新型路灯智能监控节能系统研究

前 言

随着中国城市化进程的不断加快，城市路灯建设已逐渐成为市政建设中一项不可或缺的浩大工程。路灯在帮助市民营造光明的环境方面发挥了举足轻重的作用，但随着照明难题的解决，也出现了不可避免的能源大量损耗问题。城市照明不仅要美观，其规模和能源使用量也应达成良好的比例。然而目前我国城市的路灯建设正处于重效果轻节能的状态，所以对路灯智能节能技术的研究迫在眉睫。

1 国内外现状

西方发达国家在很久之前就开始关注照明节能问题。欧盟在照明节能方面做了大量研究工作，他们采用紧凑型荧光灯取代传统白炽灯的方式，发挥了些许作用；美国政府采取禁止销售和使用低效能镇流器的节能方式[1]，而且镇流器的型号必须是电子节能的；2012 年，英国的新型照明系统将Leaf Nut 路灯监控系统投入使用[2]，该系统由 Harvard University 设计， 采用高可靠性中央网络服务器，通过GPRS 无线通讯网络完成单灯控制与多灯控制。不仅如此，新型系统为了实现远程自动调光，能够通过设计连接口直接控制灯泡上的发光体单元。为了实现新型系统的节能环保作用，英国政府计划将伦敦全市所有路灯全部转换成新型路灯，由 iPad 直接控制调光[3]。

最近几年，我国也开始重视对照明节能产品的研究。在《中国绿色照明工程实施方案》中提出各项要求，目的在于创建高标准、高质量，优体验、重环保、重节能的安全照明环境。我国已有几大城市开始研究并使用了新的节能方式，实现了较好的节能成果 ：北京市在路灯变压器上设置了控制装置，每天可根据光照强度的大小控制路灯灯光的开关 ；广州市用 rdd-3000 照明集中使用有线和无线兼容的方式监控通信系统，实现了远程测量、远程通信和远程控制三大功能[4]。

2 实际需求

2.1 人性化和智能化管理

在设计新型系统的智能化 LED路灯时充分考虑城市照明系统存在的问题，采用单片机对路灯的光照强度进行动态化、智能化、实时化管理，进而实现路灯的人性化照明。在软件方面采取更精密严格的程序算法和高度集成的可拓展功能，灵活控制灯具开闭、电压电流以及功率因素的检测；在硬件方面， 采用电力载波和 GPRS无线通讯技术控制电力载波的操作和对 GPRS的操控，为用户带来人性化和智能化的管理体验。

2.2 节能环保

新型路灯智能监控系统必须遵循当前的节能环保理念。对于城市能源需求来说，照明是电力消耗的主要方面，因而在满足需求的同时，必须解决节能环保这一问题。新型路灯智能监控系统通过合理设置开关的开通和关断时间，能够使城市照明依据时间和周围环境的条件（亮度，温度，有无人活动或车辆行驶等）有效、及时、自动地开通或者关断，并且使灯具可以在设定的时间开通，保证电能的充分利用。新型路灯智能监控系统一般都具备避免过电压和欠电压的保护功能，可以有效减少电能对灯具的不利影响，进而延长灯具的使用寿命。再者，新型路灯智能监控系统使用 LED 灯，相对于常见的白炽灯不仅节能省电，更支持自动调光。新型路灯智能监控系统可以依据需求对LED 灯进行调节控制，进而实现系统的单灯控制与多灯控制。对于环保来说，新型系统的LED 灯属于环保型产品结构，减少了对环境的污染。

2.3 可行性分析

该系统依靠先进的技术构建了复杂的系统，但最终面向用户的是很直观、生动的软件界面和非常简洁的硬件模块单元。

在软件设计方面能够预防非法使用者的恶意入侵，保证系统的安全。在硬件设计方面，硬件产品涉及的系统需经过规模应用实践验证，使负载达到均衡，不会造成整个监控平台的异常运行。在用户端方面，每个用户都能够分别定义操作权限、内容、功能模块，只需具备操作普通计算机的能力和电气知识，通过系统的专业技术培训就能够熟练驾驭。

新型路灯智能监控节能系统具备很强的可操作性和可维护性，工作人员能够简单方便地进行现场操作和上位机中心监控操作。从维护要求来说，系统应具备一定的故障诊断能力及快速的响应性能；分布式终端之间以及终端和监控中心的数据通信应具有实时性。从用户角度来说，系统应能实现设计方案的功能和性能；充分利用现有资源，降低设备的采购成本。此外，设备的体积、重量等特性也应满足设计要求。

