基于单灯的城市道路绿色照明智能管控系统设计探讨

基于单灯的城市道路绿色照明

智能管控系统设计探讨

芜湖市路灯管理所 许金生

一、引言

“绿色照明”概念源于20世纪90年代的美国，后来传播到世界许多国家，它是指以提高照明效率、节约电力、保护环境为主要目的照明设计与控制方法。其中智能化控制系统和合理的照明管控方案是实现“绿色照明”的必要手段。

目前国内进行智能照明控制系统研发、生产、推广工作的厂商有不少，且基本上都是把城市路灯照明单灯智能控制系统的推广工作作为重点。比如苏州华工科技有限公司、南京博洛克，上海50所，杭州瑞琪、丹东三安、山东泰华等，都推出了自己的成套解决方案和产品，各有优劣。因为整个行业目前还处于理念推广和实验阶段，也没有形成统一的技术标准和行业规范，各家的产品相互之间基本不兼容。对于城市路灯照明管理单位来说，推行路灯单灯智能控制系统，现场安装、调试，特别是改造项目难度很大，且单灯产品的稳定性和可靠性有待改善，维护成本高。本文从绿色照明智能管控系统的角度，研究设计出合理的系统架构，并以基于Zigbee通讯的单灯系统为例，对系统各组成部分的参考设计以及应实现功能进行探讨。

一、单灯智能管控系统简述

单灯智能管控系统的结构组成从功能上可分为三层：单灯控制层，线路主控层和监控管理层。图1给出了一种基于Zigbee通讯的单灯智能管控系统结构示意图。

单灯控制层的主要部件为智能单灯控制器，多个单灯控制器与主控层的网关主控制器组成Zigbee网络。

线路主控层主要部件是智能网关主控制器，在通讯上，网关主控制器是Zigbee网络的网关，同时也是GPRS网络的终端节点。

监控管理层是由单灯智能管控软件平台以及配套硬件设施组成的人机交互环境。

整个系统应具备以下基本要求：

1．实现单灯与主控箱支路的开/关控制，及状态检测；能够任意调整、组合亮灯方式；

2．能够按照地域所处经纬度，以及当天实际照度情况自动确定亮灯时间；

3．对供电支路及单灯电参数的测量，监测异常；

4．异常能够及时准确上报，且能够进行异常记录查询；异常解除后，能够及时确认上报；

5．提供调光信号输出，与调光灯具结合可实现路灯按时段调光；

6．结合路灯维护管理行业的需求，系统软件应为组件式结构，可以自定义生产管理流程，管理统计报表；可以进行运行维护记录，故障记录查询；全过程维修养护管理等；

7．软硬件接口标准统一、规范，数据格式统一、规范；不同产品间互换、替代性强，便于系统拓展和维护。

8．单灯控制器运行稳定，可靠性高，更换维护简便。

图1.城市道路照明单灯智能管控系统结构示意图

二、智能单灯控制器

智能单灯控制器参考设计如图2所示，主要分为电源管理模块，电参数检测模块，控制和通讯管理模块3个功能模块。

电源管理模块采用模块化开关电源组件，将AC 220V电源转换成DC10V和DC3.3V两路输出，分别作为测量控制电路和PWM调光输出信号电源。FU1为灯具供电回路熔管，避免主供电回路不被过电流损坏；通过SSR固态继电器开/关灯具供电回路。3.3V输出，可以考虑使用电池存储电能，保证外部断电时，能够通讯。

图2.智能单灯控制器结构示意图

选用高精度，小体积的单相多功能计量IC来实现电参数的检测，单相多功能计量IC可以选用AD公司的ADI7753等。测量用电压互感器，电流互感器全部选用适合PCB板的微型互感器，一次变换，减少测量环节。

控制和通讯管理模块是以TI公司的CC2530为核心，CC2530是适用与2.4GHz无线通讯的片上解决方案，内置8051内核，在本应用中，完全可以充分利用该资源，不需要另外适用控制器，即可实现ZigBee组网通讯，电参数采样监测等功能。

智能单灯控制器初次使用时，会自动算出10次电参数有效采样值的均值存入Flash，作为监测参考值。通过对采样值与参考值的比较，判定异常状态。异常状态包括：

l  进线断电

l  主熔管熔断（进线有电，电压为零）

l  灯具损坏（进线有电，电流、功率因数或功率异常）

监测到异常发生，存储异常关键字，并主动报警，通过ZigBee网络上传至智能网关控制器。异常解除后，上报异常解除消息。

图3.多路输出智能单灯控制器结构示意图

智能单灯控制器可通过ZigBee网络

l  读取实时电参数、状态参数，以及设定（参考）值

l  设置地址，地址应设置与实际的路灯杆号对应

l  及时、准确主动上报异常消息

l  接受执行开、关灯命令，及调光命令

智能单灯控制器PCB应作防水处理，输入、输出用端子连接。

对于多路输出的需求，可CC2530内置的8051核控制4选1开关CD4052依次切换进行各路电参数采样，如图3所示。此时，智能单灯控制器不能够实现电量计量。

智能单灯控制器应可设定运行模式，存储执行半夜灯时间，自主运行。

三、智能网关主控器

智能网关控制器结构如图4所示，主要分为电源管理模块，微处理器控制模块，通讯模块，支路开/关执行模块，开关量监测模块，支路电参数监测模块，和总回路电参数监测（计量）模块，人机界面和支路断线报警模块。

