節能道路照明系統的無(wú)線(xiàn)智能控制設計

摘要：根據道路照明系統的運行特點(diǎn)，在節能控制目標和保證可靠性的前提下，設計和分析合適的智能控制策略和控制網(wǎng)絡(luò )拓撲結構選擇。節能道路照明系統在智能照明控制策略的統一指導下運行，基于低功耗無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，實(shí)現節能照明。具體介紹和分析了有關(guān)的設計原理和方案選擇，智能照明控制策略的選擇和確定，控制系統網(wǎng)絡(luò )結構，主控單元/現場(chǎng)節點(diǎn)的硬件/硬件構成和設計思想。分析表明，基于短距離無(wú)線(xiàn)通信實(shí)現節能道路智能照明策略控制是可行的。

1 引言

已經(jīng)頒布實(shí)施的國家城市道路照明設計行業(yè)標準規定，城市道路照明應該為各種車(chē)輛的駕駛人員以及行人創(chuàng )造良好的視覺(jué)環(huán)境，達到保障交通安全，降低犯罪率和美化城市環(huán)境的目的。這就要求城市道路照明( 特別是機動(dòng)車(chē)交通道路) 達到一定的亮度標準，另一方面，近年來(lái)，隨著(zhù)國內城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，相關(guān)道路照明設施的規模及數量越來(lái)越大，道路照明耗電也在迅速上升。如何在保證道路照明的亮度/ 照度和安全性的前提下，不增加維護成本而降低城市道路照明的耗電量，具有重大意義，也成為當前節能降耗研究中的重要內容。

2 城市路燈照明系統

機動(dòng)車(chē)交通道路照明按快速路與主干路、次干路、支路分級，各級道路的照明標準值( 路面平均亮度或照度、亮度或照度均勻度、眩光限制和誘導性) 已作出了區分。常規照明燈具的布置常采用間隔一定距離的道路雙側交錯布置、雙側對稱(chēng)布置、或其他布置方式; 一般采用壽命長(cháng)、光效高的高壓鈉燈作為光源。

城市各級交通道路根據不同時(shí)段的照明需求，提供相應的照明水平是很好的控制方式和節能手段。

目前部分地區為節能普遍實(shí)行“半夜燈”制度，采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的權宜措施，關(guān)閉部分光源。然而此法不僅減小路面亮度( 照度) ，同時(shí)路面亮度( 照度) 均勻度也有不同程度、甚至是嚴重的下降( 與燈具布置方式也有關(guān)) ，不利于維護公共交通安全和社會(huì )治安。

目前，城市各級交通道路照明一般由專(zhuān)用的回路箱變專(zhuān)供，由于我國城市電網(wǎng)技術(shù)落后，電網(wǎng)電壓受負荷的影響較大，線(xiàn)路的電壓波動(dòng)大大超過(guò)國際標準，有時(shí)甚至會(huì )超過(guò)額定電壓的15% 以上。

在用電高峰期，電壓偏低; 用電低谷期，電壓偏高。

午夜用電低谷時(shí)，城市電負荷急劇減少，電網(wǎng)電壓較高，下半夜電壓普遍超過(guò)230V，甚至接近250V。

這樣將增加高達22% 的耗電量，不僅浪費能量，降低路燈使用壽命，而且路面照度太強不利于行車(chē)安全。

道路照明節電有很大的潛力，除了選擇高效照明器材之外，在深夜若適當降低回路電壓，調整光源的光通量，降低路面亮度/ 照度( 需保證正常的道路照明) 是節能效果最為明顯的一項有效措施。

3 智能照明控制策略

3. 1 節能調光原理

根據人體視覺(jué)對光線(xiàn)適應的理論，人眼對光線(xiàn)的感覺(jué)和光線(xiàn)成對數關(guān)系，即光照降低10% ，而人的視覺(jué)僅降低1% ， 因此適當降低光源的光通量( 從而可以節能) 而并不影響人的視覺(jué)。高壓鈉燈在正常工作條件下，進(jìn)入正常工作狀態(tài)前的整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程約需4 ～ 8 分鐘; 工作在弧光放電狀態(tài)時(shí)，為負斜率的伏—安特性曲線(xiàn)，電源電壓的波動(dòng)將引起燈具電參數的變化。電源電壓上升將引起燈管工作電流增大，工作電壓、燈管功率隨著(zhù)增高，造成燈泡壽命下降; 反之，電源電壓降低，燈的發(fā)光效率下降，還可能造成燈具不能啟動(dòng)或自行熄滅。

