福州大学电气工程与自动化学院、福州市规划设计研究院的研究人员陈颖、陈硕，在2015年第5期《电气技术》杂志上撰文，基于目前城市路灯照明系统存在的问题，本文采用LED路灯作为照明源，提出了主站使用GPRS通信、路灯节点使用ZigBee通信的系统架构，分别对LED路灯终端、集中器和主站进行设计。
系统采用的是CC2530芯片作为主要的控制芯片，外围电路可实现对LED路灯的电压、电流、照度等检测。LED路灯实时检测环境照度，并根据照度等级实现LED路灯照度的自动调节。经实践证明，该系统节能效果显著，极大地促进了路灯监控管理的现代化水平。
随着我国城市现代化建设的发展，各项公共基础设施不断完善。路灯作为城市重要的基础设施，不仅为城市道路提供夜间照明，还能减少交通事故的产生。从1997年我国正式提出“绿色照明”以后，LED（LightEmitting Diode，发光二极管）路灯依靠绿色节能、使用寿命长、开关时间短等特点在城市照明领域得到了稳步发展。
在传统的路灯控制系统中，一般采取手动或定时方式来控制路灯的开光，这样不仅电力浪费严重，而且还会缩短灯具的使用寿命。为此，研究人员也对构建一种智能路灯控制系统做出了一定的研究。
从技术角度来说，文献[1]采用无线照明控制技术，研究将电子镇流器与ZigBee无线通信控制模块整合在一起，减少通信干扰。
文献[2]由传感器实时检测到的光照和噪音输入信号经控制器得到输出电压，通过晶闸管的导通角调节可变电抗变换器，从而调节路灯端电压。
文献[3]提出了基于多智能体系统的层级式控制结构，系统内的各个智能体能实现数据共享与控制管理。
文献[4]介绍了几种路灯控制技术之间，电源质量的比较
。从应用角度来说，文献[5]提出了针对城市景观照明的分布式智能控制方法，实现了对景观照明设备的科学管理和监控。
文献[6]给出了应用了智能电网的物联网路灯系统。该系统能够按照电网的要求动态地调整路灯的亮度。
基于上述工作与LED路灯网络结构的特殊性，本文采用了分布式系统架构，能够实现对LED路灯的智能控制，从而达到节能效果。
1 系统框架
LED路灯系统是城市建设的重要部分，与居民生活息息相关。而路灯系统本身是一个比较复杂的系统，涉及不同方面的技术和功能。本文所设计的系统具有稳定性、实时性、易操作性和节能性，其框架如图1所示。
图1 系统框架
LED路灯智能控制系统的物理结构中包括四种主要基本设备：主站、集中器、控制终端和各类LED路灯。通过多种网络通信手段，它们可构成的一个分布式管理的数据采集和自动控制系统。
集中器是整个智能控制系统在该配电区域中的管理节点，一个配电区域通常配置一个，一个集中器可以管理该配电区域下的所有控制终端及其所连接的LED路灯，并能控制它们的运行状态。其控制的路灯节点数量较多，考虑到工程应用成本问题，采用低功耗且价格低廉的ZigBee无线通信模块来进行通信。
主站通常由分布式计算机系统和通信服务器（或称通信前置机）组成，集中器终端分布范围广，且与主站具有一定的距离，主要考虑采取3G通信。监控中心则可以实时对各路灯主站进行数据采集与控制。
2 分布式系统主要设计
2.1 LED路灯节点终端设计
LED路灯节点控制终端是整个路灯控制系统的最基本单元，由传感器模块和单片机模块组成。其主要有信息采集、照明、通信三部分功能。LED路灯节点终端节点控制器由传感器模块和单片机模块组成。其结构框图如图2所示。
图2 LED路灯节点终端结构框图
CC2530是嵌入式ZigBee应用的片上系统，建立基于IEEE802.15.4标准协议较为容易。当传感器采集到电压、电流、光照强度等信息后，通过转换电路转变到单片机可以接受的范围内，然后传递给AD转换模块，转换为数字量供单片机使用。终端同时还需要LED驱动模块为LED提供恒流电源。
系统中采用XL6003 LED恒流驱动芯片搭建驱动器。XL6003是连续电感电流导通模式的升压恒流源，用于驱动一颗或者多颗串联LED，可通过PWM模式对LED进行调光，并提供功率开关漏端，用于故障检测。
LED路灯终端工作流程如图3所示。
图3 路灯终端工作流程图
LED路灯终端上电以后会主动搜索ZigBee网络并加入，然后循环检测集中器是否发来命令，若接收到命令，则执行相应操作。其主要功能如下：（1）发现并加入网络；（2）采集路灯信息，检测报警；（3）接受命令并执行。
2.2 集中器设计
集中器是在低压市电（380V线电压/220V相电压）配电区域内进行信息采集和控制的设备，通过通信信道对其管辖的控制终端和各类控制终端的信息进行采集、处理、存储和控制，并通过远程通信信道与主站交换数据。其结构框图如图4所示。
图4 集中器结构框图
CC2530主控模块通过ZigBee无线模块实现与LED路灯终端的相互通信；通过串口通信模块实现与主站的GPRS相互通信。由于CC2530外设丰富，拥有外部存储模块来进行功能的扩展。电源模块则提供合适的稳压电源。
集中器工作流程如图5所示。
图5 集中器工作流程图
