智能路燈控制系統(tǒng)設計與應用研究

摘要：針對傳統(tǒng)路燈使用和監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，分析智能控制型路燈實現的基本理論和應用優(yōu)勢，提出它應具有的基本功能：遙控、遙測、遙信、遙監(jiān)、遙視、自動反饋、自動報警、統(tǒng)計、查詢和打印。通過通訊網絡和控制模式兩方面闡明智能路燈控制系統(tǒng)的設計和應用。該研究明確了智能路燈控制系統(tǒng)的設計思路和基本原理，為下一步的實施及采用打下基礎。
關鍵詞：路燈；智能；控制系統(tǒng)；控制模式；設計與應用

    隨著中國城市和經濟的迅速發(fā)展，城市照明交通安全和燈飾美化工程也越來越受到普遍關注，同時為了符合節(jié)約型、可持續(xù)性發(fā)展社會的標準，產生了對路燈、燈飾工程監(jiān)管改革的需求。傳統(tǒng)路燈的照明和管理存在浪費大，路燈使用壽命短，遠程操控、巡查無法監(jiān)控，人工作業(yè)量大，故障維修反應效率低，統(tǒng)計查詢功能弱等現象。對于“全夜燈”照明造成的浪費和“半夜全滅或半滅燈”帶來的交通安全問題，都是可以實現智能管理的。故如何通過智能控制系統(tǒng)對路燈進行科學和智能的監(jiān)管，采用何種通訊網絡技術和智能控制器，運用何種路燈控制模式都是值得關注和研究的。本文從智能控制型路燈實現的基本原理和優(yōu)勢著手，分析了它應具備的一般功能：遙控、遙測、遙信、遙監(jiān)、遙視、自動反饋、自動報警、統(tǒng)計、查詢和打印，同時通過通訊網絡技術和控制模式闡明了智能路燈控制系統(tǒng)的設計和應用。

l 智能控制型路燈實現基本理論和優(yōu)勢
    智能控制型路燈是運用先進的通訊手段，計算機網絡技術、自動控制技術、新型傳感技術與自動檢測技術等構成的無線監(jiān)控系統(tǒng)，快速準確地對道路照明、城市燈飾工程、廣場照明、橋梁和隧道照明等系統(tǒng)進行智能監(jiān)控，實現對遠程路燈和電源實施遙控、遙測、搖監(jiān)、遙視、搖信等功能，便于了解路燈運行狀況以及它的維修和保養(yǎng)，能提高路燈運行質量和效率，為能源節(jié)約和創(chuàng)造節(jié)約型社會打下基礎。路燈智能控制系統(tǒng)一般由控制中心主站、各點測控分站、通訊系統(tǒng)三大部分組成。主站主要由電腦和網絡構成，負責管理、控制整個系統(tǒng)的運行，其兼容性和容量大小可靈活配置；通訊一般采用無線或無線與有線相結合的方式，目前無線技術有GSM短信息網、GPRS數傳電臺、CDPD公共無線數據網，或利用單片機實現路燈控制器的TCP／IP協議(實現自己數據的高速傳輸和實時控制)等技術；而各分站點通過安裝單片機或新技術裝備(如LONWORKS技術)構成其控制器，從而達到與主站通訊、接受命令、執(zhí)行開關、控制電壓、控制時間、反饋數據信息等功能。智能控制型路燈實現過程可以是多種多樣，但無外乎都是：主站電腦控制中心+合適的通訊手段或方式+各分站集中智能控制器+路燈控制系統(tǒng)的模式，其一般實現原理如圖1所示。隨著科技和信息產業(yè)的發(fā)展，圖中任一個環(huán)節(jié)實現起來都可以采用其他方式或方法，在此不贅述。

    針對傳統(tǒng)路燈使用缺陷，采用智能控制型路燈的優(yōu)勢如下：
    (1)節(jié)約電力資源和保護路燈。減少了“全夜燈”、“后夜燈”、電燈在后半夜的高電壓狀態(tài)下工作的情況，這樣不僅節(jié)約了電能資源，而且還保護了電燈，延長了其使用壽命。
    (2)可實施遠程監(jiān)控和管理。智能控制路燈系統(tǒng)的采用將可對全部路燈進行實時、全程全天候地監(jiān)控和管理，集中控制、監(jiān)視和檢查，大大減少了后期人力、物力、財力的投入，同時提高了巡查設備和路燈時的工作效率。
    (3)及時反應和采取恰當措施保證低故障率。由于能實時對分站設備和路燈進行遠程遙控、遙測和搖視，同時它們也能自己通過報警系統(tǒng)將數據反饋給主站系統(tǒng)，這樣能及時發(fā)現故障和問題，并聯系工人點對點地進行維修，避免逐站逐點巡查和發(fā)現問題、反應緩慢的情況。
    (4)智能化、信息化、數據化程度高。由于主站和分站大量采用電腦和網絡技術，路燈的整體控制智能化、信息化程度相當高，且從分站收集、反饋給主站的數據量也較大，這為智能系統(tǒng)開發(fā)決策和優(yōu)化、維修和維護提供了基礎。

