一种互联网+LED路灯分布式控制系统

王有锁，沈少鹏，王友保

(1.安徽卓越工程研究院,安徽 合肥　230001；2.滁州学院电子与电气工程学院自动化系,安徽 滁州　239000；3.肥西县卫生局,安徽 肥西　231200)



一种互联网+LED路灯分布式控制系统

王有锁1，沈少鹏2，王友保3

(1.安徽卓越工程研究院,安徽 合肥230001；2.滁州学院电子与电气工程学院自动化系,安徽 滁州239000；3.肥西县卫生局,安徽 肥西231200)

本文提出一种互联网+LED路灯分布式控制系统的技术方案，通过给LED路灯增设单灯控制器，给路灯配电箱增设现场服务器，采用电力线通信技术，利用现有电力线路，实现了LED路灯的互联互通和分布式控制与能源管理。结合路灯监控和管理的平台软件，这种分布式照明控制技术将为现代城市照明提供一套科学、高效、安全、可控、可调、可视的先进管理方法，使之成为构建新型智慧城市的重要途径之一。

互联网+；单灯控制器；现场服务器；电力线通信；分布式控制

1　总体技术方案

如图1所示，方案由LED路灯、单灯控制器、现场服务器、3G/4G无线终端、中心服务器及平台软件等部分组成，其中LED路灯采用PWM数字调光技术，具有0～100%任意比例调光的功能；单灯控制器采用电力线通信技术，集成数据采集和PWM调光接口的功能；现场服务器对下采用电力线通信技术与单灯控制器实现数据交互，对上采用以太网技术实现LED路灯的互联网+功能，并与中心服务器实现数据交互；平台软件则采用特定数据传输协议，并集成GIS(全球地理信息系统)技术，实现LED路灯的可视化控制和管理。这种基于电力线通信和互联网+的LED路灯分布式控制系统，将为现代城市照明提供一套科学、高效、安全、可控、可调、可视的先进管理方法，使之成为构建新型智慧城市的重要途径之一[1]。

图1　互联网+LED路灯分布式控制系统示意图Fig.1　Distributed control system for Internet+LED street lamp

2　方案关键技术的实现

2.1LED路灯的智能化

当前，中国城市的路灯照明仍然以传统的高压钠灯为主，能耗高，寿命短。现代城市的发展，需要智能的路灯，传统的高压钠灯显然不能满足这个需求。众所周知，LED具有的高光效、长寿命、可调光等显著的节能优点已被广泛认可，并正在加速进入城市照明领域。随着互联网+技术的发展，尤其是物联网技术与照明技术的逐步融合，具有数字通信接口、可调光的智能LED路灯逐渐变成现实[3]。图2所示的LED路灯，就是一种增设了单灯控制器的智能LED路灯，具有电力线通信、电能测量、数字开关和调光的功能。为提高性价比，笔者单位已将这种单灯控制器集成在LED路灯驱动电源里，形成了载波一体化LED路灯产品[2]。

如图2所示，单灯控制器的主要功能模块，由MCU(Microcontroller Unit)、电力线载波、电能测量、继电器等组成，其中MCU是核心模块，通过电能测量模块获取LED路灯的运行数据并侦测其运行状态，通过继电器模块实现LED路灯远程开关，通过输出PWM调光信号实现LED路灯调光的功能。电力线载波模块是单灯控制器的关键技术模块，它主要负责实现数据调制和解析，实现数据在电力线介质上的收发[5]。

图2　智能LED路灯系统示意图Fig.2　Smart LED street lamp system

2.2电力线通信技术

电力线通信是本方案的关键技术，也是单灯控制器的核心技术。在LED路灯的智能化过程中，主要是解决电力线通信的电网噪声干扰问题，降低误码率，提高通信质量，保证LED路灯控制稳定可靠。