电源管理模块提供系统各模块工作电源，且有备用可充电电池，确保系统外部电源断电后可继续工作。

图4.智能网关控制器结构示意图

微处理器控制模块是系统的核心，负责调度指挥整个系统的运行。

通讯模块分两部分，一是对下的ZigBee组网控制（协调器）功能，一是对上的GPRS通讯。

支路开/关执行模块作为执行器件，负责对支路接触器进行操作。

开关量监测模块监测开关量输入，比如支路接触器状态，门限开关报警等。

总回路电参数监测（计量）模块，内置GCT207A-5A/25mA电流互感器，配合外接开合式电流互感器（KHCT951L-400A/5A）使用，对总回路电参数进行监测和计量。

支路电参数监测模块使用分布式设计，可多个级联，通过RS485总线进行数据交互。支路电参数监测模块全部采用型号为GCT210BF-50A/20mA的微型电流互感器，PCB板设计，替代原有的电流互感器，安装、改造简便，抗干扰性强。

各支路断线报警模块可与支路电参数监测模块做在一起，组合使用。

人机界面包括显示界面和设置按钮，可查询实时数据设置参数。

智能网关控制器可实现的主要功能：

l  接收中心平台下发的开关灯时间列表和运行参数，在通讯故障时，可按前一天的配置，自主运行；

l  定时巡测各单灯状态及异变情况，记录且及时转发；

l  定时巡测各支路运行情况。及时准确上报异常，建立异常列表；

l  自检模式，按支路依次送电，自动检测各支路所带路灯盏数，地址编号，建立支路列表并保存；

l  存储各支路电参数参考值，下发到电参量监测模块；

l  每天开灯后20分钟，及熄灯前20分钟，各采集一次全部（支路，单灯）电参数，上传到中心存储。

l  平常（接触器吸合且支路有电流）工作状态，每30分钟巡检一次，无异常状态，不存储数据。对已上报异常不再上报，当异常消除，在异常列表中确认异常消除，且打时间标签。

四、智能软件平台

监控中心软件平台是整个系统与人之间的交互环境，最终实现城市道路照明系统的运行管理和城市照明系统管理单位的业务管理两个应用。整个软件平台的构成是以数据库系统为中心，以实时监控模块作为动态随机信息的提供者和命令发布者，以电子地图模块为信息展示的载体。

监控中心软件平台采用模块化设计, 采用“C/S+B/S”相结合的架构模式。软件平台结构示意图如图5所示。

监控中心的智能软件平台主要分为数据库管理模块，通讯模块，实时监控模块，异常处理模块，生产管理模块，电子地图模块，和信息查询/统计分析模块，系统管理模块和WEB发布模块等。

1.  数据库管理模块主要是将系统有用的动态、静态数据按照一定的数据格式存储到数据库中，以方便系统使用；

2.  通讯模块负责软件平台同外界的通讯，包括与智能网关控制器的双向通讯；

3.  实时监控模块负责定时巡检路灯主控箱和路灯的状况；

4.  异常处理模块负责对系统异常状况进行分析处理，定制派工单，异常解除确认等。

5.  生产管理模块主要是实现路灯管理单位日常生产管理电子化，包括生产资料管理，流程管理，技术资料管理，生产报表生成，设施档案管理等；

6.  信息查询/统计分析模块主要是对系统采集的电参数，设施维护维修量进行统计分析，提供辅助决策支持；

7.  系统管理模块主要功能是对整个监控系统进行管理，包括日志管理，电子地图编辑，路灯设施录入，工作流程定制，用户管理以及角色定制等；

8.  电子地图模块是整个系统的展示接口，标记路灯设施的位置，显示路灯设施实时状态；

9.  WEB发布模块，提供系统WEB发布功能，通过权限允许用户远程浏览系统监控画面。

图5.软件平台结构示意图

软件平台采用“C/S+B/S”相结合的架构模式，C/S架构部分侧重于底层数据采集监控和各种管理功能，B/S架构侧重于WEB浏览，远程查询。

五、数据接口标准及数据格式规范的制订

为保证整个系统的兼容性与扩展性，以及互换性，应制定合理的、相对通用的数据接口标准和数据格式规范。

系统的兼容性和扩展性体现在：

l  系统组件的互换性强，系统组件模块化设计，更换系统组件只需将新组件的地址更改与换下得老组件一致，不做其它任何设置，即可恢复系统功能；

l  数据接口标准统一、透明，方便与其它系统对接，甚至可与其它同类型系统共用一个软件平台；

l  系统终端现场安装、调试简便，接线简单，无限减少施工调试难度，而且便于后期维护、管理；

l  系统抗干扰能力强，而且组件式设计，环境适应能力强；

l  利用ZigBee技术可自由组网的特点，合理制定数据接口标准和数据格式，未来可把已安装的单灯控制器和网关控制器ZigBee节点作为市政ZigBee网络的路由节点，节约市政设施信息化工程的通讯成本；

l  合理、透明的数据格式，可方便系统与其它市政信息化系统的数据交互和整合。

数据接口标准及数据格式规范的制定是整个系统最核心的关键工作，关系到系统的应用易用性、可维护性和拓展性，决定系统的可持续发展能力和生命力。行业主管部门应出台相关标准与规范，统一各单灯系统制造厂商的数据接口和各层通讯规约，这将有利于单灯智能系统的应用推广。

六、结论与展望

道路照明行业的单灯智能管控系统起步时间不长，目前市面上的产品成熟度还不够，要想全国性的大规模推广应用，还有很长的路要走，需要更多的软硬件研发、制造力量投入与政策扶持。