李偉波，張泳（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300051）

1 前言

近幾年興建的大型功能區(qū)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)等，均提出了物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的概念，即通過各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時采集需要監(jiān)控、連接、互動的設(shè)備終端或各種信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制。

物聯(lián)網(wǎng)概念的提出和建設(shè)，對道路照明控制技術(shù)提出了新的要求：在實(shí)現(xiàn)基本照明功能的基礎(chǔ)上，更多地體現(xiàn)智能、先進(jìn)、互聯(lián)的特點(diǎn)，具體來說就是實(shí)現(xiàn)路燈的單燈監(jiān)控、集中管理和智能調(diào)節(jié)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的道路照明控制系統(tǒng)將現(xiàn)代通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)融入傳統(tǒng)道路照明控制，是智能電網(wǎng)的有機(jī)組成部分。該技術(shù)的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)道路照明的路檢、單燈控制、信息跟蹤等問題，是現(xiàn)代城市照明的理想解決方案。

2 傳統(tǒng)道路照明控制方式介紹

傳統(tǒng)照明領(lǐng)域的控制相對簡單，通過天文鐘實(shí)現(xiàn)時間控制，或者通過光傳感器實(shí)現(xiàn)光照控制，通過調(diào)壓、半夜燈控制等措施達(dá)到節(jié)能目的。

（1）時間控制

時間控制是通過路燈時控器來實(shí)現(xiàn)的。在路燈時控器內(nèi)預(yù)存有一年365天的日出、日落時間，時控器根據(jù)每天設(shè)定的開、關(guān)燈時間自動控制接觸器的接通或斷開，以實(shí)現(xiàn)路燈開、關(guān)控制。這種控制方式實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，過去被廣泛應(yīng)用。

（2）光照控制

光照控制通過光照度值控制路燈開、關(guān)。將光照度傳感器檢測到的照度信號與設(shè)定開燈照度、關(guān)燈照度進(jìn)行數(shù)值比較，從而確定開、關(guān)燈條件。光照控制可以作為時間控制的一種輔助控制方式，遇有陰雨、嚴(yán)重霧霾等特殊天氣時，能彌補(bǔ)時控方式的不足。

（3）半夜燈控制

半夜燈控制是傳統(tǒng)照明里廣泛采用的一種節(jié)能控制方式，可以通過降壓調(diào)光、部分滅燈等幾種不同的實(shí)現(xiàn)方式。降壓調(diào)光是通過電源側(cè)裝設(shè)的電壓調(diào)節(jié)模塊，小范圍地調(diào)節(jié)路燈回路供電電壓，間接達(dá)到調(diào)光的目的；部分滅燈方式包括單側(cè)、間隔滅燈等方式，對于含兩套以上燈具的路燈，可以通過熄滅每基路燈的部分燈具來實(shí)現(xiàn)。

以上控制方式，都是通過控制箱變或電控柜內(nèi)路燈供電回路的通斷實(shí)現(xiàn)若干照明回路的統(tǒng)一開、閉操作，它只能通過控制全部或部分回路開關(guān)來控制路燈開、關(guān)，無法實(shí)現(xiàn)單燈控制，更沒有單燈的數(shù)據(jù)監(jiān)測、故障巡視等功能。

3 基于Zigbee的道路照明控制系統(tǒng)

基于Zigbee無線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型道路照明控制系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)無線單燈可控，在采用LED光源時還可以大范圍地連續(xù)調(diào)節(jié)燈具亮度，有效地降低了非高峰期道路照明能耗。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于ZigBee無線通信和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的道路照明控制系統(tǒng)參考圖1，主要包含三層結(jié)構(gòu)：服務(wù)器層、箱變主節(jié)點(diǎn)層、路燈終端層。服務(wù)器層以中央控制室為控制核心，路燈維護(hù)車、移動監(jiān)控端及手持移動設(shè)備為輔助控制端，可以實(shí)現(xiàn)隨時隨地的監(jiān)測與控制。箱變主節(jié)點(diǎn)位于箱變電控柜內(nèi)，它與控制中心通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，并與安裝在路燈燈桿上的終端設(shè)備通過Zigbee短距無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

圖1 基于Zigbee的路燈單燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 Zigbee無線通信技術(shù)

ZigBee通信技術(shù)采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，利用全球共用的2.4 GHz公共頻率，應(yīng)用于監(jiān)視、控制網(wǎng)絡(luò)時，具有非常顯著的低成本、低耗電、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，目前被視為替代有線監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一。ZigBee通信具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

（1）數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒～250 KB/秒，適用于低傳輸速率的應(yīng)用；

（2）功耗低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸率低，協(xié)議簡單，故模塊功耗低；

（3）網(wǎng)絡(luò)容量大：理論上網(wǎng)絡(luò)可容納65,000個設(shè)備；

（4）時延短：典型搜索設(shè)備時延為30ms，休眠激活時延時15 ms，活動設(shè)備信道接入時延不大于15 ms；

（5）網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠；

（6）數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查的鑒權(quán)功能，采用自行設(shè)計的加密算法，各個應(yīng)用可靈活確定其安全屬性。

