互聯(lián)網(wǎng)+LED路燈分布式控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王有鎖 王連明 趙利軍

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互聯(lián)網(wǎng)+LED路燈分布式控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王有鎖 王連明 趙利軍

安徽卓越電氣有限公司 工程研究院，安徽 合肥 230001

提出一種互聯(lián)網(wǎng)+LED路燈分布式控制系統(tǒng)的技術(shù)方案，通過給LED路燈增設(shè)具有時(shí)鐘控制功能的控制模塊，并采用電力線通信技術(shù)，利用現(xiàn)有電力線路資源，實(shí)現(xiàn)LED路燈的互聯(lián)互通和自動(dòng)控制。這種分布式照明控制技術(shù)將為現(xiàn)代城市照明提供一套科學(xué)、高效、安全、可控、可調(diào)、可視的先進(jìn)管理方法，使之成為構(gòu)建新型智慧城市的重要途徑。

新型智慧城市；互聯(lián)網(wǎng)+；分布式控制；燈聯(lián)網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)；電力線載波

1 互聯(lián)網(wǎng)+LED路燈分布式控制系統(tǒng)總體技術(shù)方案

方案由LED路燈、控制模塊、現(xiàn)場服務(wù)器、3G/4G無線終端、中心服務(wù)器等部分組成，其中LED路燈采用PWM數(shù)字調(diào)光技術(shù)；控制模塊采用電力線通信技術(shù)，集成電能采集和時(shí)鐘控制功能，為LED路燈提供PWM數(shù)字調(diào)光和開關(guān)信號(hào)；現(xiàn)場服務(wù)器采用電力線通信技術(shù)，與控制模塊直接通信和數(shù)據(jù)交互，并集成互聯(lián)網(wǎng)接口，具有任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、基于經(jīng)緯度自動(dòng)計(jì)算日出與日落時(shí)間、故障數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳等功能；3G/4G無線終端主要是通過無線技術(shù)把現(xiàn)場服務(wù)器中存儲(chǔ)的和采集的LED路燈數(shù)據(jù)上傳到云端互聯(lián)網(wǎng)；中心服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)獲得LED路燈的數(shù)據(jù)，并采用平臺(tái)軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類歸整和處理，然后展示給用戶[1]。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)+分布式數(shù)字路燈總體技術(shù)方案系統(tǒng)圖

方案中，控制模塊和現(xiàn)場服務(wù)器均具有LED路燈分布式控制的功能，即任意一只控制模塊或現(xiàn)場服務(wù)器的異常，均不會(huì)影響其他控制模塊和現(xiàn)場服務(wù)器對(duì)LED路燈的控制。當(dāng)現(xiàn)場服務(wù)器失效或因異常原因?qū)е码娏€路長時(shí)間不通信時(shí)，則控制模塊將自動(dòng)啟動(dòng)其時(shí)鐘控制功能并適時(shí)打開LED路燈，即方便了市民，又保障了城市照明安全[2]。

2 方案關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

2.1 LED路燈的智能化

當(dāng)前，LED技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入成熟和規(guī)模應(yīng)用階段，其高光效、長壽命等顯著的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)已被廣泛認(rèn)可，并正在加速進(jìn)入城市照明領(lǐng)域。在新型智慧城市建設(shè)中，如何實(shí)現(xiàn)路燈的智能化控制是關(guān)鍵技術(shù)之一。本方案中，LED路燈的智能化是通過為其配置一個(gè)控制模塊來實(shí)現(xiàn)的。該控制模塊具有數(shù)字調(diào)光接口、時(shí)鐘控制、電能測量、數(shù)字開關(guān)等功能。當(dāng)控制系統(tǒng)異常時(shí)，控制模塊自動(dòng)啟動(dòng)其時(shí)鐘功能，適時(shí)開燈或調(diào)光，實(shí)現(xiàn)分布式LED路燈控制和管理功能。其技術(shù)接口設(shè)計(jì)如圖2：

圖2 LED路燈的智能化接口示意圖

2.2 控制模塊

控制模塊具有全球唯一的控制地址，用以實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)+LED路燈的控制和管理，并為LED路燈提供電源通斷控制和調(diào)光信號(hào)，以及電能測量和故障診斷等功能。本方案中，控制模塊采用MCU技術(shù)、電力線通信技術(shù)、電能測量技術(shù)、嵌入式軟件技術(shù)和時(shí)鐘技術(shù)等，其技術(shù)框圖如圖3：

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊技術(shù)框圖

在控制模塊內(nèi)部，MCU獲取的LED路燈數(shù)據(jù)被電力線載波核心板以高頻載波方式耦合到電力線上，并被現(xiàn)場服務(wù)器獲取。同時(shí)，MCU實(shí)現(xiàn)數(shù)字化驅(qū)動(dòng)繼電器輸出，控制LED路燈電源的通斷。其時(shí)鐘芯片用以配合MCU的控?zé)舨呗?，?dāng)通信長時(shí)間失效時(shí)，MCU自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)鐘控制燈策略，以適時(shí)開燈或調(diào)光，保證城市照明安全。另一方面，MCU輸出PWM數(shù)字調(diào)光信號(hào)用以實(shí)現(xiàn)LED路燈的精確調(diào)光[3]。

