路灯控制器范文
时间：2023-03-29 11:56:24
导语：如何才能写好一篇路灯控制器，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
【关键词】自调光;零点检测模块;光照强度采集模块
1.引言
随着能源问题越来越引起人们的重视，节能已经成为生产应用中不可忽视的一方面，自调光路灯控制器主要用于安装在道路两旁与公共场所的路灯上，随环境光照强度的变化而自动调节路灯亮度，在满足人们需要的同时，达到节能的目的，具有一定的现实意义。
2.系统结构
自调光路灯控制器主要由单片机控制模块、人机交互界面、零点检测模块、光强度采集模块与脉冲触发模块五部分构成，图1为自调光路灯控制器系统框图。利用光强度采集模块完成对环境光照强度的参数采集，利用零点检测模块完成市电220V单相电零点检测，利用人机交互界面完成系统参数的设置，在单片机控制模块中进行数据处理，通过脉冲触发模块实现路灯亮度调节。
图1 自调光路灯控制器系统框图
3.系统硬件设计
单片机控制模块完成光强度信号的采集、零点检测信号的处理，根据人机交互界面的设定完成计算，通过脉冲触发模块输出控制信号。控制模块采用深圳宏晶科技有限公司出产的STC15F2K60S2芯片，指令代码兼容传统8051，内部集成高精度时钟。光强度采集模块采用光敏电阻与高精度电阻分压构成，STC15F2K60S2芯片自带8路高速10位A/D转换功能，可满足光强度信号的采集。
图2 零点检测模块原理图
零点检测电路为控制模块提供同步信号，如图2所示，市电L/N通过同步变压器T0.5-06与光电耦合器TLP521-2实现同步信号获取，该信号通过引脚P32输入到控制芯片，通过实际测试，该电路可有效去除强电干扰并保护控制芯片。
图3 脉冲触发模块原理图
脉冲触发模块原理图如图3所示，由控制引脚P10给出的脉冲信号通过三极管Q1放大与脉冲变压器T2，控制双向晶闸管Q2的开启，实现台灯的点亮与光线调节，脉冲变压器T2还起到了强电与弱电的隔离作用。
4.系统软件设计
主程序包括初始化、中断服务子程序、人机交互子程序、脉冲触发子程序等，程序流程如图2所示。
初始化程序包括外部中断初始化、显示初始化、AD转换初始化等，信号采集每1秒执行一次，根据检测到的电信号，转换为光强度信号，与人机交互界面设定值进行比较处理，调整导通角，发出脉冲触发信号，通过脉冲触发模块实现路灯亮度调节。
图4 程序流程图
5.结论
本次设计切实考虑了路灯节能环保的需求，针对路灯照明而设计的一款自调光路灯控制器。该系统操作简单、方便，经过一定时间软硬件实时检测，可靠性较高。
参考文献
[1]丁向荣.单片机微机原理与接口技术，电子工业出版社[M].2012.
篇2
关键词:太阳能路灯 单片机 PWM 锂电池
中图分类号: 文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)03-0000-00
1 引言
太阳能是地球上最直接最普遍最清洁的可再生能源。随着能源问题的日益突出和太阳能光伏技术的发展进步,太阳能路灯的应用正受到日益广泛的重视。太阳能路灯主要由太阳能光电池组件、蓄电池、控制器和照明灯具组成。其中控制器是太阳能路灯的核心部分,主要负责蓄电池的充放电控制。本文设计了一种基于单片机的太阳能路灯控制器。
2 锂蓄电池
路灯蓄电池选用锂离子电池。锂电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点,因而得到了普遍应用。锂电池的能量密度很高,它的容量是同重量的镍氢电池的1.5~2倍,而且具有很低的自放电率。此外,锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。但对于锂电池的充电过程,要求是比较严格的。
锂电池的充电曲线如下图1。
锂电池的充电过程:1.如果开始充电时,电池电量很低(例如低于13V),那么必须用小电流(大概为0.24A)开始充电,即涓流充电。如果电压高于13V就不必进行这个步骤。2.当电池电压大于13V可以开始大电流充电,恒流充电。随着充电的进行,电池电压逐渐升高。3. 当电池电压达到或接近充满电压(如16.8V左右)时,则要开始转入恒压充电;当电流减少到大概0.25A左右,则停止充电。由此可见,对于锂电池充电过程的控制,电压电流的检测是非常关键的。
2.1 电压的检测
利用一个电位器把电池的电压降低,输进模数转换器(如ADC0809)的第一个通道中,然后通过单片机(如STC89C52)来计算电压。
2.2 电流的检测
