節(jié)能道路照明系統(tǒng)的無線智能控制設計

摘要：根據(jù)道路照明系統(tǒng)的運行特點，在節(jié)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)絡拓撲結(jié)構選擇。節(jié)能道路照明系統(tǒng)在智能照明控制策略的統(tǒng)一指導下運行，基于低功耗無線通信技術，實現(xiàn)節(jié)能照明。具體介紹和分析了有關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(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構，主控單元/現(xiàn)場節(jié)點的硬件/硬件構成和設計思想。分析表明，基于短距離無線通信實現(xiàn)節(jié)能道路智能照明策略控制是可行的。

1 引言

已經(jīng)頒布實施的國家城市道路照明設計行業(yè)標準規(guī)定，城市道路照明應該為各種車輛的駕駛?cè)藛T以及行人創(chuàng)造良好的視覺環(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( 特別是機動車交通道路) 達到一定的亮度標準，另一方面，近年來，隨著國內(nèi)城市化進程的迅速發(fā)展，相關道路照明設施的規(guī)模及數(shù)量越來越大，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(jié)能降耗研究中的重要內(nèi)容。

2 城市路燈照明系統(tǒng)

機動車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(qū)分。常規(guī)照明燈具的布置常采用間隔一定距離的道路雙側(cè)交錯布置、雙側(cè)對稱布置、或其他布置方式; 一般采用壽命長、光效高的高壓鈉燈作為光源。

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

目前部分地區(qū)為節(jié)能普遍實行“半夜燈”制度，采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的權宜措施，關閉部分光源。然而此法不僅減小路面亮度( 照度) ，同時路面亮度( 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) ，不利于維護公共交通安全和社會治安。

目前，城市各級交通道路照明一般由專用的回路箱變專供，由于我國城市電網(wǎng)技術落后，電網(wǎng)電壓受負荷的影響較大，線路的電壓波動大大超過國際標準，有時甚至會超過額定電壓的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，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安全。

道路照明節(jié)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(diào)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(jié)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(jié)能調(diào)光原理

根據(jù)人體視覺對光線適應的理論，人眼對光線的感覺和光線成對數(shù)關系，即光照降低10% ，而人的視覺僅降低1% ， 因此適當降低光源的光通量( 從而可以節(jié)能) 而并不影響人的視覺。高壓鈉燈在正常工作條件下，進入正常工作狀態(tài)前的整個啟動過程約需4 ～ 8 分鐘; 工作在弧光放電狀態(tài)時，為負斜率的伏—安特性曲線，電源電壓的波動將引起燈具電參數(shù)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或自行熄滅。

高壓鈉燈正常啟動工作后， 將燈具電壓降至190V，甚至180V，高壓鈉燈都不會熄滅，因此，高壓鈉燈可以實施降壓供電。在工程實際中， 經(jīng)實驗測量，當高壓鈉燈電壓過壓10% 時，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( 降壓10% ) ，功率成平方比快速下降，此時照度只是輕微下降，節(jié)電率可達20%。在高壓鈉燈工作時，電源電壓的波動不宜過大，電源電壓的最優(yōu)選擇與控制都是節(jié)能照明最有效的途徑。

3. 2 目前控制策略的不足

照明控制可分為開關控制和調(diào)光控制。調(diào)光控制又包括連續(xù)的調(diào)光控制( 被控光源的光通量可連續(xù)的變化) 和不連續(xù)的調(diào)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(tǒng)一，也是實現(xiàn)節(jié)能照明的有效措施。

我國現(xiàn)行的道路照明的控制簡單粗糙，大多僅實現(xiàn)手動開關控制，或簡單的定時器控制和光電控制。以路段為控制單位，按照日出日落時間對路燈進行自動控制，在滿足照度和節(jié)能上兩難取舍。但是，城市道路照明實際要求的照度( 亮度) 因環(huán)境等因素而不同，如: 傍晚尚未全黑時與夜間天全黑時，照度要求不同; 深夜與晚間及清晨不同; 受雨、雪、霧、陰天、風沙等異常天氣影響。目前的粗放式管理，實現(xiàn)道路節(jié)能照明的合理化、科學化比較困難，也不能及時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際狀況，引入光控措施和交通流量傳感器，采取分區(qū)域和分時段的場景控制策略。依據(jù)人體工程學中的視覺理論，采用現(xiàn)代控制論中的最優(yōu)控制方法，實現(xiàn)對路燈電壓及照度的動態(tài)智能化管理，即TPO管理( TIME /PLACE /OCCASION)。所謂場景控制就是通過綜合考慮和分析與道路照明密切相關的時間、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?qū)崟r、動態(tài)、平滑地調(diào)整路燈輸入電壓，從而進行路燈的調(diào)壓式調(diào)光輸出，對道路照明進行動態(tài)智能化管理，控制路燈在不同情況下工作在不同狀態(tài)，實現(xiàn)多樣化的道路照明場景，從而在提高照明質(zhì)量的同時獲得最佳得節(jié)能效果，節(jié)約有功電耗達20 ～ 30% 以上。

