0 引 言

照明系統(tǒng)，特別是公共部門的照明系統(tǒng)仍在按照舊的可靠性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，尚未使用最新技術(shù)，造成這一現(xiàn)象的原因與尚未恢復(fù)現(xiàn)有設(shè)施建設(shè)費(fèi)用的工廠管理人員有關(guān)。然而，由于與原材料成本相關(guān)的壓力越來(lái)越大以及對(duì)環(huán)境問(wèn)題的社會(huì)敏感度越來(lái)越高，促使制造商開(kāi)發(fā)新技術(shù)，以節(jié)約成本、保護(hù)環(huán)境。發(fā)光二極管亮度較高，比一般的燈節(jié)省約 80% 以上的電量，降低了能源費(fèi)用，且耐沖擊，抗震能力強(qiáng)，符合環(huán)保要求 [1]。發(fā)光二極管為直流工作，不會(huì)出現(xiàn)頻閃現(xiàn)象，亮度和使用壽命不會(huì)受電壓波動(dòng)的影響。路燈燈柱采用新型技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)程控制，將路燈信息發(fā)送到后臺(tái)信息中心后進(jìn)行集中管理，從而簡(jiǎn)化管理和維護(hù)程序。同時(shí)盡可能采用可再生能源，減少環(huán)境污染。

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開(kāi)展了對(duì)路燈控制系統(tǒng)的研究。Coata 等人 [2] 基于發(fā)光二極管的特性設(shè)計(jì)了一種基于 LED 的高級(jí)街道照明系統(tǒng) ；Chen 等人 [3] 利用通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GPRS）電力線載波或全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）開(kāi)發(fā)了路燈系統(tǒng) ；張凌敏 [4] 采用 GPRS 通信技術(shù)、ZigBee 技術(shù)和傳感器技術(shù)等設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)控制的智能控制系統(tǒng) ；楊揚(yáng)等人 [5] 提出了一種基于 Netty 的智慧路燈管理系統(tǒng)，結(jié)合云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能化管理和數(shù)據(jù)回傳 ；耿秋明等人 [6] 設(shè)計(jì)了基于 ZigBee 無(wú)線通信協(xié)議的路燈控制系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程控制分組及對(duì)信息的采集。高紅云等人 [7]設(shè)計(jì)了基于無(wú)線通信協(xié)議 ZigBee 的路燈控制系統(tǒng)。路燈控制方式分為微波雷達(dá)移動(dòng)物體檢測(cè)、環(huán)境光檢測(cè)及時(shí)間設(shè)定等，能夠?qū)崿F(xiàn)路燈遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)調(diào)光、故障檢測(cè)及定位等功能。

路燈照明系統(tǒng)可以對(duì)管轄范圍內(nèi)的所有路燈進(jìn)行集中控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、異常智能分析及故障報(bào)警等，杜絕因設(shè)備老化及丟失產(chǎn)生的問(wèn)題，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)路燈管網(wǎng)和其他設(shè)施配置的信息化管理，以滿足后續(xù)用戶需求升級(jí)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)由 LED 光源、太陽(yáng)能電池板和電池供電并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制管理的智能燈柱。通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)施控制，收集與系統(tǒng)管理、維護(hù)有關(guān)的信息，使用 ZigBee 協(xié)議進(jìn)行無(wú)線傳輸。

1 路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

路燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由街道上的一組觀測(cè)站（每個(gè)燈柱配有一個(gè)監(jiān)測(cè)站）和附近建筑物中的基站組成。這是一個(gè)模塊化系統(tǒng)，可輕松擴(kuò)展。監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)街道狀況和陽(yáng)光強(qiáng)度，并據(jù)此決定打開(kāi)或關(guān)閉路燈。這些條件取決于該路燈所在的街道以及街道某一點(diǎn)的太陽(yáng)輻射模式，并常常根據(jù)天氣狀況、季節(jié)、地理位置以及其他因素變化。每盞路燈是完全獨(dú)立的照明管理系統(tǒng)。街道觀測(cè)站檢查路燈是否正常工作并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到基站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。一旦檢測(cè)到任何故障，將通過(guò)圖形界面通知工程師及時(shí)采取糾正措施。

1.1 硬件系統(tǒng)裝置

1.1.1 監(jiān)測(cè)站

每個(gè)路燈中的監(jiān)測(cè)站均由多個(gè)模塊組成，即節(jié)能傳感器、光傳感器、故障傳感器和應(yīng)急開(kāi)關(guān)，如圖 1 所示。這些設(shè)備工作后將所有信息傳送給微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并自動(dòng)設(shè)置適當(dāng)?shù)牟僮鬟^(guò)程。信息傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)被分配給每個(gè)傳感器，例如，緊急開(kāi)關(guān)優(yōu)先于任何其他設(shè)備。

