基于分布式控制的LED路灯控制系统

陈 颖 陈 硕

（1.福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108；2.福州市规划设计研究院，福州 350000）

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（Light Emitting 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。

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4 集中器结构框图

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。光照检测电路如图6所示。

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。

图6 光照检测电路

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500m，道路宽度24m，沿道路两侧交错布置单臂路灯，路灯异侧间距24m，灯杆高度9m，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12h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：

而高压钠灯不能调光，每天以100%功率照明，则每天单灯耗能

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600kW·h 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。

[1] 徐浩华.路灯控制相关技术的研究[D].浙江: 浙江大学,2010.

[2] 丁孟予.路灯智能控制器的研究[D].武汉理工大学,2011.

[3] 陈凤贤.基于多智能体技术的路灯节能控制系统的研究[D].广东: 华南理工大学,2013.

[4] A Gil-de-Castro; A Moreno-Munoz; A Larsson; JJG de la Rosa; MHJ Bollen.LED street lighting: A power quality comparison among street light technologies[J].Lighting Research and Technology,2013,45(6): 710-728.

[5] 李帅.城市景观照明的分布式控制方法[J].无线通信技术,2013(1): 58-61.

[6] 矫正国.应用于智能电网的物联网智能路灯系统[J].物联网技术,2013,3(8): 70-72.

[7] 王国建,鲍军民,李桑,等.分布式环境照度监测系统的研究与实现[J].自动化仪表,2013,34(9): 34-36.

[8] 刘赏.路灯智能控制算法研究与系统模拟[D].西安石油大学,2011.