具有寿命预测的LED路灯监控系统设计

陈侃松，杨 威，张 丹，兰智高，冯 杰

(1.湖北大学 计算机与信息工程学院物联网工程研究所，湖北 武汉 430062；2.黄冈师范学院 电子信息学院，湖北 黄冈 438000)

具有寿命预测的LED路灯监控系统设计

陈侃松1,2，杨 威1，张 丹1，兰智高2，冯 杰2

(1.湖北大学 计算机与信息工程学院物联网工程研究所，湖北 武汉 430062；2.黄冈师范学院 电子信息学院，湖北 黄冈 438000)

针对目前城市路灯的用电总量大、灯具寿命短且无法提前预知等缺点，设计了一种基于ZigBee网络具有寿命预测功能的LED路灯监控系统；该系统由ZigBee通信模块、LED驱动电路及数据采集模块构成，可实现对照明设备的集中远程管理，提高道路照明质量；而且该系统设计的路灯控制器具有自适应调节功能，在不同环境亮度下自动调光以达到节能目的;该系统还可对LED灯的各项关键参数进行在线监测，判断路灯控制器工作状态，实时监测LED灯珠老化程度;通过对光通量维持率和时间的关系进行拟合得到特征公式，并采用阿仑尼乌斯老化模型来建立LED灯珠多结温下的寿命预测模型，实现对LED灯珠寿命预测并提前预警。

LED路灯；ZigBee；远程监控；寿命预测

0 引言

随着城市建设的快速发展，道路照明设施的不断完善，路灯数量大量增加使城市用电量迅速增长，并且有些灯源的应用会产生大量的污染气体，所以实施绿色照明、加快节能改造的需求就越迫切[1]。路灯照明是城市公共用电的重要部分之一，国内很多城市目前仍然采用的是配电箱分散管理，人工巡视的检测与维护方式，从而效率很低、成本较高。目前，高压钠灯由于价格低、寿命长等优点仍然是道路照明主流光源，但是钠灯的显色和配光性能较差，光效低，实际消耗功率高，不利于照明节能[2]。非LED灯种(白炽灯/卤素灯/节能灯等)都是将电能转换为热能之后激发成光能，浪费了大部分能源，而LED灯则是将电能直接转换成光能，从而减少能源的浪费，并且LED灯功率相对较小，流明相对较大，寿命极长[3]。在路灯光照强度的控制上，LED相对简单方便，所以LED灯有望取代现有路灯，根据LED灯的驱动特性，设计一种基于ZigBee的无线智能路灯控制系统符合智慧城市的发展需要。

1 系统总体设计

本系统利用ZigBee网络的无线自组网等功能，对传统路灯控制系统[4]进行完善，设计了一种基于ZigBee的LED路灯监控系统。其控制系统不仅能集中或分组控制LED的开关及亮度，而且各组内部可根据环境的不同而改变组内LED的亮度；其监测系统不仅能监测LED的光照度而且可以监测LED工作时的电压电流，然后上传到协调器，最后存入云端，作为以后数据分析和各种预测曲线校正的依据。

为了让LED灯及其灯具的寿命能最大限度地延长[5]，减小LED结温对灯使用寿命的影响，本设计加入了单灯的自控功能，如果灯具内的温度高于正常温度范围，则减小LED亮度或直接关闭，直到灯具内部温度达到正常水平。

作为节约电能的手段，在一些偏远地段，本设计采用读取汽车电子标签的方法来检测是否有车辆通过该区域路段，从而来控制该区域路段的LED路灯的亮度，做到“车来灯亮，车走灯暗”的效果。本设计系统如图1，系统布局如图2。

图1 系统结构框图

图2 系统布局

1.1 路灯控制器设计

路灯控制器是由加载了ZigBee协议栈的CC2530主控芯片、LED驱动电路及相关传感器电路组成的，其作为一个ZigBee网络的路由设备而加入ZigBee网络，如图3。