检测比较大的直流电流的方法不多,这里采用一个小电阻R(0.05欧姆)来检测电流,小电阻两端的电压通过运放放大,经模数转换后输入单片机中,测得电压U0后除以放大倍数Auf 得到实际的电压U, 再根据欧姆定律(U=I*R)计算出电流I的大小。
用一个小电阻来检测电流存在的问题是:小电阻的阻值会发生变化。实际上绝对线性的电阻是不存在的。例如,绝大多数金属导体的电阻都随温度的升高而升高,当电流通过金属导体时,将电能转化为热能,使金属导体的温度升高,阻值就不是常数,而是随着电流或电压变化。本系统中检测出来的充电电流跟实际的充电电流不一样,但存在一个规律是:电流越大检测出来的电流跟实际电流的偏差就越大,它们成线性的关系。这是由于小电阻阻值随温度变化而造成的。以下是实验采集的单片机测得电流和实际电流的一些数据如表1所示。
这两组数存在着线性的关系,利用Matlab对第一列的数据进行处理,首先求出它的关系式,假设关系式为:
y1=a(1)*x+a(2);
使用Matlab求出系数a(1)和a(2):
a(1)= 0.0100a(2)= 0.2100 所以这组数据可以用关系式y1=0.01*x+0.21――――(1)来表示。采集的数据和线性拟合后的曲线如图2。
对第二列的数据进行处理,首先求出它的关系式,也假设关系式为:
y2=a(1)*x+a(2);
使用Matlab求出系数a(1)和a(2):
a(1)= 0.0147a(2)= 0.2109 所以这组数据可以用关系式y2=0.0147*x+0.2109――――(2)来表示。采集的数据和线性拟合后的曲线如图3。
结合关系式(1)和(2)便可得出两列数据的关系式y1=0.680272*(y2-0.2109)+0.21,其中y1表示实际的电流,y2表示单片机检测出来的电流,单片机检测出来的电流y2通过上式的转换后变成y1,便是实际的电流。
3 充放电控制电路及原理
3.1 充电控制
充放电控制电路如图4,本方案采用PWM脉冲调制控制保护技术,不仅能有效地保护蓄电池,防止过充电现象的发生,还能快速、平稳地为蓄电池充电。所谓PWM控制就是控制输出波形的占空比,周期并不改变,通过开关管的导通与闭合来控制充放电。锂电池的充电曲线图如图1,具体的控制电路如图4,蓄电池的电压低于13V时,单片机输出一个相应占空比的脉冲,控制三极管(Q1)通和断的时间,从而控制场效应管IRFZ44(Q3)的通和断,使到充电的电流为0.24A左右,此时处于预充状态。蓄电池的电压高于13V时,单片机输出一个高电平(相当
于PWM占空比为1),三极管(Q1)导通,场效应管IRFZ44(Q3)处于截断状态,此时太阳能电池板以最大的电流为蓄电池充电--恒流充电。当蓄电池电压接近或等于16.8V时,通过控制占空比,也使场效应管IRFZ44(Q3)实现通断控制,使充电状态处于恒压浮充状态。当电流小于一个值(0.24A)时,单片机就输出一个低电平,使场效应管IRFZ44(Q3)完全导通,停止给蓄电池充电。
3.2 放电照明部分的控制
照明灯亮和灭的控制原理如图4,当单片机控制照明灯的控制脚输出高电平(5V)的时候,三极管Q2就会导通,三极管Q2集电极E的电压变低(约为0V),此时加到场效应管(Q4)栅极的电压就会变低,场效应管就截止,流过照明灯的电流减少到0。相反,当单片机控制照明灯的控制脚输出低电平(0V)的时候,三极管Q2就会截止,三极管Q2集电极E的电压高,此时加到场效应管(Q4)栅极的电压也就高,场效应管就导通,流过照明灯的电流大,照明灯打开。
4 结语
充放电控制器是太阳能路灯的核心部件,针对锂蓄电池充电的特殊要求,本文巧妙地采用简单电路检测充放电电压电流、软件补偿用于检测的小电阻的温度效应,省却硬件补偿的费用,降低了成本。由单片机根据采集到的充放电电压电流参数,发出各种控制信号,实现充放电控制,使充放电系统能稳定有效地运行,更好地保护了锂电池,延长了整个太阳能路灯系统的使用年限。因而,本文设计的太阳能路灯充放电控制器具有较高的实用价值,对太阳能路灯的推广起到了促进作用,是有益的尝试。
参考文献
[1] 李安定.《太阳能光伏发电系统工程》.北京工业大学出版舍,2001年10月第一版.
[2] 张艳红等.一种新型光伏发电充放电控制器.可再生能源,2006.5(总第129期).
[3] 刘虹,沈天行.L E D 进入普通照明市场的预测及照明节电分析[J].照明工程学报.
[4] PANKANTI S, BOLLE R M, JA IN A K. Biometrics; the future of identification[J].IEEE Computer,2000.