（1）節(jié)能傳感器 ：節(jié)能傳感器用于識(shí)別車輛或行人是否通過(guò)，輸入信息打開(kāi)一盞燈或一組燈。該功能取決于街道的模式 ：如果街道沒(méi)有十字路口，則一個(gè)傳感器便足夠 ；如果是雙向街道，則街道盡頭各需一個(gè)傳感器 ；對(duì)于需要更精確控制的街道來(lái)說(shuō)，需要選擇使用多個(gè)節(jié)能傳感器的解決方案。該功能僅在需要時(shí)才開(kāi)燈，避免能源浪費(fèi)。傳感器是否能夠發(fā)揮用處的關(guān)鍵在于是否正確安裝。傳感器應(yīng)放置在最佳高度，不可過(guò)低（避免小動(dòng)物的干擾造成錯(cuò)誤檢測(cè)），也不能太高（避免檢測(cè)不到小孩）。對(duì)傳感器布局的研究可根據(jù)用戶的需求決定最佳高度，并考慮系統(tǒng)工作的具體環(huán)境。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn) SE-10 PIR 運(yùn)動(dòng)傳感器性能良好，價(jià)格實(shí)惠。

（2）光傳感器：光傳感器可以測(cè)量陽(yáng)光的亮度并提供信息。測(cè)量的目的在于按照法規(guī)要求確保街道照明的最低水平。傳感器必須在可見(jiàn)光譜中具有高靈敏度，并為低亮度時(shí)的燈具提供足夠高的光電流。因此，本系統(tǒng)選擇光電晶體管 TEPT5700?；跍y(cè)量的亮度，微控制器控制路燈以保持恒定的照度水平。白天無(wú)需這種操作，但在清晨和黃昏時(shí)，雖無(wú)需路燈完全照明，但需要對(duì)陽(yáng)光進(jìn)行輔助照明。這種模式可大幅節(jié)省電力，此時(shí)路燈由傳感器和微控制器組合操作進(jìn)行調(diào)節(jié)以確保所需的最小照度。

（3）操作控制：該傳感器有助于改善故障管理和系統(tǒng)維護(hù)。此類傳感器（如霍爾傳感器）可根據(jù)實(shí)況決定是否開(kāi)燈。將識(shí)別參數(shù)與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（白天路燈處于關(guān)閉狀態(tài)，傳感器會(huì)錯(cuò)誤地檢測(cè)到故障，但由于附加的邏輯功能，微控制器不報(bào)告故障），方便系統(tǒng)識(shí)別是否誤報(bào)。這些信息通過(guò) ZigBee

網(wǎng)絡(luò)報(bào)告給站臺(tái)控制單元，操作員得知故障燈的位置并發(fā)送技術(shù)信息處理該故障。系統(tǒng)電流為 1.5 A，因此需要一個(gè)適合檢測(cè)該電流的傳感器。一個(gè)合適的閾值檢測(cè)燈的電流被設(shè)置在1 ～ 1.5 A 之間。本系統(tǒng)選擇的傳感器為 ACS756[8]，這是一種用于交流或直流電流檢測(cè)的經(jīng)濟(jì)且精確的傳感器，適用于通信系統(tǒng)。這款傳感器可以在微控制器的存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)正常工作條件下路燈中、的電流值，從而實(shí)現(xiàn)在線功耗測(cè)量功能。

（4）應(yīng)急設(shè)備 ：該系統(tǒng)有一個(gè)緊急按鈕，可在緊急情況下使用。該裝置處在傳感器系統(tǒng)之外，可立即打開(kāi)路燈，指示燈將保持開(kāi)啟預(yù)設(shè)時(shí)間，之后再次按下該按鈕，防止系統(tǒng)在必要使用結(jié)束后被意外激活。應(yīng)急設(shè)備白天不工作，無(wú)需人造光源。

1.1.2 基地控制站

基地控制站是系統(tǒng)的樞紐，可對(duì)照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化。傳輸系統(tǒng)由 ZigBee 設(shè)備組成，該設(shè)備接收有關(guān)路燈的狀態(tài)信息后將其發(fā)送到終端。處理單元由帶有串行通用異步接收器 -發(fā)送器（UART）接口的終端組成，該接口接收由 ZigBee 設(shè)備提供的燈的狀態(tài)信息。終端采用圖形界面顯示結(jié)果。此外，路燈的操作數(shù)據(jù)與路燈地址有關(guān)，因此，所有故障極易被識(shí)別。圖形界面能夠利用路燈狀態(tài)和每個(gè)路燈的功耗來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)。該方案還配備有一個(gè)管理系統(tǒng)，用于在系統(tǒng)描述完成后在燈柱無(wú)通信的情況下進(jìn)行通信。

1.1.3 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)

ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通信技術(shù)，用于無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WPAN）中多個(gè)設(shè)備之間的通信 [9]。就成本而言，ZigBee 比其他 WPAN（例如藍(lán)牙）更實(shí)惠，能源消耗低。ZigBee 個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（ZBPAN）由至少一個(gè)協(xié)調(diào)器，一個(gè)（或多個(gè)）終端設(shè)備和一個(gè)（或多個(gè)）路由器組成。協(xié)調(diào)器選擇通道，在開(kāi)始通信時(shí)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，然后路由器或終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)環(huán)境條件和傳輸功率，ZigBee 傳輸范圍的典型距離從幾十米變?yōu)閹装倜祝覀鬏敼β时３衷诒M可能低的水平（毫瓦級(jí)），以降低能耗 [10]。