3 系统的主要组成

新型路灯智能监控节能系统主要由上位机监控中心、集中控制器、单灯控制器组成。

3.1 上位机监控中心

上位机监控中心包括 Internet 输出端、数据存储系统、数据分析系统、智能指令处理系统。Internet 输出端将集中控制器汇总的信息传递给上位机监控中心。数据存储系统用于存储从现场单灯控制器接收的监控数据和预先设置的指令映射表。数据分析系统用于对接收的监控数据进行分析。智能指令处理系统根据对监控数据的解析结果和指令映射表的存储指令，生成对现场单灯控制器的操作指令，再将操作指令下发至现场单灯控制器。

3.2 集中控制器

集中控制器包括电力载波信息转换模块、集中汇聚模块、GPRS/CDMA 网络输出端。电力载波信息转换模块与集中汇聚模块连接，作为单灯控制器与集中控制器的信息交换枢纽， 用于对每个单灯控制器数据信号的接收和对每个单灯控制器控制指令的分发。集中汇聚模块用于接收和汇总每个单灯控制器的实时状态与参数，预先设置指令映射表；所述指令映射表用于记录与不同监测数据解析结果对应的优选操作指令。GPRS/CDMA 网络端口与Internet 输入端连接，将对各路灯的监控信息汇总上传到Internet，再由Internet 传递给上位机监控中心。

3.3 单灯控制器

单灯控制器包括监控摄像头、路灯亮度调节器、故障检测模块、单灯监控终端、电力载波WiFi 节点。监控摄像头用于监控路灯附近的实时画面，若检测到路灯不在安装位置， 则向监控中心发送防盗警报信息。路灯亮度调节器包括红外传感器模块、光敏传感器模块以及温度传感器模块 ：红外传感器模块用于检测不同时间的行人和车辆 ；光敏传感器模块用于检测不同时间自然光的强度；温度传感器模块用于检测不同时间环境温度；故障检测模块用于监控发生故障的路灯信息，并向上位机监控中心发出修复故障路灯的通知；单灯监控终端是单灯控制器的控制单元，会不断检测状态、参数及查询上位机监控系统的命令，完成自身路灯的开关控制和电流、电压、电能以及功率因数的检测，通过检测路灯实时采集街道上行人与车辆的信息，自动调节路灯的亮暗变换，并将路灯的实时信息通过电力载波WiFi 节点传递给集中控制器。电力载波WiFi 节点利用传输电流的电力线作为通信载体，与集中控制器上的电力载波信息转换模块通过无线连接，将路灯的实时信息传递给集中控制器并接收集中控制器对单灯控制器的控制信号。系统整体框图如图 1 所示。

4 系统的主要功能

新型路灯智能监控节能系统具有较多功能。可以根据季节和天气的变化，在不同季节和不同天气情况下设定不同的灯光亮度；在不同时间检测行人和车辆的数量，当行人与车辆稀少时，自动调节路灯的光照强度；设置有地理信息模块，可结合收集的监控数据查询路灯实时监控信息和修复状态的回报； 根据时间曲线和光照强度，由主机自动控制路灯的开闭，实现灯具开关的手动遥控和组合控制；根据预定的时间提前开始自动检测和排查，并可人工操作检测路灯电力线路的电压和电流参数；通过监控中心可以得到每个路灯的信息和状态，实现各节点电压电气等基本设备的调压功能。

5 结 语

智能路灯系统是一个应用新技术的老工程问题。现代智能路灯系统大量应用了先进的节能算法、节能材料和通信技术，初步实现了节能化、通信数字化以及控制和维护自动化。其功能齐全强大、构成合理，还可节省投资，是城市现代化发展的重要标志，可以产生巨大的经济效益，也是市政工程建 设的主要内容。本文依托城市化进程实际需求提出了路灯系统 总体的设计方案，根据系统方案，对应系统需求选定硬件设 备和软件设计，经过科研人员的技术验证和现场模拟，完全 可行。新型路灯智能监控系统使用先进技术对路灯进行控制， 不仅能够产生巨大的社会效益和经济效益，还能推动社会经 济的发展。