城市路灯智慧照明系统的设计

城市路灯智慧照明系统的设计

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（Control Effcient Discharge）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 1-1 CED 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 Zig Bee 技术，它以 IEEE 802.15.4 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 Zig Bee 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，Zig Bee 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Zig Bee 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 Zig Bee 网络低成本的优势，同时解决了 Zig Bee 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 Zig Bee 区域网络，每个 Zig Bee 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 Zig Bee 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