對節(jié)能照明智能控制策略( 包括時間表控制、組群控制和環(huán)境參數(shù)輔助控制) 進行融合，以高壓鈉燈為控制對象，實施以下照明控制策略:

a) 分時段照明控制

在晚間繁忙的時段，控制路燈保持較高的照度，接近午夜時分，開始自動調(diào)光，在后半夜車稀人少時，則控制路燈保持較低照度的照明，同時還可以根據(jù)節(jié)假日和特殊天氣狀況自動調(diào)整控制策略。另外，精確的開關燈控制也需要根據(jù)城市所處的經(jīng)緯度計算出當?shù)孛刻斓拈_關燈時間。

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(jié)點的控制和檢測，實現(xiàn)指定組群燈具的不同場景控制。組群控制可以通過道路照明系統(tǒng)底層———照明回路控制單元和智能路燈節(jié)點控制器之間的通信協(xié)議層實現(xiàn)配置和組合。

c) 環(huán)境參數(shù)輔助控制

根據(jù)天氣、交通流量等實際的環(huán)境參數(shù)調(diào)整照明控制措施，以獲得更好的照明質(zhì)量和節(jié)電效果。

綜合考慮自然光照度和當前時間，消除環(huán)境光中的尖峰干擾或突變持續(xù)性干擾，執(zhí)行相應的開燈或關燈操作，以調(diào)整路燈開關的時刻和時間。道路上車輛流量不是一成不變的，每個道路段的流量也會有所變化。因此，也可以根據(jù)車輛流量進行路面光照度調(diào)節(jié)。

d) 閉環(huán)回路照明控制

午夜12 點后，依據(jù)行駛車輛的大致位置和行進方向，在其前方相應路段的照明回路進行照度調(diào)節(jié)。

4 無線控制通信網(wǎng)絡

引入智能場景控制策略的城市道路照明管理需要構建由路燈節(jié)點控制器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。路燈節(jié)點控制器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Ethernet 或者遠程無線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(jié)點發(fā)布控制指令和獲取各節(jié)點回傳的狀態(tài)信息; 節(jié)點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)實現(xiàn)，如現(xiàn)場總線、窄帶電力線載波、以及無線網(wǎng)絡等。

傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線在道路照明控制中也有應用，但是大多存在著通訊接口協(xié)議復雜，而且需要鋪設專用線纜，路燈網(wǎng)絡組網(wǎng)成本高、維護不方便等問題; 窄帶電力線載波直接利用電力線進行數(shù)據(jù)通信，省去了專用電纜的安裝，構建靈活，具有性價比高、升級方便、維護簡單等特色，但存在電力線干擾大、傳輸速率慢的缺點，大規(guī)模應用的可靠性還有待驗證。隨著通信和自動化技術的發(fā)展，無線網(wǎng)絡因其組網(wǎng)方便，布局容易，維護簡單的優(yōu)點，開始逐步應用工業(yè)生產(chǎn)領域中。在道路照明控制中，目前成熟的應用大多采用常規(guī)工業(yè)頻段或利用GSM 短信息或GPRS /CDMA 等公眾網(wǎng)。采用數(shù)傳電臺不但需要申請工業(yè)頻段，天線架設麻煩，而且設備價格較高; GSM 短消息通信實現(xiàn)簡單，不過實時性和信息量得不到保證，而GPRS /CDMA 按流量計費，在照明燈具節(jié)點數(shù)量較多時，系統(tǒng)成本會急劇上升。

短距離無線通信具有低成本、低功耗、對等通信的重要特征和優(yōu)點。終端間的直通能力即實現(xiàn)對等通信是短距離無線通信的重要特征，有別于長距離無線通信技術，對等通信無需網(wǎng)絡基礎設施進行中轉(zhuǎn)，接口設計和高層協(xié)議相對比較簡單，更適合于城市道路照明控制系統(tǒng)的規(guī)模化節(jié)點通信，國內(nèi)外已有不少機構和公司開始關注和研究基于無線通信技術的網(wǎng)絡化道路照明管理系統(tǒng)。