3.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心為最高層次的服務(wù)、管理系統(tǒng)，監(jiān)控中心服務(wù)器安裝智能路燈照明監(jiān)控軟件。軟件可通過有線Internet網(wǎng)絡(luò)或GPRS無線通信與箱變或電控柜內(nèi)主接點(diǎn)控制器建立連接，發(fā)送命令；主節(jié)點(diǎn)控制器通過Zigbee短距無線通信方式連接路燈網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單盞路燈的遠(yuǎn)程開關(guān)控制和狀態(tài)、故障檢測。操作系統(tǒng)可以建立運(yùn)行日志數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)并永久保持，能夠?qū)崿F(xiàn)故障提示、報警及維修訂單打印等功能。圖2是監(jiān)控主機(jī)控制界面。

圖2 監(jiān)控主機(jī)控制界面

3.4 主節(jié)點(diǎn)控制器

主節(jié)點(diǎn)控制器是遠(yuǎn)程控制的中間層, 包括遠(yuǎn)程GPRS通信和近距離Zigbee通信功能，是Internet與路燈網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸網(wǎng)關(guān)。無線照明主控器按圖3所示安裝于箱變電控室或獨(dú)立電控柜內(nèi)。

圖3 主節(jié)點(diǎn)控制器柜內(nèi)安裝

3.5 路燈終端控制器

路燈終端控制器作為物聯(lián)網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)，接收主節(jié)點(diǎn)控制器發(fā)來的命令，實(shí)現(xiàn)單個路燈開關(guān)控制，調(diào)光，遙測電流、電壓，檢測路燈故障信息等功能，同時將故障信息傳輸至箱變控制室或獨(dú)立電控柜內(nèi)的主節(jié)點(diǎn)控制器。路燈終端控制器有多種型號，可以針對燈頭數(shù)量配不同的控制器。

圖4 路燈終端控制器模塊構(gòu)成

參見圖4，標(biāo)準(zhǔn)的單燈控制器主要由單片機(jī)微處理器（如MSP430）、無線通信模塊（如CC2430）、功率檢測模塊、各類傳感器及驅(qū)動電源模塊組成。溫度傳感器和光敏傳感器模塊，測量周圍環(huán)境情況和路燈的工作情況，并將處理器的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，由監(jiān)控中心決定路燈的工作模式和狀態(tài)。如果傳感器的測量值超過了閾值，則路燈自動關(guān)閉，并向監(jiān)控中心報警；功率檢測模塊，檢測路燈功率情況、供電故障并向上報警；CC2430無線通信模塊負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)。

圖5 路燈終端控制器實(shí)物圖

4 LED光源亮度的線性平滑調(diào)節(jié)

LED光源的亮度與通過發(fā)光二極管的恒定電流值是成比例的，要想連續(xù)調(diào)節(jié)光源亮度，可以通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）的方式調(diào)節(jié)電流值來實(shí)現(xiàn)調(diào)光，原理圖如圖6所示。

4.1 脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光的實(shí)現(xiàn)方法

具體的實(shí)現(xiàn)方法是在LED負(fù)載回路中用2個MOSFET開關(guān)管反串聯(lián)構(gòu)成功率開關(guān)器件，其源極和柵極分別并聯(lián)，通過在MOSFET管上施加一個PWM信號，可以控制負(fù)載回路閉合或斷開，而由于 LED負(fù)載是由恒流源供電的，開關(guān)管的連續(xù)開關(guān)將使通過負(fù)載的電流變?yōu)橛幸欢ㄕ伎毡鹊木匦蚊}沖電流，當(dāng)脈沖頻率較高時，根據(jù)面積等效原理，經(jīng)過濾波后的電流為一個改變了幅值的恒定電流，其幅值大小與脈沖信號的占空比有關(guān)。因此，要想調(diào)節(jié)光源亮度，只需調(diào)節(jié)PWM脈沖信號的占空比。

在路燈終端控制器中設(shè)置LED電源的PWM脈沖信號驅(qū)動模塊，即可為大功率LED 提供電力，并能根據(jù)控制器中單片機(jī)控制信號控制LED 的工作情況。

圖6 PWM調(diào)光原理

4.2 脈寬調(diào)制調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)

（1）因?yàn)長ED始終工作在滿幅度電流和0之間，不會產(chǎn)生色譜偏移。

（2）因?yàn)槊}沖波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易實(shí)現(xiàn)極高的調(diào)光精確度。

（3）因?yàn)椴粫淖兒懔髟吹墓ぷ鳁l件(升壓比或降壓比)，不會發(fā)生閃爍現(xiàn)象，更不會發(fā)生過熱等問題。

5 總結(jié)

基于Zigbee技術(shù)的道路照明控制系統(tǒng)，將路燈的單燈監(jiān)控、調(diào)光與多樣化的控制端聯(lián)結(jié)起來，滿足了物聯(lián)網(wǎng)智能、互聯(lián)的概念。

隨著技術(shù)進(jìn)步，無線傳感接點(diǎn)集成度越來越高，價格越來越低，基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的控制系統(tǒng)的功能也會更加多樣化。引入手持式終端等移動終端設(shè)備，使得隨時隨地查看道路照明等市政設(shè)施的狀態(tài)成為可能，既保證了設(shè)備的可靠性，也減小了維護(hù)量。將無線通信技術(shù)應(yīng)用于道路照明等市政設(shè)施的自動化控制與多樣化管理將成為必然趨勢，

[1] 陳韋松, 陶齊齊, 施連敏. 基于ZigBee 技術(shù)的路燈無線控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 工業(yè)控制計算機(jī), 2011, 24 (11) : 89-90.

[2] 葛廣軍等. 正弦波交流LED PWM調(diào)光器研究[J]. 照明工程學(xué)報, 2012, 23 (3) : 56-59.

[3] 王小強(qiáng)等. ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2012.