对于集中器而言，组建网络是自动进行的，不需要用户的干涉。通信网络一旦建立，集中器就分别监听ZigBee网络与串口，判断他们是否有数据的传递。无论是ZigBee网络端口或串口发来数据，都先进行协议转换，然后执行相应的上传或下达的命令。其主要功能如下：（1）建立通信网络；（2）在线监听网络与串口；（3）接收与发送信息。
2.3 主站设计
主站由计算机系统和WAN接入设备或远程通信设备组成的整个系统的控制和信息搜集中心，一般位于监控中心，通过过程公用信道（如GPRS、GSM、PSTN、WAN等）对所属位于现场监控区域的集中控制器的信息进行采集和控制，并对采集的大量数据进行分析和综合处理。
主站应具有如下基本功能：
（1）采集功能。主站通过通信网络，按照预先设定的主站总采控周期和总采控周期（由当地市政部门规定的自动控制时间）自动地读取集中器中的计划任务以及控制状态信息，并且具有实时随机操作功能。
（2）参数设置功能。主站通过通信网络，设置系统设备的运行参数。该功能主要是对集中器运行参数的设置，包括装载集中器的网络通信地址（ID）、集中器的计划任务等，并具有防止非授权人员操作的安全措施。
（3）校时功能。主站必须具有准确的时钟（由标准时钟源同步），并通过通信网络对集中器校时的功能。
（4）安全操作功能。主站必须具有完善的操作权限管理机制，并具有防止非法授权人员操作的安全措施，确保系统的安全运行。
（5）自诊断功能。可自动进行系统自检，发现设备（包括通信设备）异常应有记录和报警。
（6）子地图功能。主站具有电子地图（GIS 地理信息）功能，可支持地图操作。
主站应具有如下扩展功能：
（1）实时监控 LED 路灯的运行状态功能。主站经公用通信网络，通过集中器能够实现对指定的 LED 路灯的运行状态实时监控和跟踪的功能。通过该功能能够准确地掌握 LED 路灯的现场运行实况，并提供运行的基本信息。
（2）远程控制功能。系统可根据实际需要提供远程控制的能力，实现对LED路灯进行远程报警和控制的功能。
（3）统计分析功能。本项条款应当根据当地市政部门的实际需求进行扩充和完善，其基本内容包括：
1）灯具数量：可对系统内的灯具进行统计分类；
2）区域信息：可对系统内灯具分布实现区域管理；
3）故障信息统计：统计设备故障报警信息和通信异常信息。
3 系统控制方案及应用
本文所设计的分布式LED照明系统需根据环境光照参数调整照明亮度[7]，以获得更好的照明质量和节电效果。
3.1 控制方案设计
LED路灯终端中光照采集模块使用的核心器件是光电三极管。光电三极管的灵敏度较高，输出电流大。光照检测电路如6所示。
图6 光照检测电路
光照强度采集的原理是将光电三极管Q1与电阻R1串联，光照强度不同时，Q1的阻值不同，分压也不同，通过检测Q1的电压，按照公式可以计算出光照强度。
由于系统中存在各种不可避免的误差，所以采用多次采样去平均值的方法来降低误差对系统的影响[8]。光照强度采集的程序流程如图7所示。
图7 光照强度控制流程图
光照采集模块将检测到环境照度与我们所设定的上下阈值Vh和Vl进行比对。当Vl>V0时，表示环境照度小，则需要开启路灯；当V0>Vh时，表示环境照度足够大，可以关闭路灯；当Vl<V0<Vh时，则根据环境照度的大小，对LED路灯进行PWM调节，使环境照度最舒适。
由于是路灯系统，对调光精度要求不高，系统采用8级调光。CC2530中的定时器1在正/倒计数的模式下可使用中心对称的PWM输出。通过设置的阈值与计算值进行比较，可以产生PWM方波。根据占空比和调光频率来确定计数器计数值以及相关参数，最后对中断进行设计。
3.2 系统应用
本案例在福建省云霄县元光路进行了试点应用。元光路为城市Ⅱ级次干道，长500米，道路宽度24米，沿道路两侧交错布置单臂路灯，路灯异侧间距24米，灯杆高度9米，设置路灯44盏。系统光源选择95W LED灯，显色指数为Ra70，色温6000K，初始光通量为10450lm，灯具光效110lm/W。若使用高压钠灯达到相同的实际光通量则需要200W的功率。
照明时间按照傍晚6点到第二天6点，共12小时计算。由于本系统中的LED路灯具有自动调光功能，故取平均70%功率照明，则每天单灯耗能：95W×70%×12h/1000=0.798KW/h（3）；而高压钠灯不能调光，每天以100%功率照明，则每天单灯耗能200W×12h/1000=2.4KW/h（3）。由此可以看出，对LED路灯进行分布式控制，可以得到每年每盏路灯将近600度的节约。
4 结论
传统的智能路灯控制一般采用手动控制或时间控制等，这类控制方式容易造成资源的浪费。本文提出的分布式控制LED路灯系统，能根据路面照度对单个路灯进行控制，经测试，提出的控制策略具有实际价值。
此外，还将ZigBee技术引入，在满足单灯控制的基础上，还能对同一区域上的LED路灯进行片控。通过GPRS网络，将采集到的各路灯信息与监控中心相连。如果这种路灯控制系统能够与智能交通控制结合在一起，将为路灯照度提供更有效、更节能的调节控制，相信这也将是城市道路照明高智能化发展的未来方向。
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