高壓鈉燈正常啟動(dòng)工作后， 將燈具電壓降至190V，甚至180V，高壓鈉燈都不會(huì )熄滅，因此，高壓鈉燈可以實(shí)施降壓供電。在工程實(shí)際中， 經(jīng)實(shí)驗測量，當高壓鈉燈電壓過(guò)壓10% 時(shí)，光源壽命約降低一倍; 電壓在正常工作電壓220V 附近小范圍下降時(shí)( 降壓10% ) ，功率成平方比快速下降，此時(shí)照度只是輕微下降，節電率可達20%。在高壓鈉燈工作時(shí)，電源電壓的波動(dòng)不宜過(guò)大，電源電壓的最優(yōu)選擇與控制都是節能照明最有效的途徑。

3. 2 目前控制策略的不足

照明控制可分為開(kāi)關(guān)控制和調光控制。調光控制又包括連續的調光控制( 被控光源的光通量可連續的變化) 和不連續的調光控制( 被控光源的光通量只能在若干固定的預設值之間變化)。合理、正確地選用照明控制方式不僅是經(jīng)濟性和使用性的良好統一，也是實(shí)現節能照明的有效措施。

我國現行的道路照明的控制簡(jiǎn)單粗糙，大多僅實(shí)現手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，或簡(jiǎn)單的定時(shí)器控制和光電控制。以路段為控制單位，按照日出日落時(shí)間對路燈進(jìn)行自動(dòng)控制，在滿(mǎn)足照度和節能上兩難取舍。但是，城市道路照明實(shí)際要求的照度( 亮度) 因環(huán)境等因素而不同，如: 傍晚尚未全黑時(shí)與夜間天全黑時(shí)，照度要求不同; 深夜與晚間及清晨不同; 受雨、雪、霧、陰天、風(fēng)沙等異常天氣影響。目前的粗放式管理，實(shí)現道路節能照明的合理化、科學(xué)化比較困難，也不能及時(shí)準確地了解路燈設備的工作狀態(tài)。

3. 3 TPO 控制策略

綜上所述，城市道路照明管理需充分考慮實(shí)際狀況，引入光控措施和交通流量傳感器，采取分區域和分時(shí)段的場(chǎng)景控制策略。依據人體工程學(xué)中的視覺(jué)理論，采用現代控制論中的最優(yōu)控制方法，實(shí)現對路燈電壓及照度的動(dòng)態(tài)智能化管理，即TPO管理( TIME /PLACE /OCCASION)。所謂場(chǎng)景控制就是通過(guò)綜合考慮和分析與道路照明密切相關(guān)的時(shí)間、路段、環(huán)境照度和交通流量等因素，按照預設的控制策略，能夠實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、平滑地調整路燈輸入電壓，從而進(jìn)行路燈的調壓式調光輸出，對道路照明進(jìn)行動(dòng)態(tài)智能化管理，控制路燈在不同情況下工作在不同狀態(tài)，實(shí)現多樣化的道路照明場(chǎng)景，從而在提高照明質(zhì)量的同時(shí)獲得最佳得節能效果，節約有功電耗達20 ～ 30% 以上。

對節能照明智能控制策略( 包括時(shí)間表控制、組群控制和環(huán)境參數輔助控制) 進(jìn)行融合，以高壓鈉燈為控制對象，實(shí)施以下照明控制策略:

a) 分時(shí)段照明控制

在晚間繁忙的時(shí)段，控制路燈保持較高的照度，接近午夜時(shí)分，開(kāi)始自動(dòng)調光，在后半夜車(chē)稀人少時(shí)，則控制路燈保持較低照度的照明，同時(shí)還可以根據節假日和特殊天氣狀況自動(dòng)調整控制策略。另外，精確的開(kāi)關(guān)燈控制也需要根據城市所處的經(jīng)緯度計算出當地每天的開(kāi)關(guān)燈時(shí)間。

b) 組群控制

處于同一照明回路中的不同路燈，由于其所處位置的不同，對其照明控制的要求可能也不相同。

基于單燈節點(diǎn)的控制和檢測，實(shí)現指定組群燈具的不同場(chǎng)景控制。組群控制可以通過(guò)道路照明系統底層———照明回路控制單元和智能路燈節點(diǎn)控制器之間的通信協(xié)議層實(shí)現配置和組合。

c) 環(huán)境參數輔助控制

根據天氣、交通流量等實(shí)際的環(huán)境參數調整照明控制措施，以獲得更好的照明質(zhì)量和節電效果。

綜合考慮自然光照度和當前時(shí)間，消除環(huán)境光中的尖峰干擾或突變持續性干擾，執行相應的開(kāi)燈或關(guān)燈操作，以調整路燈開(kāi)關(guān)的時(shí)刻和時(shí)間。道路上車(chē)輛流量不是一成不變的，每個(gè)道路段的流量也會(huì )有所變化。因此，也可以根據車(chē)輛流量進(jìn)行路面光照度調節。

d) 閉環(huán)回路照明控制

午夜12 點(diǎn)后，依據行駛車(chē)輛的大致位置和行進(jìn)方向，在其前方相應路段的照明回路進(jìn)行照度調節。

4 無(wú)線(xiàn)控制通信網(wǎng)絡(luò )