众所周知，电力线通信是一种以电力线为介质的数字通信技术，也是典型的物联网技术之一，其工作原理所图3所示，在发送端把数据调制成高频信号，并附加到50Hz交流电的正弦基波上，沿着电力线进行传输，在接收端再把高频讯号包解析出来，从而实现数据的收发和指令控制。

电力网最大的问题，就是其环境噪声高，电力线载波信号很容易受到干扰。为此，本方案单灯控制器在设计时，采用了抗干扰性能优异的PL31xx系列电力线载波芯片。该芯片系美国ECHLON公司推向市场已久的一款电力线载波通信专用芯片，具有115KHz/132KHz双频智能自动切换功能，在主频通道 (132KHz) 受噪声干扰发生阻塞时，自动启用辅频通道(115KHz)保证数据顺利传输。其次，该芯片通过先进的前向纠错(FEC)算法和数字信号处理技术，达到了噪音消除和信号失真校正的功能，从而可以克服噪声引起的错误。再次，该芯片还具有自动中继功能，即数据在传输过程中，如遇信号变弱，将自动放大该信号，以保证数据正常传输，最大支持8级信号中继。这些优点，显著提高了电力线通信的性能，使之适应恶劣的和复杂的电力网环境，保证了LED路灯照明控制的可靠性和稳定性[4]。

图3　电力线通信原理示意图Fig.3　The PLC principle map

2.3现场服务器

现场服务器是实现互联网+LED路灯分布式控制和管理的关键技术，采用了ARM9内核的CPU和嵌入式操作系统技术，其主要的功能模块有以太网通信、电力线通信、RS-485通信、输入输出、任务调度、数据采集、数据存储、系统配置等，具体如图4所示。其中的以太网通信模块主要实现3G/4G无线终端网络连接和通信配置功能，实现LED路灯的互联网+功能；电力线通信模块主要实现集成单灯控制器的LED路灯的网络汇聚功能，为数据采集、任务调度等功能提供网络支持，实现数据和控制指令在现场服务器与单灯控制器之间的传输；RS-485通信模块主要实现485设备的接入和数据交互，比如485电能表的接入和数据读取等；输入输出模块主要实现开关型设备的接入和控制，比如路灯配电箱的门磁检测与控制等；系统配置功能用来实现现场服务器工作模式、网络参数等项目的配置[4]。

图4　现场服务器功能方框图Fig.4　The site server functions

在本文的技术方案中，现场服务器的工作模式配置为服务器模式，每台现场服务器相对独立的管理一条道路或一个片区的LED路灯。在配置合理、科学的条件下，一台现场服务器通常可以管理254盏LED路灯。由多个现场服务器形成的分布式控制和管理网络，既有利于实现城市照明的统一监控和管理，又可以实现按道路、按片区进行个性化的控制和管理，节能、安全、高效，充分体现了现代化城市照明管理的先进性和科学性[6]。

2.4中心服务器

在本方案中，中心服务器布署平台软件后，通过3G/4G无线网路，实现现场服务器数据的统一采集、整理、分析和加工等，并通过工作站或移动终端予以展示，或接收经认证或权限范围内的控制指令等。同时，中心服务器可以给各个现场服务器统一或分别下达控制和管理策略，结合平台软件的GIS(全球地理信息系统)功能，可以实现城市照明的可视化片区管理、目的地管理等，实现智慧控制和科学节能。

3　方案实施效果

以笔者所在城市合肥为例，为验证方案实施效果，笔者协调了一条安装有340盏250W高压钠灯的城市次干道，并把高压钠灯全部更换为100W智能LED路灯，并按图1所示技术方案搭建好控制系统。

3.1电力线通信质量实测

现场服务器的CPU占用率、内存占用率、磁盘剩余空间及LED路灯的信号强度与信号边界余量等项目，均是评价电力线通信质量的重要指标，其中，前三项指标值与现场服务器管理LED路灯的数量直接相关。为简化实验，本案例采用的现场服务器，一台直接按254盏LED路灯进行配置，编号为1#；另一台则配置了86盏LED路灯。一组实验数据如下：