图3 路灯控制器结构设计框图

其功能包括两个方面：一方面接收ZigBee网络的控制数据，根据控制命令而输出一路PWM波作为LED驱动模块的输入；另一方面采集LED工作时的一些电气数据及LED光强照度、温度等，然后经过ZigBee网络上传至多模网关。

LED灯是电流驱动型的，本设计设计了一种数控恒流驱动电路，可根据外加输入的PWM波形占空比的大小线性改变驱动电流大小。LED驱动模块如图4所示。

图4 LED驱动模块框架图

1.2 特别监控节点设计

特别监控节点是以ZigBee终端设备而加入网络的，其根据功能不同分为两种：一种是是监测路面上的光照强度，然后根据多个节点采集的光照强度进行数据综合处理后，控制该节点所在组内的LED路灯的亮度；另一种是读取汽车的电子标签，每组LED路灯放置一对这种功能的特别监控节点，用来监测它们中间的电子标签的数量，然后根据数量大于零的与否来控制该组内LED路灯的亮灭或明亮程度，以此节能。设计框图如图5。

图5 特别监控节点设计框图

1.3 多模网关设计

多模网关是由ZigBee协调器和ARM板组成的，两者功能相互独立，通信方式为串口通信。ZigBee协调器负责ZigBee网络的建立与维护，负责与ZigBee网络中的路由或终端节点通信，并且将所有接收的数据经过串口全部传送到ARM模块，同时也通过串口将ARM模块传送的命令数据送到ZigBee网内。ARM模块接收并处理ZigBee网内数据，并将处理好的数据上传到云端，以建立LED路灯的大数据库，便于以后数据分析和各种预测曲线的校正。网关硬件设计如图6所示。

图6 网关硬件设计框图

2 软件设计

2.1 路灯控制器软件设计

路灯控制器作为ZigBee路由设备启动后加入ZigBee网络，输出默认占空比的PWM波，初始化各个传感器，然后轮循实行以下任务：1)等候调光命令并执行；2)检测灯具内温度值并上传，若温度高于预设最高温度，则关闭或减小LED灯的亮度并且将此情况报告给网关；3)采集LED工作时的光照强度、电压、电流及功率打包上传，此任务为定时任务；4)同任务三的采集，但只在LED工作在额定电流时采集数据，这类数据用于分析LED灯剩余寿命及校正LED灯寿命预测曲线。功能流程如图7所示。

图7 路灯控制器软件流程图

2.2 特别监控节点软件设计

特别监控节点作为ZigBee终端节点启动后加入ZigBee网络，初始化电子标签阅读器，然后轮循实行以下任务：任务一，采集光照度并与默认光照度(区间为[L_MIN，L_MAX])比较，若大于L_MAX则此节点向同组路灯控制器发送调暗LED命令，若小于L_MIN则发送调亮LED命令，直到采集值在范围之内；任务二，电子标签阅读器检测路上车辆，每个区域配合两个阅读器来记录该路段车辆数，然后实施控制。软件流程如图8所示。

图8 特别监控节点软件流程图

2.3 多模网关软件设计

网关的协调器建立并维护ZigBee网络，监听串口，作为ZigBee网络与ARM板通信的桥梁。协调器的流程如图9所示 。

网关的ARM部分则加载了Linux操作系统，并搭建了嵌入式BOA服务器以用于远程访问，同时也建立了mysqlite3数据库，用于存储各种数据。并实时将数据传送到上位机和云端，作为路灯大数据的积累数据。软件流程如图10 。

图9 ZigBee协调器

3 系统测试及寿命预测

3.1 系统实现功能

整个系统运行后，数据采集模块在LED灯稳定时进行数据采集并传输，主要采集LED灯两端电压，通过的电流及LED的光照强度，然后反馈给上位机进行LED寿命的预测。所需要的数据主要通过传感器取得，只有LED结温需要推算，本系统应用测量相对简单且准确的正向压降法[6]，该方法主要是测量出在额定电流下LED初始的两端电压、LED工作稳定后的两端电压及环境温度，然后代入公式计算结果。