引入智能場(chǎng)景控制策略的城市道路照明管理需要構建由路燈節點(diǎn)控制器LCU、照明回路控制單元RTU 和照明管理中心組成的控制網(wǎng)絡(luò )。路燈節點(diǎn)控制器LCU ( Light Control Unit) 負責所屬路燈的工作狀態(tài)檢測和控制; 管理中心工作站通過(guò)Ethernet 或者遠程無(wú)線(xiàn)通信與回路控制單元RTU ( RemoteTerminal Unit) 通信，經(jīng)回路控制單元向各節點(diǎn)發(fā)布控制指令和獲取各節點(diǎn)回傳的狀態(tài)信息; 節點(diǎn)控制器和回路控制單元之間則可采用多種方式的通信介質(zhì)實(shí)現，如現場(chǎng)總線(xiàn)、窄帶電力線(xiàn)載波、以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等。

傳統的現場(chǎng)總線(xiàn)在道路照明控制中也有應用，但是大多存在著(zhù)通訊接口協(xié)議復雜，而且需要鋪設專(zhuān)用線(xiàn)纜，路燈網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)成本高、維護不方便等問(wèn)題; 窄帶電力線(xiàn)載波直接利用電力線(xiàn)進(jìn)行數據通信，省去了專(zhuān)用電纜的安裝，構建靈活，具有性?xún)r(jià)比高、升級方便、維護簡(jiǎn)單等特色，但存在電力線(xiàn)干擾大、傳輸速率慢的缺點(diǎn)，大規模應用的可靠性還有待驗證。隨著(zhù)通信和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )因其組網(wǎng)方便，布局容易，維護簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)始逐步應用工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。在道路照明控制中，目前成熟的應用大多采用常規工業(yè)頻段或利用GSM 短信息或GPRS /CDMA 等公眾網(wǎng)。采用數傳電臺不但需要申請工業(yè)頻段，天線(xiàn)架設麻煩，而且設備價(jià)格較高; GSM 短消息通信實(shí)現簡(jiǎn)單，不過(guò)實(shí)時(shí)性和信息量得不到保證，而GPRS /CDMA 按流量計費，在照明燈具節點(diǎn)數量較多時(shí)，系統成本會(huì )急劇上升。

短距離無(wú)線(xiàn)通信具有低成本、低功耗、對等通信的重要特征和優(yōu)點(diǎn)。終端間的直通能力即實(shí)現對等通信是短距離無(wú)線(xiàn)通信的重要特征，有別于長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，對等通信無(wú)需網(wǎng)絡(luò )基礎設施進(jìn)行中轉，接口設計和高層協(xié)議相對比較簡(jiǎn)單，更適合于城市道路照明控制系統的規?；濣c(diǎn)通信，國內外已有不少機構和公司開(kāi)始關(guān)注和研究基于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )化道路照明管理系統。

城市道路照明的路燈設置間距要考慮到道路性質(zhì)和照明要求，一般在35 ～ 50 米左右的間隔區間。

短距離無(wú)線(xiàn)通信由于受發(fā)射功率的限制( 工業(yè)與信息化部無(wú)線(xiàn)電管理局規定城市環(huán)境下單個(gè)無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)設備RF 發(fā)射功率不可超過(guò)100mW) ， 傳輸距離與大功率數傳電臺相比有較大差距，因此主從配置(所有無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)都與訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)連接) 的連接方式不再合適，需要以照明回路中的路燈節點(diǎn)控制器形成接力式傳遞和冗余路由來(lái)完成點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信。

借鑒無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN) 的思想， 集中管理、分散控制，多個(gè)路燈節點(diǎn)控制器LCU 組成鏈狀樹(shù)型拓撲自組織結構。照明回路控制單元( 主控節點(diǎn)RTU) 和管理中心工作站之間采用GSM /圖1 節能道路照明系統的無(wú)線(xiàn)智能控制網(wǎng)絡(luò )組成示意圖GPRS 進(jìn)行數據傳輸， 同時(shí)擔任WSN 網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，通過(guò)節點(diǎn)間無(wú)線(xiàn)多跳式傳輸方式和路燈節點(diǎn)控制器之間通信。路燈節點(diǎn)LCU 之間的路由通信通過(guò)數據應答和數據重發(fā)的握手協(xié)議， 確保通信的可靠性;若通信時(shí)發(fā)現某路燈節點(diǎn)LCU 失效， 則可跳過(guò)此LCU 節點(diǎn)與鄰近LCU 節點(diǎn)進(jìn)行通信，并及時(shí)把該節點(diǎn)LCU 故障狀態(tài)反饋于回路控制單元。圖1 所示為以無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)為基礎構建的節能道路照明控制系統結構示意圖。

