一种新型智慧照明控制器设计

吴俊

摘要：多功能智慧杆作为“新基建”的一部分承载了各类智慧城市应用，智慧照明是其最基础的功能，也是全面推广的重要支撑。智慧照明控制器的设计使用和推广，可以有效的实现路灯节能、降本增效，更能推动路灯供电方式的改变，促进智慧城市各类应用依托多功能智慧杆进行落地。本文对控制器进行设计打样测试，旨在推动物联网等新技术在传统行业的应用。

关键词：路灯;智慧照明;控制器;PCB

一应用背景

随着5G作为国家战略加速落地、智慧城市快速发展、城市道路空间治理不断升级，“多功能智慧杆”作为新一代信息基础设施重要程度被推上了一个新高度。多功能智慧杆作为智慧城市各类应用的载体，涵盖了智慧照明、智慧安防、智慧环保、智慧交通、智慧市政、便民生活、智慧城管、无线城市等多种行业应用，必须要有稳定的供电保障，才能支撑各类智慧应用的正常工作[1]。

基于以上需求，智慧照明是路灯智慧化的基础，是多功能智慧杆作为“新基建”的基本要求，需要有功能稳定的单灯控制器来实现智慧照明的提升。因此，本文研究一种无线通信的智慧照明控制器，通过物联网技术实现路灯控制智能化，实现对每盏路灯的实时开关、精准监控，以满足路灯线路24小时供电要求;并可以通过0-10V、PWM等调光接口使路灯降功率运行，实现道路照明的二次节能。

二需求分析

参照《城市道路照明设计标准（CJJ45-2006）》、《城市道路照明工程施工及验收规程（CJJ89-2012）》、《城市照明自动控制系统技术规范（CJJ/T227-2014）》、《B/T34923.4-2017路灯控制管理系统第4部分：路灯控制器技术规范》，根据路灯控制以及日常维护的需求，本文研究的智慧照明控制器应满足基本功能设计如下：

1、实时数据监测功能。实现对每盏路灯的功率、电流、电压、功率因数、漏电流、漏电压、运行时间的实时数据监测。

2、通信功能。采用公共网络的通信方式，具备自动入网功能，根据测试需求，选用移动4G网络进行通信。

3、控制功能。具备设备内部参数设置、自动手动运行模式切换的功能;具备时钟功能，可实现经纬度开关时间、临时开关灯时间、单灯遥控策略等;具备准确的开关灯控制功能;具备精确0-100分度可调光控制功能;具备远程升级功能。

4、报警功能。具有根据设定的报警条件主动向系统平台报警功能。路灯设施故障如下主动报警：“灯具故障”、“漏电故障”、“电容故障”、“保险丝故障”、“继电器故障”、“电流过大报警”、“功率过大报警”、“功率过小报警”。[3，4]

三控制器设计

构建统一的智慧照明管理平台，通过无线通信方式，把相应检测数据、控制数据传送至管理平台。关于物联网平台的搭建，应遵循相应统一规则，制定通信协议，不在本文中讨论。

基于以上规范标准及实际使用的需求分析，按照主控模块、通信模块、计量模块、控制模块、电源模块五部分来设计智慧照明控制器（如图1）[5，6]。智慧照明控制器通过主控模块来协调通信模块和计量模块，实现电流、电压等多种数据的采集和存储，并根据嵌入式程序的设定，指挥控制模塊工作，输出指令实现灯具的开关、调光等控制[7]。

四PCB设计及打样

基于以上电路原理图，进行印制电路板的设计，进行仿真测试。考虑到灯杆内安装空间的实际情况和设备可靠性性，本次采用两层板的设计思路，上层板为控制板，为主控模块和通信模块;下层板为电源板，为电力计量模块和灯具控制模块，实现了强电和弱电电路的物理隔离[8]。（如图2）结合实际设备情况，本次在强弱电的分布、隔离和爬电距离的控制;电力计量部分走线方式的特殊性两部分做了专项设计。

首先是强弱电的分布，设备从220V交流电的导入，在板上进行功能分离，一是作为基础供电在进行交直流转换后按照各功能芯片和模组的要求，再进行二级电源的转换（转换后的直流弱电主要位于控制板，不和电源板

设计在一起）;二是作为灯具控制的主负载来源，通过继电器又直接输出至负载接口。在PCB设计时，严格的进行强弱电分区，交流部分的两相电接近的部分，必须采用物理隔离方式即板载割据电气缝隙来阻断。

其次是电力计量部分走线的特殊性。为了较准确的进行采集测量和保护测量电路，电压通道电阻分压网络，应呈阶梯式分布，逐渐降压（从输入端强压直至计量芯片的取样电压），应注意电阻与电阻之间的爬电距离，同时电流采样电阻的地线必须和其它地线分开走线，减少其它信号对采样信号的干扰。另外，电流信号线和电压信号线走线不要交叉，尽量采用平行走线的方式，以保证电流采集和电压采集的独立性和准确性。

五结语

本次设计的新型智慧照明控制器，采用无线通讯、控制策略及传感技术等，将城市中的路灯串联起来，形成物联网：

1）对单盏路灯的远程控制与管理，设置多种策略，实现自动调节亮度、主动故障报警等功能。

2）有效控制能源消耗，形成二次节能措施，大幅节省电力资源;提升公共照明管理水平，管控精准，推动路灯“巡修”向“定修”的转变，降低维护和管理成本。

3）利用边缘计算等信息处理技术对运营状况进行有效集中的智能处理，让路灯从“亮不亮”到“好不好”的判定进行提升，有的放矢的针对城市照明系统中的弱点进行改造。

4）有效的通过控制技术，实现路灯电网的24小时供电，为智慧路灯加载各类应用的供电提供保障，有效的推进智慧城市各类应用基于路灯的部署和落地。

参考文献：

[1]肖辉.智慧灯杆研究与应用进展.照明工程学报.2019，30（04）

[2]樊月波.智能互联系统在城市道路照明管理中的应用.光源与照明.2020，（01）

[3]闫培平.智慧城市路灯远程管控系统关键技术的研究及实现.西安理工大学.2019

[4]王广宁.智慧路灯控制模块研发及其应用.中国科学院大学.2020

[5]莫夫李超余亮聂军.基于物联网的小区智能照明管理系统设计与实现.计算机测量与控制.2016，24（05）

[6]毛游琴.城市智能照明单灯节能控制系统的设计与应用.光源与照明.2020，（03）

[7]王蓓彭吉琼邓国印.基于NB-IoT的智慧照明系统设计.现代信息科技.2019，3（19）

[8]储昭兵刘凯凯.基于NB-IoT技术的照明监控系统.信息技术与网络安全.2019，38（08）