城市路灯智慧照明系统的设计

张子征

深圳市金达照明有限公司

摘要：笔者主要从智慧照明相关技术、智慧照明系统设计等几方面概述了本文主题，旨在与同行共同探讨学习。

关键词：智慧照明；路灯照明；设计

一、智慧照明相关技术

1.CED照明光源与驱动技术

（1）新型CED（ControlEffcientDischarge）光源简介

节能照明光源目前主要是集中在了LED节能光源产品的研发，但是，经过一段时间的应用实验，人们发现LED在白光照明中显色性偏低，给人眼带来刺眼的不舒服感官，而且LED产品的光衰比较严重，在路灯照明的实践中人们已经逐渐发现了LED产品的诸多不足之处。黑龙江省工大国鑫光电科技股份有限公司依托哈尔滨工业大学多年研究的光学技术成果，研发的新型高效节能CED光源，是对普通氙气金卤灯基础上深层开发的双电弧氙气灯，具有高效、智慧、高显色、宽色温、长寿命、有效光效高、光污染小、透雾性好、均光性强、价格优等显著特点。

采用新型高效CED节能照明系统光效可达100Lm/w以上，比高压钠灯节电70%，比LED灯节点10%以上，但成本仅为LED灯的60%。CED的有效光效大于钠灯和LED灯，因此在大功率照明方面，对比效果见图1-1。

图1-1CED光效对比图

（2）CED电源驱动技术

目前市场上普遍使用的电感式镇流器对电网造成严重污染，黑龙江省工大国鑫光电科技股份有限公司针对CED照明系统专门设计的智能型节能电源系统具有多项独有技术。

CED专用高效电子镇流器，系统整体效率可达93%，远远高于钠灯所用的电感式镇流器，在节能方面单此一项可节电20%-30%。

动态节能照明电源采用国际最新电力电子技术，通过AC-AC矩阵变换实现合理功率控制与分配以达到节能目的。采用“光控+时控”的混合控制策略，由嵌入于控制电路中的智能化控制软件调节PWM控制信号的占空比，进而调节设备输出的电能量幅值，实现按需照明、智能照明、人性照明。

2.短距离无线组网技术

目前，短距离无线组网主要技术是ZigBee技术，它以IEEE802.15.4协议为基础。工作在2.4GHz频段数据传输速率为250kbps/s，标准传输距离为75m。

本项目使用ZigBee技术实现路灯末端控制传输，优势在于通讯频段多，组网能力强，无通讯费用，ZigBee技术低成本、功耗低。可以实现实时监控，实现多种路灯控制方式。

二、智慧照明系统需求分析

1.控制设备组网分析

控制设备组网方式，采用两级网络结构。控制终端与主控制器之间采用ZigBee技术，实现近距离无线组网，主控制器与服务器之间采用GRPS网络实现远程网络传输。这样的网络结构设计，一方面发挥了ZigBee网络低成本的优势，同时解决了ZigBee无线网络传输距离有限的问题。基于两级网络结构，整体城市路灯被分为若干个ZigBee区域网络，每个ZigBee网络控制几十个路灯，覆盖若干个街道。

装在路灯灯杆上的终端控制节点，与主控制器节点通过ZigBee通信方式组网。一个主控制器，连接多个控制终端。主控制器通过无线连接，向控制终端发送控制信号数据；控制终端通过无线连接，向主控制器发送状态数据和报警数据。控制中心服务器与主控制器通过

GPRS通信方式进行连接。主控制器作为网络中间节点层，向上和向下传递数据，整体网络结构如图2-2所示。

图2-2控制终端组网示意图

2.软件功能需求分析

（1）节能控制策略分析

节能控制策略分析智慧照明系统的主要目标，是实现对城市路灯照明系统进行节能优化，同时降低维护工作量，从整体上降低系统运维成本。实现路灯照明的智能控制，既可以实现针对单盏路灯基于时间和亮度的节能控制，还可以对一个区域内灯组实施节能策略算法，达到节能的目的。实现故障检测与报警，使得路灯故障或损坏时自动发出信息提示，并能够为检测人员提供准确定位，从而不再需要人工巡视道路进行检修，大大降低日常维护成本。实时采集路灯运行时的电流、电压、功率、功率因素等参数，通过无线通信传输到服务器实时处理并进行数据存储，为节能效果分析、照明工程规划、智慧城市建设等建立数据基础。

路灯控制策略是智慧路灯系统的业务核心部分。通过对路灯节点的控制，实现如下几种不同的控制模式：

1）半功率运行模式

路灯控制终端被设置为半功率运行模式后，路灯立即开始工作，通过路灯可控镇流器的

PWM调光功能，将路灯的输出功率控制在额定值的50%或者指定功率数值。一般用于人车流量小路段或者后半夜时间区间。

2）随机交替运行模式

随机交替运行模式是节约电力和延长路灯寿命的有效方式之一。路灯控制终端被设置为随机交替运行模式，路灯以一定的概率分布交替开启。一般用于人车流量小路段或者后半夜时间区间。