篇3
前言
公共照明系统广泛采用高压钠灯（high pressure sodium lamp）或金属卤化物灯（metallic halide lamp），传统照明系统经常采用电感镇流器，照明灯具采用统一开关控制方案。
随着数字技术和网络技术的发展，公共照明数字化和网络化已经成为一种必然趋势。节约能源、保证灯具寿命、提高照明管理水平、美化城市夜量和保证城市夜间出行安全等，已经成为对公共照明系统的一项基本要求。本文将介绍基于镇流器的全数字公共照明系统。该系统在国内首次实现了远程单个路灯节点的任意监控，并重点介绍了系统的核心设备——组群控制器的作用、组成、工作原理是以及主要软件结构框图。
1 数字路灯照明系统
图1给出了数字路灯系统的系统组成原理图。在该系统中，每个路灯节点采用全数字化电子镇流器，可以实现0%、50%、80%、100%功率输出，可以随时发送路灯的电流、电压信息，并具有开路、断路和路灯老化报警功能。每一个路灯节点内包含一个电力载波通信（PLC）模块，利用电力载波模块实现路灯节点之间以及路灯节点与组群控制器之间信息通信。组群控制器采用双CPU结构，负责日常系统的正常运行控制，并可以随时响应上位管理计算机发出的指令。组群控制器与照明管理计算机通过GSM/GPRS短信方式实现正常情况下的通信。在组群控制器发生故障的情况下，照明管理计算机可以通过GSM/GPRS直接实现路灯线路的开关控制，实现系统安全双保险。照明管理计算机采用地理信息系统（GIS）技术，实现图形化动态实时监控管理。
图2
2 组群控制器工作原是与系统组成
2．2 组群控制器系统组成
图2给出了一种组群控制器设计方案。它包括CPU模块、线路状态检测模块、交流接触器驱动模块、后备电源模块、时钟模块、控制策略模块、电能计量模块、温湿度检测模块、GSM通信模块和电力载波通信模块。CPU模块采用CPU结构。主微控制器采用高性能、8位、40引脚、具有8KBFlash、多路8位A/D的RISC单片机PIC16F877，负责与GSM通信模块和电力载波模块通信，与交流接触器驱动控制，与实时时钟的读取和校准以及根据照明控制策略发送控制指令等功能。从微控制器采用与主微控制器同一系列的高性能8位、28引脚、多路8位A/D、具有4KB Flash的RISC单片机PIC16F873。该控制器负责管理电能计量模块、后备电源及监控模块、温湿度监控模块和线路状态检测模块等。
图3
2.3 双CPU通信方法与RS-485通信
虽然PIC16F87x系列单片机外围通信接口丰富，但是，整个系统通信复杂，接口资源仍然很紧张。主从CPU的可靠通信，是组群控制器可靠工作的关键之一。
根据资源分配，主微控制器PIC16F877与从微控制器PIC16F873采用SPI接口，并以主从方式通信。根据系统端口配置需要，PIC16F873采用硬件SPI接口方式，PIC16F877采用普通I/O口RB1～RB3来模拟硬件SPI口，即软件SPI接口。PIC16F877的SPI硬件资源分配给E2PROM 24C64使用。PIC16F873的SPI接口工作在从模式下，PIC16F877需要选用一个普通I/O口（这里是RB4）与PIC16F873的SPI通信控制端RA4/SS相连，控制SI通信的发起与结束，如图3所示。每次通信都是由PIC16F877发起，PIC16F873响应。
图4
电能计量模块为单独模块，能够测量供电线路的电压、电流、功率、功率因数等参数，并具有标准的RS-485接口。为此，PIC16F873利用硬串口RC6/TX和RC7/RX，通过RS485接口变换，与电能计量模块JP1相连。这里MAX485芯片作为485总线接口转换芯片，用RC2作为RS-485总线通信输入/输出使能控制端，控制信号的读入和送出。
2．4 交流接触器控制与状态保持
组群控制器的一项重要任务是通过固体继电器SSR和交流接触器实现照明线路供电控制。固体继电器为DC3～24V输入，AC220V输出，其输入由NPN型三极管9013驱动。由于系统实际运行过程中存在各种干扰，若则相关引脚很可能会出现跳变信号或三态，造成交流接触器误动作。因此“锁定”复位前状态，对保证系统可靠性非常重要。这里采用了由1个D触发器、1个光耦、3个电阻和3个I/O引脚组成的采样/保持电路，如图4所示。D触发器复位端R和置位端S分别接地，数据端D接CPU的数据控制端RE0，时钟端CLK通过光耦TIP521接CPU的时钟产生控制端RE1和RE2。保持电路的关键在于RE0、RE1、RE2单个引脚误动作无法产生有效时钟和控制指令。即使CPU发生复位，由RC0脚读回固态继电器当前工作状态，并将RE0输出（D触发器输入）置成该状态，进而保证SSR不产生误动作。电阻R32为上拉电阻，保证RE2出现三态时光耦不产生误导通。电阻R33起限流作用。实际证明该电路是有效的。