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(qū)間。

短距離無線通信由于受發(fā)射功率的限制( 工業(yè)與信息化部無線電管理局規(guī)定城市環(huán)境下單個無線接入點設備RF 發(fā)射功率不可超過100mW) ， 傳輸距離與大功率數(shù)傳電臺相比有較大差距，因此主從配置(所有無線節(jié)點都與訪問節(jié)點連接) 的連接方式不再合適，需要以照明回路中的路燈節(jié)點控制器形成接力式傳遞和冗余路由來完成點到點無線通信。

借鑒無線傳感器網(wǎng)絡(WSN) 的思想， 集中管理、分散控制，多個路燈節(jié)點控制器LCU 組成鏈狀樹型拓撲自組織結(jié)構。照明回路控制單元( 主控節(jié)點RTU) 和管理中心工作站之間采用GSM /圖1 節(jié)能道路照明系統(tǒng)的無線智能控制網(wǎng)絡組成示意圖GPRS 進行數(shù)據(jù)傳輸， 同時擔任WSN 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，通過節(jié)點間無線多跳式傳輸方式和路燈節(jié)點控制器之間通信。路燈節(jié)點LCU 之間的路由通信通過數(shù)據(jù)應答和數(shù)據(jù)重發(fā)的握手協(xié)議， 確保通信的可靠性;若通信時發(fā)現(xiàn)某路燈節(jié)點LCU 失效， 則可跳過此LCU 節(jié)點與鄰近LCU 節(jié)點進行通信，并及時把該節(jié)點LCU 故障狀態(tài)反饋于回路控制單元。圖1 所示為以無線通信技術為基礎構建的節(jié)能道路照明控制系統(tǒng)結(jié)構示意圖。

圖1 節(jié)能道路照明系統(tǒng)的無線智能控制網(wǎng)絡組成示意圖

典型的短距離無線連接有多種規(guī)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、醫(yī)療) 頻段工作的ZigBee 作為一種新興的短距離低速率網(wǎng)絡技術已在道路照明控制系統(tǒng)中有所應用。另一方面，若基于非標準協(xié)議構建系統(tǒng)， 則在保留ZigBee 絕大部分優(yōu)點和特點( 低功耗、低成本、時延短、組網(wǎng)方便等) 的同時，可以獲得更高的效率( 標準協(xié)議通信過程需要按協(xié)議特定格式封裝數(shù)據(jù)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(shù)據(jù); 自定義協(xié)議組網(wǎng)可按照具體道路情況靈活設置，自行設計通信過程和網(wǎng)絡拓撲結(jié)構; 與此同時，基于非標準協(xié)議無線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)議無線通信，都可以簡化布線，方便回路控制單元和多個路燈節(jié)點控制器之間組網(wǎng)，實現(xiàn)道路的節(jié)能照明控制。

5 節(jié)能照明節(jié)點控制器設計

照明回路控制單元( 主控節(jié)點) 和路燈節(jié)點LCU 的實現(xiàn)是軟硬件的結(jié)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(jiān)測箱變及照明回路的工作狀態(tài)，同時與路燈節(jié)點建立無線通信網(wǎng)絡，監(jiān)控網(wǎng)絡中各節(jié)點LCU 的工作狀態(tài)，并通過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，短距離無線通信接口、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(shù)據(jù)存儲器等外圍配置的硬件實現(xiàn)。

照明節(jié)點LCU 的硬件電路實現(xiàn)相對簡單，主要以低功耗微處理器( 單片機、ARM 或DSP 等) 控制電路和無線通信接口為基礎按給定協(xié)議( ZigBee或自定義協(xié)議) 實現(xiàn)多跳網(wǎng)絡節(jié)點功能，配備必要的照度/流量傳感器接口和照明電路狀態(tài)與控制接口模塊實現(xiàn)路燈的開關控制、亮度調(diào)節(jié)和狀態(tài)監(jiān)測，在智能化節(jié)能照明策略的管理下運行。

在沒有管理中心干預的情況下，照明回路控制單元和節(jié)點LCU 按照預設的照明控制策略完成自主的現(xiàn)場照明控制。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行的，防止路燈在調(diào)光過程中熄滅。無論預先設定的調(diào)光電壓值為多少，路燈在剛點亮以后首先工作在100% 光輸出狀態(tài)( 額定電壓) 下; 當路燈完全點亮后，照明回路控制單元和節(jié)點LCU 才會按控制策略逐漸將路燈光輸出調(diào)整到預設值。

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

6 結(jié)束語

基于無線通信技術，采用現(xiàn)有的成熟技術升級改造道路節(jié)能照明智能控制系統(tǒng)設計，實現(xiàn)從簡單控制的粗放式管理向回路調(diào)壓、單燈控制的精細化管理轉(zhuǎn)換，可以實時監(jiān)控和管理城市道路夜間照明使之高效穩(wěn)定安全運行，有效節(jié)約電能消耗。