3.2 寿命预测模型的建立

现在越来越多LED制造企业开始采用L70(流明维持率达到70%所耗费的时间)标准作为LED寿命截止时间[7]。

依据LED灯芯元件供应商对其LED产品进行了3个温度(55℃/85℃/105℃)持续6000小时的测量实验，每隔1000小时取得测试LED的光照度数据，根据该光照度数据与LED平均初始照度，归一化处理后得到测试LED灯的光衰。测试分别在3个恒定温度的环境中进行，每个环境中一共是25个LED灯，每5个为一组。

实验采用的是电流为150 mA驱动的正向电压降为6 V规格的LED。所有测试数据按照每组数据采集时间点上的数据平均值重新组成特征如表1所示。

表1 55℃测试数据

表2 85℃测试数据

表3 105℃测试数据

3.2.1 最小二乘法指数拟合方法

对各数据采集时间点的数据的平均值Ave数据按照指数最小二乘法进行曲线拟合，从而得到LED光通量比例随时间的指数关系函数φ(t)=Be-at，φ(t)为归一化的光通量维持率，t为持续测试的时间，B为最小二乘法曲线拟合派生出的初始化常数，a为最小二乘法曲线拟合派生出的衰退系数。

根据φ(t)=Be-at函数关系，左右同时取e为底的对数可得到该函数的反函数为:

(1)

当LED流明维持率为70%时的使用时间定义为L70，用此值来表示预测的寿命值[8]，根据公式(1)且代入φ(t)=0.7可知，该测试规格的LED灯在三种环境下的寿命如表4所示。

表4 三种结温的LED寿命预测表

3.2.2 指数拟合双项改进

LED灯在工作后的一段时间内光通量会开始变大，逐渐达到最高亮度后才开始出现衰减情况[9]，在最小二乘法指数拟合方法中，未能准确地表达LED灯前期的光通量变化，本系统不仅要预测LED的寿命而且要能够准确预测出在t时刻光通量的大小，在最小二乘法指数拟合的基础上，添加一组校正指数，将函数改为φ(t)=Ae-at+Be-bt，根据Matlab的拟合结果，得出三个环境下的参数如表2所示。

令φ(t)=0.7，代入函数参数利用Matlab可解得t的值，即为L70，得到的值如表5。

表5 改进方案的函数参数及寿命预测

3.2.3 拟合方式对比分析

根据确定系数R-square可知，双项指数拟合比单项指数拟合更接近测试数据，两种拟合曲线如图11～13，分别表示55℃/85℃/105℃时的单项与双项指数拟合情况图。图中的散点分别是表1～3的6组平均数据，根据Ave的数据进行曲线拟合。

图11 55℃拟合情况对比图

图12 85℃拟合情况对比图

图13 105℃拟合情况对比图

由于数据是从1000～6000每1000才测量一次数据，一组数据只有6个值，且结合寿命预测结果，可知双项拟合在寿命预测时发生错误(结温越高寿命应该越短)。所以双项指数拟合不适用于预测寿命，但结合大量实测数据及曲线拟合对比图可知，在LED工作的前6000个小时内双向拟合更能反映归一化的光通量维持率φ(t)的变化情况。

3.3 寿命实时预测

LED的寿命取决于多个变量，主要有运行温度、驱动电流、散热情况好坏等[10]，本系统分别采用测量电气参数的芯片及测量电路、温度采集电路来取得这些环境数据，使用光通量传感器直接采集光照度。在LED工作时，不一定会在55℃/85℃/105℃这三个标准温度，所以不能够直接应用拟合曲线来预测寿命。

设采集到的LED结温为T，且T1(55℃)

公式(2)是表示光通量随时间的函数，P0为初始光通量，P为当前光通量，β为某一温度下的衰退系数。此公式可由最小二乘法指数拟合公式φ(t)=Be-at变换后得到，两者的关系是φ(t)=P/P0，B为校正系数故B接近于1，所以可知衰退系数β=a，即在一定温度下，β为一个已知值。