表1　电力线通信质量实验数据

从表1实验数据看，现场服务器1#和2#的通信质量各项指标均是正常的，其中1#现场服务器的CPU占用率已近限值，说明现场服务器的管理容量已近极限，不可以再增加了。

3.2节能效果

经实测，100W智能LED路灯的平均照度优于原250W高压钠灯，250W高压钠灯实际耗电为287W，100W智能LED路灯的实际耗电为103W。案例实验策略如下：

a)日点灯11小时，连续运行30天；

b)采用时段调光策略：晚上6点开灯，9点调光25%，11点调光60%；凌晨2点调光75%，凌晨4点调光60%，早晨6点关灯；

c)以LED路灯的运行时间核算原250W高压钠灯固定照明的用电量。

实验数据如下：

a)100 W智能LED路灯与原250 W高压钠灯的用电量分别为6933.6 KWh和32204.4 KWh；

b)LED路灯节电25270.8 KWh，节电率78.47%。

由此可见，方案的节电率高达78.47%，节能效果显著。

3.2运维效果

A.方案采用了电力线通信技术，相比弱电线缆，电力线更加坚固，易于维护和故障排查，节省材料、施工和检修费用；

B.方案采用了单灯控制器术，可以实现任意编程的路灯照明控制策略，且任意一盏路灯有故障时，均能自动上传故障数据，省时高效，提高了城市照明的运维水平；

C.方案采用了分布式控制技术，任意一只现场服务器失效时，均不影响其它现场服务器对LED路灯的控制，既便民，又安全。

4　结论

随着我国新型智慧城市建设工作的不断推进，城市照明的管理水平必然需要与此相适应。互联网+LED路灯分布式控制系统，能够较好的解决城市照明的物联网化、互联网化、信息化、智能化、自动化等问题，并具有显著的节能效益。它的广泛推广应用，将为我国新型智慧城市的建设提供了一个创新的思路，也必将促进我国城市照明的管理水平更上一个层次。

[1] 郝敬全，刘思彬，张作慧. 智慧照明：为智慧城市建设点一盏灯——浅谈城市照明智能监控及单灯控制系统[J]. 建设科技,2014,17:44.

[2] 朱祺，陶冶林. 单灯控制器在路灯监控中的应用[J].电世界,2014,8:26.

[3] 方聪，于亚，马建伟，戚佳金. 基于单灯节能的城市照明智能管理系统[J]. 照明工程学报,2014,25(2):85.

[4] 毕鑫禹，李郝林，吴小东，等. 基于电力线载波通信的道路智能照明系统研究[J].信息技术，2015，1:80.

[5] 孔繁宇，崔健博，邹同元，等. 基于地上地下数据的智慧照明信息系统总体设计[J].照明工程学报，2015，26(5):14-18.

[6] BBC. iPad-controlled street lights installed in London. [EB/OL]. (2016-5-21)[2012-11-4].http://www.bbc.com/news/uk-england-london-20197434.

A Distributed Control System For Internet+LED Street Lamp

WANG Yousuo1， SHEN Shaopeng2， WANG Youbao3

(1.Anhui Joyo Engineering Research Institute，Hefei230001，China；2.ChuzhouInstituteofElectronicandElectricalEngineeringAutomation，Chuzhou239000，China；3.FeixiCountyHealthDepartment，Feixi231200，China)

This paper presents a technical solution for internet+LED lights distributed control system, by giving additional single LED street light controller street distribution box to additional site servers, using power line communication technology that uses existing power lines to achieve the LED lights interoperability and distributed control and energy management. Combined with street light monitoring and management software platform, this distributed lighting control technology will provide a scientific and modern urban lighting, efficient, safe, controllable and adjustable, advanced management methods visible, making it wise to build a new city one important way.

internet+; single lamp controller; site server; power line communication; distributed control

TM923

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.023