新型路燈智能監(jiān)控節(jié)能系統(tǒng)研究

前 言

隨著中國城市化進(jìn)程的不斷加快，城市路燈建設(shè)已逐漸成為市政建設(shè)中一項(xiàng)不可或缺的浩大工程。路燈在幫助市民營造光明的環(huán)境方面發(fā)揮了舉足輕重的作用，但隨著照明難題的解決，也出現(xiàn)了不可避免的能源大量損耗問題。城市照明不僅要美觀，其規(guī)模和能源使用量也應(yīng)達(dá)成良好的比例。然而目前我國城市的路燈建設(shè)正處于重效果輕節(jié)能的狀態(tài)，所以對路燈智能節(jié)能技術(shù)的研究迫在眉睫。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

西方發(fā)達(dá)國家在很久之前就開始關(guān)注照明節(jié)能問題。歐盟在照明節(jié)能方面做了大量研究工作，他們采用緊湊型熒光燈取代傳統(tǒng)白熾燈的方式，發(fā)揮了些許作用；美國政府采取禁止銷售和使用低效能鎮(zhèn)流器的節(jié)能方式[1]，而且鎮(zhèn)流器的型號必須是電子節(jié)能的；2012 年，英國的新型照明系統(tǒng)將Leaf Nut 路燈監(jiān)控系統(tǒng)投入使用[2]，該系統(tǒng)由 Harvard University 設(shè)計(jì)， 采用高可靠性中央網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過GPRS 無線通訊網(wǎng)絡(luò)完成單燈控制與多燈控制。不僅如此，新型系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動調(diào)光，能夠通過設(shè)計(jì)連接口直接控制燈泡上的發(fā)光體單元。為了實(shí)現(xiàn)新型系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保作用，英國政府計(jì)劃將倫敦全市所有路燈全部轉(zhuǎn)換成新型路燈，由 iPad 直接控制調(diào)光[3]。

最近幾年，我國也開始重視對照明節(jié)能產(chǎn)品的研究。在《中國綠色照明工程實(shí)施方案》中提出各項(xiàng)要求，目的在于創(chuàng)建高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量，優(yōu)體驗(yàn)、重環(huán)保、重節(jié)能的安全照明環(huán)境。我國已有幾大城市開始研究并使用了新的節(jié)能方式，實(shí)現(xiàn)了較好的節(jié)能成果 ：北京市在路燈變壓器上設(shè)置了控制裝置，每天可根據(jù)光照強(qiáng)度的大小控制路燈燈光的開關(guān) ；廣州市用 rdd-3000 照明集中使用有線和無線兼容的方式監(jiān)控通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程測量、遠(yuǎn)程通信和遠(yuǎn)程控制三大功能[4]。

2 實(shí)際需求

2.1 人性化和智能化管理

在設(shè)計(jì)新型系統(tǒng)的智能化 LED路燈時充分考慮城市照明系統(tǒng)存在的問題，采用單片機(jī)對路燈的光照強(qiáng)度進(jìn)行動態(tài)化、智能化、實(shí)時化管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)路燈的人性化照明。在軟件方面采取更精密嚴(yán)格的程序算法和高度集成的可拓展功能，靈活控制燈具開閉、電壓電流以及功率因素的檢測；在硬件方面， 采用電力載波和 GPRS無線通訊技術(shù)控制電力載波的操作和對 GPRS的操控，為用戶帶來人性化和智能化的管理體驗(yàn)。