圖1 節能道路照明系統的無(wú)線(xiàn)智能控制網(wǎng)絡(luò )組成示意圖

典型的短距離無(wú)線(xiàn)連接有多種規范和標準，如802. 11b、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA 等。其中在免費的2. 4GHz ISM ( 工業(yè)、科學(xué)、醫療) 頻段工作的ZigBee 作為一種新興的短距離低速率網(wǎng)絡(luò )技術(shù)已在道路照明控制系統中有所應用。另一方面，若基于非標準協(xié)議構建系統， 則在保留ZigBee 絕大部分優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)( 低功耗、低成本、時(shí)延短、組網(wǎng)方便等) 的同時(shí)，可以獲得更高的效率( 標準協(xié)議通信過(guò)程需要按協(xié)議特定格式封裝數據包，降低了傳輸效率，ZigBee 約為21% ，采用非標準協(xié)議則可提高到約40% ) ，從而能更有效的傳輸數據; 自定義協(xié)議組網(wǎng)可按照具體道路情況靈活設置，自行設計通信過(guò)程和網(wǎng)絡(luò )拓撲結構; 與此同時(shí)，基于非標準協(xié)議無(wú)線(xiàn)通信支持的最高傳輸速率1Mbit / s 也大于ZigBee 協(xié)議的傳輸速率250kbit / s。

不論是采用ZigBee 標準協(xié)議還是基于非標準協(xié)議無(wú)線(xiàn)通信，都可以簡(jiǎn)化布線(xiàn)，方便回路控制單元和多個(gè)路燈節點(diǎn)控制器之間組網(wǎng)，實(shí)現道路的節能照明控制。

5 節能照明節點(diǎn)控制器設計

照明回路控制單元( 主控節點(diǎn)) 和路燈節點(diǎn)LCU 的實(shí)現是軟硬件的結合。照明回路控制單元安裝在箱變附近，接受傳感器采集信息，監測箱變及照明回路的工作狀態(tài)，同時(shí)與路燈節點(diǎn)建立無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，監控網(wǎng)絡(luò )中各節點(diǎn)LCU 的工作狀態(tài)，并通過(guò)GPRS 收發(fā)器與管理中心工作站通信。為增強可靠性，設計采用PLC 或工控計算機為核心，短距離無(wú)線(xiàn)通信接口、電力狀態(tài)與控制模塊、照度/ 流量傳感器接口、電能計量模塊、人機交互接口和指示電路、外部數據存儲器等外圍配置的硬件實(shí)現。

照明節點(diǎn)LCU 的硬件電路實(shí)現相對簡(jiǎn)單，主要以低功耗微處理器( 單片機、ARM 或DSP 等) 控制電路和無(wú)線(xiàn)通信接口為基礎按給定協(xié)議( ZigBee或自定義協(xié)議) 實(shí)現多跳網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)功能，配備必要的照度/流量傳感器接口和照明電路狀態(tài)與控制接口模塊實(shí)現路燈的開(kāi)關(guān)控制、亮度調節和狀態(tài)監測，在智能化節能照明策略的管理下運行。

在沒(méi)有管理中心干預的情況下，照明回路控制單元和節點(diǎn)LCU 按照預設的照明控制策略完成自主的現場(chǎng)照明控制。為了使高壓鈉燈始終在最佳工作特性下工作，路燈光輸出的改變不是突變而是分步進(jìn)行的，防止路燈在調光過(guò)程中熄滅。無(wú)論預先設定的調光電壓值為多少，路燈在剛點(diǎn)亮以后首先工作在100% 光輸出狀態(tài)( 額定電壓) 下; 當路燈完全點(diǎn)亮后，照明回路控制單元和節點(diǎn)LCU 才會(huì )按控制策略逐漸將路燈光輸出調整到預設值。

考慮到現場(chǎng)情況復雜多變，因此可保留原來(lái)的道路照明系統電路( 作為冗余系統) ，在智能照明控制系統發(fā)生故障時(shí)或者特定情況下，能夠快速安全的無(wú)障礙切換到現用的傳統照明系統電路，方便路燈使用過(guò)程中的維護和管理工作。

6 結束語(yǔ)

基于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，采用現有的成熟技術(shù)升級改造道路節能照明智能控制系統設計，實(shí)現從簡(jiǎn)單控制的粗放式管理向回路調壓、單燈控制的精細化管理轉換，可以實(shí)時(shí)監控和管理城市道路夜間照明使之高效穩定安全運行，有效節約電能消耗。