在本文提出的系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)將信息從燈柱傳輸?shù)交尽Ｏ⑦M(jìn)行逐點(diǎn)傳送，從一個(gè)燈柱到另一個(gè)燈柱，每個(gè)燈柱在系統(tǒng)中有唯一的地址。且每個(gè)燈柱只能將消息發(fā)送到最近的一個(gè)燈柱，直到消息到達(dá)基站。因此，傳輸功率被限制在所需的低值，同時(shí)燈柱所提供的信號(hào)不會(huì)相互干擾。

如果一盞燈發(fā)生故障，燈柱之間所選的傳輸距離可確保信號(hào)能夠到達(dá)下一個(gè)工作燈柱而不會(huì)斷鏈。ZigBee 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)已開(kāi)始使用 Digi-MaxStream 射頻模塊（稱為 XBee 模塊，包括標(biāo)準(zhǔn)版和 Pro 版）。標(biāo)準(zhǔn) XBee 模塊在室內(nèi)有數(shù)十米的運(yùn)行范圍，室外有數(shù)百米的運(yùn)行范圍，而 XBee Pro 模塊在室內(nèi)的運(yùn)行范圍達(dá)數(shù)百米，戶外約有 1.5 km 的擴(kuò)展距離。Pro 模塊雖具有較高的發(fā)射功率，但也會(huì)耗費(fèi)更高的功耗（約為標(biāo)準(zhǔn)版本的三倍）。

接收器具有非常高的靈敏度和較低的接收損壞分組概率（小于 1％）。模塊由 3 V 直流電源供電，在上行鏈路中，電流消耗約為 50 mA（對(duì)于 XBee）和 150 ～ 200 mA（對(duì)于XBeePro），在下行鏈路中的電流消耗約為 50 mA（對(duì)于兩種版本都相同）；此外，它們支持睡眠模式，消耗電流小于 10 A。

XBee 模塊分布在三個(gè)版本的天線中，帶有片上天線，導(dǎo)線天線以及用于外部天線的集成連接器。

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器將收集到的信息傳送給運(yùn)行軟件的控制器進(jìn)行分析。圖 2 所示為控制軟件流程圖。初始設(shè)置完成后，光傳感器檢測(cè)當(dāng)前光照強(qiáng)度，只有陽(yáng)光照明低于某一固定閾值時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)激活微控制器對(duì)路燈進(jìn)行控制。在這種情況下，系統(tǒng)會(huì)

讀取緊急按鈕的狀態(tài)，當(dāng)緊急按鈕被啟動(dòng)時(shí)，路燈開(kāi)啟。否則，檢測(cè)當(dāng)前狀態(tài)是否有車輛或行人通行，如果有車輛和行人通過(guò)，則開(kāi)啟路燈。路燈打開(kāi)后，操作傳感器開(kāi)始監(jiān)控，并在故障檢測(cè)的同時(shí)將警報(bào)發(fā)送至控制中心。如果未檢測(cè)到故障，則微控制器通過(guò)霍爾傳感器存儲(chǔ)當(dāng)前值來(lái)測(cè)量電流。操作由定時(shí)器調(diào)節(jié)，該定時(shí)器能夠使系統(tǒng)工作預(yù)定的時(shí)間。停止輸入后，路燈關(guān)閉并重新啟動(dòng)循環(huán)。

2 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種智能路燈控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了新技術(shù)以提高效率、節(jié)約成本，通過(guò)結(jié)合太陽(yáng)能電池板與高效LED 技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其中能量成本與電力供應(yīng)價(jià)格無(wú)關(guān)，只需通過(guò)控制系統(tǒng)接通燈對(duì)燈柱進(jìn)行智能管理即可。只在必要時(shí)開(kāi)啟路燈照明，延長(zhǎng)了路燈的使用壽命?？刂葡到y(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò) ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心對(duì)燈柱進(jìn)行智能管理。系統(tǒng)維護(hù)可通過(guò)控制中心輕松、高效地規(guī)劃，節(jié)省額外支出。

所提出的系統(tǒng)適用于交通低于特定時(shí)間范圍的城市和農(nóng)村地區(qū)的街道照明。電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性使其能夠在裝置極其昂貴的偏遠(yuǎn)地區(qū)安裝該系統(tǒng)。系統(tǒng)靈活，可擴(kuò)展，極大地滿足了用戶需求。未來(lái)，系統(tǒng)還可監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源消耗的監(jiān)控。此外，在計(jì)費(fèi)和遠(yuǎn)程控制負(fù)載的智能管理以及智能電網(wǎng)和智能計(jì)量應(yīng)用中，都會(huì)有新的發(fā)展。