2.2 節(jié)能環(huán)保

新型路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)必須遵循當(dāng)前的節(jié)能環(huán)保理念。對于城市能源需求來說，照明是電力消耗的主要方面，因而在滿足需求的同時，必須解決節(jié)能環(huán)保這一問題。新型路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)通過合理設(shè)置開關(guān)的開通和關(guān)斷時間，能夠使城市照明依據(jù)時間和周圍環(huán)境的條件（亮度，溫度，有無人活動或車輛行駛等）有效、及時、自動地開通或者關(guān)斷，并且使燈具可以在設(shè)定的時間開通，保證電能的充分利用。新型路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)一般都具備避免過電壓和欠電壓的保護(hù)功能，可以有效減少電能對燈具的不利影響，進(jìn)而延長燈具的使用壽命。再者，新型路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)使用 LED 燈，相對于常見的白熾燈不僅節(jié)能省電，更支持自動調(diào)光。新型路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)可以依據(jù)需求對LED 燈進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單燈控制與多燈控制。對于環(huán)保來說，新型系統(tǒng)的LED 燈屬于環(huán)保型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，減少了對環(huán)境的污染。

2.3 可行性分析

該系統(tǒng)依靠先進(jìn)的技術(shù)構(gòu)建了復(fù)雜的系統(tǒng)，但最終面向用戶的是很直觀、生動的軟件界面和非常簡潔的硬件模塊單元。

在軟件設(shè)計(jì)方面能夠預(yù)防非法使用者的惡意入侵，保證系統(tǒng)的安全。在硬件設(shè)計(jì)方面，硬件產(chǎn)品涉及的系統(tǒng)需經(jīng)過規(guī)模應(yīng)用實(shí)踐驗(yàn)證，使負(fù)載達(dá)到均衡，不會造成整個監(jiān)控平臺的異常運(yùn)行。在用戶端方面，每個用戶都能夠分別定義操作權(quán)限、內(nèi)容、功能模塊，只需具備操作普通計(jì)算機(jī)的能力和電氣知識，通過系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)就能夠熟練駕馭。

新型路燈智能監(jiān)控節(jié)能系統(tǒng)具備很強(qiáng)的可操作性和可維護(hù)性，工作人員能夠簡單方便地進(jìn)行現(xiàn)場操作和上位機(jī)中心監(jiān)控操作。從維護(hù)要求來說，系統(tǒng)應(yīng)具備一定的故障診斷能力及快速的響應(yīng)性能；分布式終端之間以及終端和監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信應(yīng)具有實(shí)時性。從用戶角度來說，系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的功能和性能；充分利用現(xiàn)有資源，降低設(shè)備的采購成本。此外，設(shè)備的體積、重量等特性也應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 系統(tǒng)的主要組成

新型路燈智能監(jiān)控節(jié)能系統(tǒng)主要由上位機(jī)監(jiān)控中心、集中控制器、單燈控制器組成。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控中心

上位機(jī)監(jiān)控中心包括 Internet 輸出端、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、智能指令處理系統(tǒng)。Internet 輸出端將集中控制器匯總的信息傳遞給上位機(jī)監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)用于存儲從現(xiàn)場單燈控制器接收的監(jiān)控數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)置的指令映射表。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)用于對接收的監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。智能指令處理系統(tǒng)根據(jù)對監(jiān)控數(shù)據(jù)的解析結(jié)果和指令映射表的存儲指令，生成對現(xiàn)場單燈控制器的操作指令，再將操作指令下發(fā)至現(xiàn)場單燈控制器。

3.2 集中控制器

集中控制器包括電力載波信息轉(zhuǎn)換模塊、集中匯聚模塊、GPRS/CDMA 網(wǎng)絡(luò)輸出端。電力載波信息轉(zhuǎn)換模塊與集中匯聚模塊連接，作為單燈控制器與集中控制器的信息交換樞紐， 用于對每個單燈控制器數(shù)據(jù)信號的接收和對每個單燈控制器控制指令的分發(fā)。集中匯聚模塊用于接收和匯總每個單燈控制器的實(shí)時狀態(tài)與參數(shù)，預(yù)先設(shè)置指令映射表；所述指令映射表用于記錄與不同監(jiān)測數(shù)據(jù)解析結(jié)果對應(yīng)的優(yōu)選操作指令。GPRS/CDMA 網(wǎng)絡(luò)端口與Internet 輸入端連接，將對各路燈的監(jiān)控信息匯總上傳到Internet，再由Internet 傳遞給上位機(jī)監(jiān)控中心。