公式(3)中，β为衰减系数，β0为衰减常数，If为驱动电流，Ea为材料激活能，K为波尔兹曼常数，T为实际结温。

设T1、T2、T对应的衰减系数分别为β1、β2、β，所以有:

(4)

根据式(3)可知，代入T1时的值，算得:

综上所述，得到T温度下的衰减系数为:

(5)

为了减小误差，将温度T进行阶梯式分组[55，85],[85，105]或更多组(需要数据支持)作为推测寿命的方案。

3.4 LED路灯大数据的建立

本系统会将所有采集的LED灯电气参数、运行状态、LED实际工作时间和设备更换的具体记录，建立LED路灯大数据库，并将这些海量数据存至云端组成专用数据库，并利用专用软件及算法对这些大数据进行分析处理，不断来校正寿命预测曲线，这样不仅可预测LED灯珠的使用寿命，而且还能通过电压电流及老化更换时间等数据来建立LED控制板及LED驱动板的老化函数，从而可以预测这些设备的老化情况，提前预防加以更换而避免事故的发生。

4 总结

为建立LED寿命预测机制，本文通过对两种拟合方案的分析，发现最小二乘法单项指数拟合函数更能反映出在6000 h后LED寿命随时间的变化规律，而双项指数拟合函数虽然在前6000 h内拟合优度更好，但是考虑到数据间隔过大及数据不足的影响，曲线在6000 h后的适应度就会降低。综合两者的优缺点，本系统最终选择最小二乘法单项指数拟合函数作为LED寿命预测函数，并选择双项指数拟合函数作为前6000 h的光通量维持率的变化情况函数。

本系统不仅解决了远程及自动控制和在线监测的问题，还建立了LED寿命预测机制及拟建立LED驱动器和LED控制器的老化情况预测机制，这样既实现智能监测及控制又能节省维修人员的时间和精力。同时，本系统在LED运行过程中将采集的大量数据建立成强大的专用数据库，这将对LED产品的大量应用与推广具有及其重要的意义。

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Design of LED Street Light Monitoring System with Life Prediction

Chen Kansong1,2,Yang Wei1, Zhang Dan1, Lan Zhigao2, Feng Jie2

(1.Institute of Internet of Things, School of Computer Science and Information Engineering, Hubei University,Wuhan 430062, China; 2.School of Electronic Information, Huanggang Normal University, Huanggang 438000, China)

Aiming at the shortcomings such as the large amount of electricity and the short life span of the street lamp, a LED streetlight monitoring system with life prediction function based on ZigBee network is designed. The system consists of ZigBee communication module, LED drive circuit and data acquisition module and it can achieve the centralized remote management of lighting equipment to improve the quality of road lighting. The street lamp controller designed by this system has adaptive adjustment function, automatically adjusts the light in different environment brightness to achieve the energy saving purpose. The system can also be on-line monitoring of the key parameters of the LED lights to determine the working status of the street light controller, and real-time monitoring of LED lamp beads aging. The relationship between luminous flux maintenance rate and time was fitted to obtain the characteristic formula. The life prediction model of LED lamp bead in multi-junction temperature was established by using Arrhenius aging model, and the life prediction of LED lamp beads was predicted and early warning was realized.

LED；ZigBee；Remote monitoring；Life prediction

2016-12-02；

2016-12-19。

国家科技支撑计划项目(2015BAK03B02)。

陈侃松(1972-)，男，湖北荆州人，教授，博士生导师，主要从事无线传感网络及应用方向的研究。

兰智高(1968-)，男，湖北黄冈人，教授，主要从事信息科学与技术方向的研究。

张 丹(1976-)，男，湖北武汉人，讲师，主要从事无线传感网络及应用方向的研究。

1671-4598(2017)01-0102-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.028

TM923

A