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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