2 智能控制型路燈實現基本功能
2．1 遠程遙控功能
    采用智能控制系統(tǒng)的路燈開關、亮度調節(jié)、時間控制等方式都能實現遠程遙控，達到時控模式、光控模式、壓控模式、聲控模式、旁路模式的目的。下載開關燈時間表到分站控制器，根據經緯度、季節(jié)、節(jié)假日及不同的天氣情況進行的“時控”，可實現路燈全夜燈和半夜燈自動定時控制，管理人員可針對具體的情況對某一個或多個終端隨時進行開關控制(分組、分區(qū)、全市開關等方式)；還可根據季節(jié)和天氣的變化進行的“光控”和“壓控”，通過分站集中控制器調節(jié)特殊天氣和時段條件下的電壓，從而實現路燈的光照強度的改變，達到“光控”的目的，這樣不僅節(jié)約電能，而且也保護了路燈，延長了它們的使用壽命；還可根據路燈上的傳感器感應公路上行車和行人的聲音、速度，將這些信息反饋給分站控制中心，由分站智能控制器決定是否打開燈，以及打開燈的數量和光照強度。上述設計遙控模式，可根據具體情況酌情考慮選用。
2．2 遙測、遙信功能
    通過分站集中控制器對區(qū)域內路燈數據(如實時電壓、電流、接觸器狀態(tài)、有功功率、無功功率、功率因數、用電量等)的檢測和采集，再由無線或有限通訊手段，將數據反饋給主站控制中心，進而分析各區(qū)域內每盞路燈的工作情況，了解它們的實際使用功率，開關次數、關照強度、亮燈率、節(jié)約電能資源等方面。
2．3 遙監(jiān)、遙視功能
    對于現場檢測的數據和信息，通過網絡傳輸給控制中心，可由控制中心的電腦LCD進行圖文顯示，如配上GIS和GPS的相關硬件和軟件，則可對這些數據和信息，進行實時監(jiān)視和管理，真正意義上體現出管理無人化、系統(tǒng)服務高效化、反應維護快速化的特點。
2．4 自動檢測、反饋、報警功能
    通過中心控制主站對分站集中控制器的命令，集中控制中心對區(qū)域內各路燈進行實時監(jiān)控和巡查，如果發(fā)現異常情況，如在不該亮燈和熄燈的時候發(fā)生“時控”失靈故障、電流和電壓超過高低限造成“光控”失靈、還有導致電燈無法正常工作的其他設備和控制器故障等，就將這些數據通過通訊手段反饋給中心控制主站，主站通過聲音報警來引起注意，如有GIS地理信息系統(tǒng)，則能迅速顯示出故障點區(qū)域信息，再由中心職務人員或電腦、網絡自動聯系相關維修人員，這樣不僅大大提高檢測、巡查工作的效率，減少了人員工作強度，而且提高了整個路燈系統(tǒng)的反應機制和處理突發(fā)事件的能力。
2．5 統(tǒng)計、查詢和打印功能
    智能控制系統(tǒng)中心能對采集反饋的實時數據和信息進行存儲、統(tǒng)計和分類，以表格、曲線、直方圖等顯示出來，可根據年、月、日統(tǒng)計數據進行查詢，同時可通過本文打印出來作分析和研究。還可配上相關管理軟件，對實測數據和信息進行管理和分類，以便更加直觀地了解整體路燈運行情況，如每月故障類別分類統(tǒng)計，某區(qū)域內路燈開關、持續(xù)工作時間、亮燈率情況，電源點電量統(tǒng)計，電源過負荷故障分析情況，“時控和光控”條件下的電量節(jié)約情況等。
2．6 其他功能
    可根據需要，進行衛(wèi)星校時、信息存儲管理、終端設置管理等功能。

3 基于通訊網絡的智能路燈控制系統(tǒng)設計與應用
    無論是何種智能路燈控制系統(tǒng)，都需要進行遠程監(jiān)測和管理，這必然需要通訊網絡，而通訊方式有很多種，如采用電信系統(tǒng)網絡、Internet、或其他網絡等。其中屬Internel．功能最強大、速度和效率最快，它可以通過各地域的分控制器或控制柜，嵌人計算機模塊，實現它們的TCP／IP協議，從而能夠使得分控制器能夠接受主控制中心的遠程命令和管理，同時它也能根據需要就信息數據給予中心及時的反饋，這種方式是值得提倡和推廣的?，F介紹幾種其他通訊方式的應用。
3．1 基于GSM／GPRS的智能路燈控制系統(tǒng)設計與應用
    智能控制型路燈的遠程通訊方法很多，采用電信系統(tǒng)中的GSM(Global System for Mobile Communieation，全球移動通信系統(tǒng))或GPRS(General Packet RadioService，通用分組無線業(yè)務)網絡來實現智能控制路燈的遠程管理和監(jiān)控，利用GSM的成本低、頻譜利用率高、系統(tǒng)容量大、保密性好、抗干擾能力強、自動漫游等優(yōu)點，直接把要發(fā)的信息加上目的地址發(fā)送即可；而GPRS是在GSM系統(tǒng)的基礎上利用分組交換技術建立的，它在兼容GSM的同時能在網絡上傳輸高速數據，利用GPRS的資源利用率高、傳輸速度快、接入時間短、隨時在線訪問查詢、支持TCP／IP協議等優(yōu)點，故GPRS網絡特別適合于頻發(fā)小數據量的實時傳輸，這正好符合智能控制路燈的遙控設計思路。
    路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)是一個分布式、集散型、網絡化、全開放的監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控中心對整體路燈系統(tǒng)控制，向分控點發(fā)出命令，對分控點的運行狀態(tài)、電流、電壓、電量等參數進行采集，并將信息反饋給監(jiān)控中心，供顯示屏顯示、打印機打印及管理人員分析處理，同時對分站內路燈進行開／關控制，如圖2所示。

