王有锁 王连明 赵利军



互联网+LED路灯分布式控制系统的应用研究

王有锁 王连明 赵利军

安徽卓越电气有限公司 工程研究院，安徽 合肥 230001

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路灯增设具有时钟控制功能的控制模块，并采用电力线通信技术，利用现有电力线路资源，实现LED路灯的互联互通和自动控制。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。

新型智慧城市；互联网+；分布式控制；灯联网；物联网；电力线载波

1 互联网+LED路灯分布式控制系统总体技术方案

方案由LED路灯、控制模块、现场服务器、3G/4G无线终端、中心服务器等部分组成，其中LED路灯采用PWM数字调光技术；控制模块采用电力线通信技术，集成电能采集和时钟控制功能，为LED路灯提供PWM数字调光和开关信号；现场服务器采用电力线通信技术，与控制模块直接通信和数据交互，并集成互联网接口，具有任务调度、数据存储、基于经纬度自动计算日出与日落时间、故障数据主动上传等功能；3G/4G无线终端主要是通过无线技术把现场服务器中存储的和采集的LED路灯数据上传到云端互联网；中心服务器通过互联网获得LED路灯的数据，并采用平台软件对这些数据进行分类归整和处理，然后展示给用户[1]。

图1 互联网+分布式数字路灯总体技术方案系统图

方案中，控制模块和现场服务器均具有LED路灯分布式控制的功能，即任意一只控制模块或现场服务器的异常，均不会影响其他控制模块和现场服务器对LED路灯的控制。当现场服务器失效或因异常原因导致电力线路长时间不通信时，则控制模块将自动启动其时钟控制功能并适时打开LED路灯，即方便了市民，又保障了城市照明安全[2]。

2 方案关键技术的实现

2.1 LED路灯的智能化

当前，LED技术的发展已进入成熟和规模应用阶段，其高光效、长寿命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。在新型智慧城市建设中，如何实现路灯的智能化控制是关键技术之一。本方案中，LED路灯的智能化是通过为其配置一个控制模块来实现的。该控制模块具有数字调光接口、时钟控制、电能测量、数字开关等功能。当控制系统异常时，控制模块自动启动其时钟功能，适时开灯或调光，实现分布式LED路灯控制和管理功能。其技术接口设计如图2：

图2 LED路灯的智能化接口示意图

2.2 控制模块

控制模块具有全球唯一的控制地址，用以实现基于互联网+LED路灯的控制和管理，并为LED路灯提供电源通断控制和调光信号，以及电能测量和故障诊断等功能。本方案中，控制模块采用MCU技术、电力线通信技术、电能测量技术、嵌入式软件技术和时钟技术等，其技术框图如图3：

图3 数据采集模块技术框图

在控制模块内部，MCU获取的LED路灯数据被电力线载波核心板以高频载波方式耦合到电力线上，并被现场服务器获取。同时，MCU实现数字化驱动继电器输出，控制LED路灯电源的通断。其时钟芯片用以配合MCU的控灯策略，当通信长时间失效时，MCU自动启动时钟控制灯策略，以适时开灯或调光，保证城市照明安全。另一方面，MCU输出PWM数字调光信号用以实现LED路灯的精确调光[3]。

2.3 现场服务器

现场服务器采用了电力线、以太网等通信和数据传输技术，具有数据存储功能、时钟功能、自动巡检功能等，它通过电力线把控灯指令直接发送到控制模块，从而实现LED路灯的控制。任意一台现场服务器均可以执行不同的LED路灯控制策略，从而可实现分布式LED路灯的线控和面控，保证了城市照明安全。这种具有分布式控灯功能的现场服务器网络拓扑如图4：

图4 基于现场服务器的分布式线控示意图

表1 智慧城市.数字路灯节能效果分析表

每一盏路灯均可以通过控制模块获得唯一的控制地址，使之既可以实现点控，又可以实现编程线控或面控，有利于挖掘节能潜力[4]。

2.4 3G/4G终端与中心服务器

3G/4G终端与中心服务器，通过3G/4G服务器建立连接并实现数据交互。中心服务器主要用来部署数字路灯监控和管理的平台软件，同时，为现场服务器提供互联网通道，使得LED路灯实现互联网+功能。

现场服务器以分布式架构接入3G/4G服务器网络，再通过3G/4G服务器接入具有互联网功能的中心服务器，从而获得互联网+功能。这种网络架构简单、安全、易配置，是数字路灯接入智慧城市管理平台理想的技术方案。

其网络架构如图5：

图5 中心服务器的网络架构图

3 方案应用效果

以笔者所在城市合肥为例，来研究一下这种互联网+LED路灯分布式控制系统的应用效果。

3.1 节能效果

合肥现有15.9万盏路灯，平均按300W测算，年点灯时间按365天计算。当采用时段调光策略时，节能效果如表1。

由此可见，方案的节电率高达40%，年均节电7654万度，折合标煤2.3万吨，减排6.2万吨，节能和减排效果非常显著，具有较好的推广和应用价值。

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、施工检修费用。

B方案采用了控制模块技术，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，任意一只控制模块和现场服务器失效时，均不影响其他控制模块和现场服务器对LED路灯的控制，即便民，又安全。

D方案采用了现场服务器技术，可实现城市照明的区域化、线路化分布式控制，并可以结合节假日和实际的管理需求实现复杂编程控制，从而提高了城市照明管理的综合水平。

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路灯的分布式控制系统，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。它的推广应用，将为我国新型智慧城市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]高琳琳，马丹，刘岩.智慧城市建设的奠基石——云计算、大数据和物联网[J].江苏商论，2015（17）：265-266.

[2]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）：44-45.

[3]吴贵才，黄跃辉，杨彤.智慧城市建设的全新视角——基于路灯的城市物联网基础平台研究[J].城市发展研究，2013，20（11）：15.

[4]朱祺，陶冶林.单灯控制器在路灯监控中的应用[J].电世界，2014，55（8）：26-27.

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1009-6434（2016）03-0051-02