（2）数据处理软件需求分析

数据处理软件是整个系统的核心部分，实现对上行数据的实时分析处理，以及下行指令的拆分解析。数据处理软件以后台系统软件的方式进行运行，无人机交互界面，主要有控制指令处理、路灯数据处理、报警分析处理、控制效果监测与纠偏、节能效果分析等功能实现。

1）控制指令处理

控制指令处理功能，主要以每日定时任务的形式，对当日路灯控制策略进行数据提取与解析，分解形成最终的控制指令数据，并完成指令下发。整个过程主要分为几个部分，首先系统定时任务开始运行，从操作管理软件数据库中读取当日的控制模式数据；然后分别对不同的控制模式采用不同的解析算法进行分解处理，对分解后的控制指令进行分组归并和优先级处理；最后将已完成分组的控制指令并行发送至通信接口软件平台。对于人工操作的控制模式下发，也采用相同的过程和逻辑进行处理。

2）节能效果分析

本系统的主要目标就是节能照明，为此系统在控制模式中设计了半功率和自定义功率的控制模式，以实现节能的目的。本功能通过对节能的计算，得出系统的节能效率。路灯如果始终处于额定功率以上运行，即造成电能的浪费。路灯低于额定功率输出，以及控制区域内部分路灯开启等方式，都会带来节能的效果。

设定路灯当日标准工作总时间为T，路灯额定输出功率为P，路灯以超出额定功率P1运行时间为T1，路灯在额定功率P输出运行时间为T2，路灯以低于额定功率P3运行数据位T33个输出阶段的电能消耗进行累计计算，则得出其实际消耗电能。用额定输出消耗电能减去实际消耗电能，即为单个路灯在一天时间节约的电能，从而进一步得到其节能效率。

三、智慧照明系统设计

1.软件技术架构设计

系统整体技术架构，如图3-1所示。整个系统分为3层，分别为界面层、逻辑层、数据层。界面层使用VC++技术，实现操作级应用软件，为用户对系统进行维护管理提供人机交互界面。该应用软件中实现的功能逻辑，也是使用VC++技术，数据库使用MySQL。在逻辑层中，由Mina为基础框架，开发实现通信接口软件；Storm作为实现数据处理软件的核心框架；由Zookeeper实现对分布式集群的统一管理。DRPCServer作为实现应用接口的技术手段，将Storm的数据计算处理能力封装为同步实时接口。数据处理软件，使用非关

系型数据库MongoDB作为存储和处理数据的数据库系统。

图3-1软件技术架构图

2.通信协议设计

（1）数据通信协议栈

主控制器与接口软件、接口软件与应用系统之间通信采用TCP/IP协议，通信协议栈具体结构如图3-2所示。

（2）通信方式

通信接口软件共有两种连接方式：长连接和短连接。长连接通信方式，是指在建立一个

TCP连接后，客户端与服务端均维持连接不断开，在此连接中持续发送数据包，当没有数据传送时，双方定时发送心跳包，用于来维持连接并判断对方通信链路状态。短连接通信方式，是指在客户端需要传送数据时，向服务端发起建立一个TCP连接，当数据传送完毕后，服务端或客户端主动断开连接，当下一次数据传送时，重新建立连接，重复上一个过程。通信接口软件与控制器之间，无论控制器上行数据传输，还是通信接口软件下行控制数据，均使用长连接方式进行通信。长连接方式。通信接口软件与应用系统之间，只采用短连接方式。

图3-2系统间的通信协议栈

3.灯控管理服务软件功能

（1）智能化的开关控制功能（开、关、调光）

1）可以对整个集中控制器下所有灯进行全控；

2）可以对集中控制器下灯进行自由分组，实现组控功能；

3）可以单独对某个灯实现点控功能。

（2）智能查询

1）实现对集中器、组、节点的查询功能；

2）灯具故障报警功能；

3）可以查询事件日志，并导出到表格进行分析；

4）报警信息快速定位当前集中器，极大简化了维修巡查时间。

结语

本文实现了一种用于城市路灯智慧照明的物联网应用系统，其主要设计目标，是对城市路灯照明系统进行节能优化，同时降低维护工作量，从整体上降低系统运维成本。

参考文献：

[1]邵宇锋..GSM技术在路灯远程监控系统中的应用[J].电子技术杂志，2004，12（4）：90-92.

[2]戚家金等.城市路灯监控系统的分布式体系结构设计[J].电力电子技术，2004，41（10）：18-21.

[3]项新建.城镇路灯智能控制系统的研究[J].仪器仪表学报，2006，27（6）：2006-2008.