3.3 單燈控制器

單燈控制器包括監(jiān)控攝像頭、路燈亮度調(diào)節(jié)器、故障檢測模塊、單燈監(jiān)控終端、電力載波WiFi 節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控攝像頭用于監(jiān)控路燈附近的實(shí)時畫面，若檢測到路燈不在安裝位置， 則向監(jiān)控中心發(fā)送防盜警報信息。路燈亮度調(diào)節(jié)器包括紅外傳感器模塊、光敏傳感器模塊以及溫度傳感器模塊 ：紅外傳感器模塊用于檢測不同時間的行人和車輛 ；光敏傳感器模塊用于檢測不同時間自然光的強(qiáng)度；溫度傳感器模塊用于檢測不同時間環(huán)境溫度；故障檢測模塊用于監(jiān)控發(fā)生故障的路燈信息，并向上位機(jī)監(jiān)控中心發(fā)出修復(fù)故障路燈的通知；單燈監(jiān)控終端是單燈控制器的控制單元，會不斷檢測狀態(tài)、參數(shù)及查詢上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的命令，完成自身路燈的開關(guān)控制和電流、電壓、電能以及功率因數(shù)的檢測，通過檢測路燈實(shí)時采集街道上行人與車輛的信息，自動調(diào)節(jié)路燈的亮暗變換，并將路燈的實(shí)時信息通過電力載波WiFi 節(jié)點(diǎn)傳遞給集中控制器。電力載波WiFi 節(jié)點(diǎn)利用傳輸電流的電力線作為通信載體，與集中控制器上的電力載波信息轉(zhuǎn)換模塊通過無線連接，將路燈的實(shí)時信息傳遞給集中控制器并接收集中控制器對單燈控制器的控制信號。系統(tǒng)整體框圖如圖 1 所示。

4 系統(tǒng)的主要功能

新型路燈智能監(jiān)控節(jié)能系統(tǒng)具有較多功能。可以根據(jù)季節(jié)和天氣的變化，在不同季節(jié)和不同天氣情況下設(shè)定不同的燈光亮度；在不同時間檢測行人和車輛的數(shù)量，當(dāng)行人與車輛稀少時，自動調(diào)節(jié)路燈的光照強(qiáng)度；設(shè)置有地理信息模塊，可結(jié)合收集的監(jiān)控數(shù)據(jù)查詢路燈實(shí)時監(jiān)控信息和修復(fù)狀態(tài)的回報； 根據(jù)時間曲線和光照強(qiáng)度，由主機(jī)自動控制路燈的開閉，實(shí)現(xiàn)燈具開關(guān)的手動遙控和組合控制；根據(jù)預(yù)定的時間提前開始自動檢測和排查，并可人工操作檢測路燈電力線路的電壓和電流參數(shù)；通過監(jiān)控中心可以得到每個路燈的信息和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)電壓電氣等基本設(shè)備的調(diào)壓功能。

5 結(jié) 語

智能路燈系統(tǒng)是一個應(yīng)用新技術(shù)的老工程問題?，F(xiàn)代智能路燈系統(tǒng)大量應(yīng)用了先進(jìn)的節(jié)能算法、節(jié)能材料和通信技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了節(jié)能化、通信數(shù)字化以及控制和維護(hù)自動化。其功能齊全強(qiáng)大、構(gòu)成合理，還可節(jié)省投資，是城市現(xiàn)代化發(fā)展的重要標(biāo)志，可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，也是市政工程建 設(shè)的主要內(nèi)容。本文依托城市化進(jìn)程實(shí)際需求提出了路燈系統(tǒng) 總體的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)系統(tǒng)方案，對應(yīng)系統(tǒng)需求選定硬件設(shè) 備和軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)過科研人員的技術(shù)驗(yàn)證和現(xiàn)場模擬，完全 可行。新型路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)使用先進(jìn)技術(shù)對路燈進(jìn)行控制， 不僅能夠產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，還能推動社會經(jīng) 濟(jì)的發(fā)展。