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(yīng)用，智慧照明是其最基礎(chǔ)的功能，也是全面推廣的重要支撐。智慧照明控制器的設(shè)計(jì)使用和推廣，可以有效的實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)能、降本增效，更能推動(dòng)路燈供電方式的改變，促進(jìn)智慧城市各類應(yīng)用依托多功能智慧桿進(jìn)行落地。本文對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)打樣測(cè)試，旨在推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)在傳統(tǒng)行業(yè)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：路燈;智慧照明;控制器;PCB

一應(yīng)用背景

隨著5G作為國家戰(zhàn)略加速落地、智慧城市快速發(fā)展、城市道路空間治理不斷升級(jí)，“多功能智慧桿”作為新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施重要程度被推上了一個(gè)新高度。多功能智慧桿作為智慧城市各類應(yīng)用的載體，涵蓋了智慧照明、智慧安防、智慧環(huán)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(yè)應(yīng)用，必須要有穩(wěn)定的供電保障，才能支撐各類智慧應(yīng)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(chǔ)，是多功能智慧桿作為“新基建”的基本要求，需要有功能穩(wěn)定的單燈控制器來實(shí)現(xiàn)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(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)路燈控制智能化，實(shí)現(xiàn)對(duì)每盞路燈的實(shí)時(shí)開關(guān)、精準(zhǔn)監(jiān)控，以滿足路燈線路24小時(shí)供電要求;并可以通過0-10V、PWM等調(diào)光接口使路燈降功率運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)道路照明的二次節(jié)能。

二需求分析

參照《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（CJJ45-2006）》、《城市道路照明工程施工及驗(yàn)收規(guī)程（CJJ89-2012）》、《城市照明自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（CJJ/T227-2014）》、《B/T34923.4-2017路燈控制管理系統(tǒng)第4部分：路燈控制器技術(shù)規(guī)范》，根據(jù)路燈控制以及日常維護(hù)的需求，本文研究的智慧照明控制器應(yīng)滿足基本功能設(shè)計(jì)如下：

1、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)每盞路燈的功率、電流、電壓、功率因數(shù)、漏電流、漏電壓、運(yùn)行時(shí)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

2、通信功能。采用公共網(wǎng)絡(luò)的通信方式，具備自動(dòng)入網(wǎng)功能，根據(jù)測(cè)試需求，選用移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

3、控制功能。具備設(shè)備內(nèi)部參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)手動(dòng)運(yùn)行模式切換的功能;具備時(shí)鐘功能，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度開關(guān)時(shí)間、臨時(shí)開關(guān)燈時(shí)間、單燈遙控策略等;具備準(zhǔn)確的開關(guān)燈控制功能;具備精確0-100分度可調(diào)光控制功能;具備遠(yuǎn)程升級(jí)功能。

4、報(bào)警功能。具有根據(jù)設(shè)定的報(bào)警條件主動(dòng)向系統(tǒng)平臺(tái)報(bào)警功能。路燈設(shè)施故障如下主動(dòng)報(bào)警：“燈具故障”、“漏電故障”、“電容故障”、“保險(xiǎn)絲故障”、“繼電器故障”、“電流過大報(bào)警”、“功率過大報(bào)警”、“功率過小報(bào)警”。[3，4]

三控制器設(shè)計(jì)

構(gòu)建統(tǒng)一的智慧照明管理平臺(tái)，通過無線通信方式，把相應(yīng)檢測(cè)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)傳送至管理平臺(tái)。關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的搭建，應(yīng)遵循相應(yīng)統(tǒng)一規(guī)則，制定通信協(xié)議，不在本文中討論。

基于以上規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際使用的需求分析，按照主控模塊、通信模塊、計(jì)量模塊、控制模塊、電源模塊五部分來設(shè)計(jì)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(xié)調(diào)通信模塊和計(jì)量模塊，實(shí)現(xiàn)電流、電壓等多種數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，并根據(jù)嵌入式程序的設(shè)定，指揮控制模塊工作，輸出指令實(shí)現(xiàn)燈具的開關(guān)、調(diào)光等控制[7]。

四PCB設(shè)計(jì)及打樣

基于以上電路原理圖，進(jìn)行印制電路板的設(shè)計(jì)，進(jìn)行仿真測(cè)試。考慮到燈桿內(nèi)安裝空間的實(shí)際情況和設(shè)備可靠性性，本次采用兩層板的設(shè)計(jì)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(jì)量模塊和燈具控制模塊，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電和弱電電路的物理隔離[8]。（如圖2）結(jié)合實(shí)際設(shè)備情況，本次在強(qiáng)弱電的分布、隔離和爬電距離的控制;電力計(jì)量部分走線方式的特殊性兩部分做了專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

首先是強(qiáng)弱電的分布，設(shè)備從220V交流電的導(dǎo)入，在板上進(jìn)行功能分離，一是作為基礎(chǔ)供電在進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換后按照各功能芯片和模組的要求，再進(jìn)行二級(jí)電源的轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換后的直流弱電主要位于控制板，不和電源板

設(shè)計(jì)在一起）;二是作為燈具控制的主負(fù)載來源，通過繼電器又直接輸出至負(fù)載接口。在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，嚴(yán)格的進(jìn)行強(qiáng)弱電分區(qū)，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(jù)電氣縫隙來阻斷。

其次是電力計(jì)量部分走線的特殊性。為了較準(zhǔn)確的進(jìn)行采集測(cè)量和保護(hù)測(cè)量電路，電壓通道電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)呈階梯式分布，逐漸降壓（從輸入端強(qiáng)壓直至計(jì)量芯片的取樣電壓），應(yīng)注意電阻與電阻之間的爬電距離，同時(shí)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(hào)對(duì)采樣信號(hào)的干擾。另外，電流信號(hào)線和電壓信號(hào)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(dú)立性和準(zhǔn)確性。

五結(jié)語

本次設(shè)計(jì)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(shù)等，將城市中的路燈串聯(lián)起來，形成物聯(lián)網(wǎng)：

1）對(duì)單盞路燈的遠(yuǎn)程控制與管理，設(shè)置多種策略，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度、主動(dòng)故障報(bào)警等功能。

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

3）利用邊緣計(jì)算等信息處理技術(shù)對(duì)運(yùn)營狀況進(jìn)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(jìn)行提升，有的放矢的針對(duì)城市照明系統(tǒng)中的弱點(diǎn)進(jìn)行改造。

4）有效的通過控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)路燈電網(wǎng)的24小時(shí)供電，為智慧路燈加載各類應(yīng)用的供電提供保障，有效的推進(jìn)智慧城市各類應(yīng)用基于路燈的部署和落地。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖輝.智慧燈桿研究與應(yīng)用進(jìn)展.照明工程學(xué)報(bào).2019，30（04）

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

[3]閆培平.智慧城市路燈遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn).西安理工大學(xué).2019

[4]王廣寧.智慧路燈控制模塊研發(fā)及其應(yīng)用.中國科學(xué)院大學(xué).2020

[5]莫夫李超余亮聶軍.基于物聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)智能照明管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制.2016，24（05）

[6]毛游琴.城市智能照明單燈節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì).現(xiàn)代信息科技.2019，3（19）

[8]儲(chǔ)昭兵劉凱凱.基于NB-IoT技術(shù)的照明監(jiān)控系統(tǒng).信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全.2019，38（08）