應(yīng)節(jié)能及監(jiān)控新光源要求：近年來，能源問題日趨緊張，國家大力宣傳在城市照明行業(yè)發(fā)展節(jié)能新技術(shù)，采用節(jié)能新光源，倡導(dǎo)“綠色照明”新觀念。為順應(yīng)國家能源戰(zhàn)略的總體要求，各種路燈節(jié)能設(shè)備在城市照明行業(yè)得到普遍應(yīng)用，但目前采用的節(jié)能器，大多設(shè)臵在控制箱端，體積龐大，控制線路長、設(shè)備多，因而節(jié)能效果也受到一定限制。

盜失嚴(yán)重，管理乏術(shù)：隨著城市建設(shè)規(guī)模的迅速擴(kuò)展，市政公用設(shè)施的管理已成為一個(gè)老大難問題。僅在如何防止盜失方面，各地方各行業(yè)就此想了很多辦法，比如加固設(shè)施，派專人巡查，加大處罰力度，甚至組建機(jī)構(gòu)、招募人員，可以說不遺余力，想盡了方法。但公用設(shè)施被盜事件仍層出不窮，防范效果并不顯著。原因主要是監(jiān)控周期長，監(jiān)控范圍大而目標(biāo)分散，單純依靠人力畢竟不是科學(xué)和長久之計(jì)。

3 智能路燈控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)主要包括終端控制管理和遠(yuǎn)程管理。

終端控制部分包括主控管理、電源管理、參數(shù)采集、無線通信、存儲管理、延時(shí)斷電、時(shí)鐘管理、控制器以及程序管理。

遠(yuǎn)程管理部分包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、路燈狀態(tài)控制、時(shí)間表設(shè)置、報(bào)警管理、防盜管理、數(shù)據(jù)顯示管理、時(shí)間同步管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、無線通信、數(shù)據(jù)查詢以及報(bào)表打印功能。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要分為三大部分：監(jiān)控中心，集中控制器，終端控制器。

每一個(gè)單燈控制器，成為系統(tǒng)的一個(gè)監(jiān)控終端；多盞路燈的數(shù)據(jù)控制信息匯聚到一個(gè)集中控制器上，并通過集中控制器上傳到監(jiān)控中心。集中控制器以及每個(gè)控制終端都可以通過組網(wǎng)具有優(yōu)勢的Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在集中控制器中，有且只有一個(gè)擔(dān)任主協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)收發(fā)其他集中控制的數(shù)據(jù)信息。主協(xié)調(diào)器與監(jiān)控中心主機(jī)通過網(wǎng)口或串口進(jìn)行有線連接。監(jiān)控中心可以通過任何可以上網(wǎng)的設(shè)備，通過瀏覽器查看連接到監(jiān)控中心的軟件界面來實(shí)現(xiàn)路燈點(diǎn)對點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2.2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

⑴終端控制器設(shè)計(jì)。每一個(gè)終端控制器，都集成了多種監(jiān)控功能，主要負(fù)責(zé)路燈的多個(gè)參數(shù)同時(shí)監(jiān)測和處理，同樣采用模塊化結(jié)構(gòu)[3]，包括電源模塊、電能采集模塊、時(shí)鐘模塊、存儲模塊、延時(shí)斷電模塊、報(bào)警模塊、無線通信模塊和控制和反饋單元。

電源模塊：將220V交流電經(jīng)過整流之后給主控模塊和無線通信模塊提供兩者正常運(yùn)行所需要的直流穩(wěn)壓電源。

電能采集模塊主要負(fù)責(zé)采集路燈的電流電壓等數(shù)據(jù)，通過內(nèi)嵌精密的數(shù)據(jù)處理算法，計(jì)算出電能及功率因數(shù)，為工作人員對路燈的耗電等情況提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

無線通信模塊采用Zigbee通信技術(shù)，成本和功耗低，無需布線，可以在不改變原有路燈控制系統(tǒng)布線的基礎(chǔ)上進(jìn)行方便安裝，便于調(diào)整，并且能夠?qū)崿F(xiàn)終端控制器之間自動組網(wǎng)進(jìn)行通信，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)某個(gè)終端控制器損壞時(shí)，控制器能夠快速識別距離自己最近的通信節(jié)點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)自動傳送出去，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