    隨著計算機嵌入式技術的發(fā)展，通常可以利用GSM和GPRS的技術模塊嵌入到現場單片機控制器中，從而實現無線遠程路燈的智能監(jiān)控和管理，為交通運輸工程提供高速、在線、透明的數據通訊網絡，如圖3所示。

3．2 基于ZigBee網絡的智能路燈控制系統(tǒng)設計與應用
    ZigBee是IEEE 802．15．4協議的代名詞。根據這個協議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。它是一個由可多到65 000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個ZigBee網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節(jié)點間的距離可根據需要從標準的75 m無限擴展。
    正是利用ZigBee網絡的特點，將其應用到智能路燈無線控制系統(tǒng)中，這使得在路燈管理中非常適合使用ZigBee技術。使用ZigBee無線通信，可實現如下功能：無線控制、信號傳遞、傳遞一些輔助控制信號和監(jiān)視信號、快速巡檢、交通燈智能管理等。

4 基于控制模式的智能路燈控制系統(tǒng)設計與應用
    傳統(tǒng)的智能路燈控制一般采用：時問控制、光照控制等，這類控制一般是根據季節(jié)、氣候、時差等因素，由主要控制中心對某一區(qū)域內的交通路燈進行開關、時間、光照強度調控的方式。這類控制方式在特殊時段對交通熄燈、減少亮燈率、減少光照強度的做法，雖然節(jié)約了電資源，更加經濟，但是也為交通安全增添了隱患。
    很多研究機構發(fā)現，路燈一開始點亮時所需電壓大于等于額定電壓，在使用穩(wěn)定以后僅需要較低一些的電壓工作即可；據研究，照明亮度下降10％，人眼的感光度僅僅下降僅為1％；而道路在后半夜時，屬于用電低峰時期，電燈的實際使用電壓會漸漸升高．這不僅加強了路燈的亮度、造成電資源浪費，而且縮短了電燈的使用壽命。故基于上述觀點，出現了很多電壓控制的模式，即在特殊時段或根據具體需要，通過各分控制器調控路燈的實際使用電壓，這有效地克服了上述缺點。
    現在出現了更加智能、更加節(jié)能、且同時也不降低交通安全的控制方式：“隨需而控”。將無線通信技術、微機電MEMS系統(tǒng)和傳感技術融合到一起的無線傳感器網絡技術，它通過安裝在路燈上的光學、聲學、電學、速度傳感器(多普勒探測器)，或采用上述光學、聲學、電學、速度的探測器(監(jiān)控自然條件的亮度、道路行人和行車的聲音和速度、電燈的實際使用電壓和功率等)，然后配上智能單片機或PLC控制器和無線通訊技術，實現對路燈的開關、亮度調節(jié)、電壓調節(jié)以及亮電燈率的控制。應用該智能路燈控制系統(tǒng)(見圖4)，只有路上有人或車輛通過時路燈才點亮，且可根據行人和車輛通過的聲音、速度智能地打開前方一定數量的路燈，同時熄滅經過路段的路燈，在提高路燈利用率、節(jié)約電資源的同時，又滿足了在夜間行人、車輛出行時的道路照明，確保了交通安全。

5 結 語
    (1)針對目前道路照明系統(tǒng)中存在的問題，分析了智能控制型路燈實現的基本理論和其優(yōu)勢：節(jié)約電力資源和保護路燈；可實施遠程監(jiān)控和管理；及時反應和采取恰當措施保證低故障率；智能化、信息化、數據化程度高。
    (2)通過系統(tǒng)研究發(fā)現，智能控制型路燈一般應該具備遙控、遙測、遙信、遙監(jiān)、遙視、自動反饋、自動報警、統(tǒng)計、查詢和打印的功能。
    (3)從通訊網絡和控制模式的角度，分析了智能路燈控制系統(tǒng)的設計，為下一步智能系統(tǒng)的實施和采用打下基礎。