2.3 現(xiàn)場服務(wù)器

現(xiàn)場服務(wù)器采用了電力線、以太網(wǎng)等通信和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、時(shí)鐘功能、自動(dòng)巡檢功能等，它通過電力線把控?zé)糁噶钪苯影l(fā)送到控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)LED路燈的控制。任意一臺(tái)現(xiàn)場服務(wù)器均可以執(zhí)行不同的LED路燈控制策略，從而可實(shí)現(xiàn)分布式LED路燈的線控和面控，保證了城市照明安全。這種具有分布式控?zé)艄δ艿默F(xiàn)場服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4：

圖4 基于現(xiàn)場服務(wù)器的分布式線控示意圖

表1 智慧城市.數(shù)字路燈節(jié)能效果分析表

每一盞路燈均可以通過控制模塊獲得唯一的控制地址，使之既可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)控，又可以實(shí)現(xiàn)編程線控或面控，有利于挖掘節(jié)能潛力[4]。

2.4 3G/4G終端與中心服務(wù)器

3G/4G終端與中心服務(wù)器，通過3G/4G服務(wù)器建立連接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。中心服務(wù)器主要用來部署數(shù)字路燈監(jiān)控和管理的平臺(tái)軟件，同時(shí)，為現(xiàn)場服務(wù)器提供互聯(lián)網(wǎng)通道，使得LED路燈實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+功能。

現(xiàn)場服務(wù)器以分布式架構(gòu)接入3G/4G服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)，再通過3G/4G服務(wù)器接入具有互聯(lián)網(wǎng)功能的中心服務(wù)器，從而獲得互聯(lián)網(wǎng)+功能。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單、安全、易配置，是數(shù)字路燈接入智慧城市管理平臺(tái)理想的技術(shù)方案。

其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5：

圖5 中心服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3 方案應(yīng)用效果

以筆者所在城市合肥為例，來研究一下這種互聯(lián)網(wǎng)+LED路燈分布式控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

3.1 節(jié)能效果

合肥現(xiàn)有15.9萬盞路燈，平均按300W測算，年點(diǎn)燈時(shí)間按365天計(jì)算。當(dāng)采用時(shí)段調(diào)光策略時(shí)，節(jié)能效果如表1。

由此可見，方案的節(jié)電率高達(dá)40%，年均節(jié)電7654萬度，折合標(biāo)煤2.3萬噸，減排6.2萬噸，節(jié)能和減排效果非常顯著，具有較好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

3.2 運(yùn)維效果

A方案采用了電力線通信技術(shù)，相比弱電線纜，電力線更加堅(jiān)固，易于維護(hù)和故障排查，節(jié)省材料、施工檢修費(fèi)用。

B方案采用了控制模塊技術(shù)，任意一盞路燈有故障時(shí)，均能自動(dòng)上傳故障數(shù)據(jù)，省時(shí)高效，提高了城市照明的運(yùn)維水平。

C方案采用了分布式控制技術(shù)，任意一只控制模塊和現(xiàn)場服務(wù)器失效時(shí)，均不影響其他控制模塊和現(xiàn)場服務(wù)器對(duì)LED路燈的控制，即便民，又安全。

D方案采用了現(xiàn)場服務(wù)器技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)城市照明的區(qū)域化、線路化分布式控制，并可以結(jié)合節(jié)假日和實(shí)際的管理需求實(shí)現(xiàn)復(fù)雜編程控制，從而提高了城市照明管理的綜合水平。

4 結(jié)論

隨著我國新型智慧城市建設(shè)工作的不斷推進(jìn)，城市照明的管理水平必然需要與此相適應(yīng)?；ヂ?lián)網(wǎng)+LED路燈的分布式控制系統(tǒng)，能夠較好的解決城市照明的物聯(lián)網(wǎng)化、互聯(lián)網(wǎng)化、信息化、智能化、自動(dòng)化等問題，并具有顯著的節(jié)能效益。它的推廣應(yīng)用，將為我國新型智慧城市建設(shè)提供了一個(gè)創(chuàng)新的思路，也必將促進(jìn)我國城市照明的管理水平更上一個(gè)層次。

[1]高琳琳，馬丹，劉巖.智慧城市建設(shè)的奠基石——云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)[J].江蘇商論，2015（17）：265-266.

[2]郝敬全，劉思彬，張作慧.智慧照明：為智慧城市建設(shè)點(diǎn)一盞燈——淺談城市照明智能監(jiān)控及單燈控制系統(tǒng)[J].建設(shè)科技，2014（17）：44-45.

[3]吳貴才，黃躍輝，楊彤.智慧城市建設(shè)的全新視角——基于路燈的城市物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)平臺(tái)研究[J].城市發(fā)展研究，2013，20（11）：15.

[4]朱祺，陶冶林.單燈控制器在路燈監(jiān)控中的應(yīng)用[J].電世界，2014，55（8）：26-27.

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