存儲模塊：采用E?PROM存儲，用于存儲各路路燈的地址。

延時(shí)斷電模塊：為了防止在系統(tǒng)突然斷電的情況下數(shù)據(jù)丟失的情況，在控制器中設(shè)計(jì)有超級電容，用于對控制器的斷電起到延時(shí)作用，方便控制器及時(shí)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

時(shí)鐘模塊：系統(tǒng)采用高精度、低功耗、高性能的時(shí)鐘芯片，從而為整個(gè)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)間。

報(bào)警模塊：采用蜂鳴器，主要用于在路燈出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)進(jìn)行報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)并解決問題的目的。

控制器的控制和反饋單元采用可控硅，實(shí)現(xiàn)對路燈的開關(guān)控制，為了避免控制器受強(qiáng)電流等的影響而損害，系統(tǒng)在核心控制芯片和可控硅之間采用光耦隔離，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)核心控制器的作用。

系統(tǒng)主要組成結(jié)構(gòu)如下圖所示：

⑵集中控制器設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的集中控制器主要采用Zigbee無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中包括兩個(gè)部分，一部分是和終端控制器經(jīng)串口連接的Zigbee子節(jié)點(diǎn)，另一部分是和監(jiān)控中心的服務(wù)器相連的Zigbee模塊，擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)的主協(xié)調(diào)器。

Zigbee的從節(jié)點(diǎn)都設(shè)計(jì)成帶有PA（PowerApmlifier功率放大器）的功能，從而使傳輸距離達(dá)到300米左右，增大數(shù)據(jù)傳輸距離，結(jié)合Zigbee的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率以及傳輸距離的技術(shù)問題，一般200-300左右盞燈通過安裝一個(gè)集中控制器的Zigbee從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一控制。且每個(gè)控制器均設(shè)有一個(gè)唯一的識別地址，方便系統(tǒng)的通信和定位。

擔(dān)任協(xié)調(diào)器的Zigbee模塊與監(jiān)控中心的服務(wù)器主機(jī)通過串口相連接，每個(gè)系統(tǒng)有且只有一個(gè)協(xié)調(diào)器。同樣設(shè)計(jì)成帶有有PA（PowerApmlifier功率放大器）的功能，從而增大數(shù)據(jù)傳輸距離。其主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的通信功能，是整個(gè)系統(tǒng)的通信樞紐，主要功能為：接收服務(wù)器下發(fā)控制命令，上報(bào)服務(wù)器所要查詢的數(shù)據(jù)；可實(shí)現(xiàn)本地或者遠(yuǎn)程的查詢與配置；同時(shí)可實(shí)現(xiàn)策略的查詢、修改。

⑶監(jiān)控中心設(shè)計(jì)。監(jiān)控中心安裝和配置卓朗公司自主研發(fā)的智能路燈控制系統(tǒng)軟件，軟件設(shè)計(jì)是在Windows操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合SQL server數(shù)據(jù)庫，采用B/S架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，具有可視化、便于操作和掌握的人性化監(jiān)控界面。每個(gè)監(jiān)控中心都有唯一設(shè)定的地址編號，各個(gè)地址編號的路燈的電壓、電流、電能、功率因數(shù)、位置信息等數(shù)據(jù)都可以實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控中心的大屏幕上，一旦某盞路燈出現(xiàn)損壞等情況時(shí)，將會在界面上發(fā)生聲光報(bào)警，方便工作人員及時(shí)查詢。

4 系統(tǒng)使用及效果

系統(tǒng)具有低功耗、低成本、斷電延時(shí)、高穩(wěn)定性、易擴(kuò)展等特點(diǎn)，其應(yīng)用Zigbee自組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)容量大的特點(diǎn)，可以應(yīng)用在多種場合和環(huán)境，包括：需要監(jiān)控的網(wǎng)點(diǎn)多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況；低成本、低功耗的要求的情況；地形復(fù)雜，不便于布線的環(huán)境；無線傳輸?shù)陌踩约翱煽啃砸蟾叩那闆r。

[參考文獻(xiàn)]

[1]中國建筑科學(xué)研究院.《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》.

[2]瞿雷《ZigBee技術(shù)及應(yīng)用》北航出版社.

[3]薩梅克（美國），譯者：敬萬鈞，陳麗蓉.《嵌入式系統(tǒng)的微模塊化程序設(shè)計(jì)：實(shí)用狀態(tài)圖C/C++實(shí)現(xiàn)》.北京航空航天大學(xué)出版社.