图5
2．5 时钟与控制策略
要实现自动定时控制，系统时钟和系统预存控制策略是关键。组群控制器采用DS1302时钟芯片，为系统提供实时时钟。DS1302是一种带备份电源的、8脚、具有I2C串行通信功能的高性能、低功耗时钟芯片，提供秒、分、时、日、周、月、年日历功能。I2C串行总线SCL和SDA分别需要一个上拉电阻。主微控制器PIC16F877采用硬件I2C接口（RC3/SCL和RC4/SDA）与DS1302通信，如图5所示。组群控制器可以实现远程时钟校准。
图6
组群控制器将每日控制策略时间表Table1、季节划分时间表Table2、季节控制策略时间表Table3和节假日控制时间表Table4存储在E2PROM 24C64中。24C64是容量为8KB、支持两线的I2C串行通信、1000000次擦写的E2PROM。主微控制器PIC16F877采用2个普通I/O口（RD1和RD2）模拟I2C串行总线，即实现软件I2C总线接口。组群控制器根据读得的日历信息和时间信息，对照各种控制策略时间表，开关灯及调光控制指令。
2．6 软件实现
组群控制器软件分为主微处理器软件和从微处理器软件。主微控制器一方面负责通过GSM与照明管理计算机（简称上位机）通信，接收、解析和执行上位机发来的各种命令，并将执行结果发送给上位机；另一方面，主控制器在没有GSM信息的情况下，完成其它一些任务，软件流程图如图6所示。图7给出了从微控制器软件的简要流程图。
篇4
【关键词】路灯管理；系统设计；节能；数据加工
一、路灯节能设计原理
在照明节能设计过程中最应该重视的问题就是适度的照明。针对照明能源的利用，应考虑到既能满足工作生活的要求，又能达到节约能源的目的，从照明电路的更新方面实现节能，也只能是在前半夜控制路灯回路为全压，在后半夜车稀人少时，适当降低光源电压或电流，减少在路灯系统能耗中占主要比例的光源能耗，以达到路灯系统整体节能的目的。这样，不仅节约了电能，也不影响照度均匀度， 而且还能避免光源后半夜的过压运行，延长了路灯寿命。由于路灯系统中往往外接公交站台广告灯箱。电话亭照明等，而这些照明因功率小，一般采用直管型荧光灯。紧凑型荧光灯，当低于正常工频电压时，这些光源不能正常工作，所以不宜采用配电回路降压。只能采取对每盏灯分别智能降压或限流。本文提出一种节能控制方案，图1示出该控制电路框图。它包括时间预置及控制电路。降功率电感L1和时控开关等。由时间控制电路根据预先设定的时间去控制时控开关的通断，从而控制L1工作与否，使路灯功率下降，耗能降低，以达到节能的目的。
二 路灯节能控制系统结构体系
本文所采用的系统，是运用了高性能的32位芯片作为控制单元，并结合相应的无线传感网络微控制器来完成数据传输过程，从而实现了一台计算机进行单灯控制的目标。为了实现路灯系统节能控制的目的，就对控制软件提出了要有灵活控制方式的要求。
路灯节能控制系统基本结构分为服务器层、电控柜主节点层（中间层）和终端层三级结构。是操作人员通过在终端计算机或其他控制设备上，将控制信息储存在服务器中，并通过服务器，利用GPRS通讯技术将控制信息发送到分区的控制箱，再由控制箱通过ZigBee无线通信系统传送信息到各单灯，并实现最终控制。
在终端部分，结构设计中将每盏路灯都嵌入了一个物联网通信模块，以此作为路灯的核心控制部分，结构的硬件设计和传感网路灯控制协议均具有自主知识产权。系统中使用的控制器模块小，性能好、能耗低、成本低廉，且具有易于安装的特点，因而在实际操作过程中，有效提高了系统的应用范围，特别适合老城区的旧有路灯的改造。在中间层的构建过程中，系统采用了32位的先进芯片作为控制单元，并结合MC13211芯片进行数据传输。在通信技术上，系统提供了3G或2.5G技术供用户进行选择，使用城市可以根据自身的实际情况进行选择。
三 路灯节能控制系统软件的设计
1 软件设计中的问题
在系统结构体系中，中间层和终端层的基本功能实现，主要依靠硬件体系进行保障，而处于体系最顶层的服务器层，则需要Web软件实现低端层与用户进行交互连接。为保障用户与低端设备的连接，使下层设备已经实现的功能与其相适应，且为用户的使用提供更大的便捷性，这就需要系统能够提供一个动态的网站，保证系统具有足够的交互能力，从而使用户能够获得系统运行中产生的实时数据和信息，并且对故障的发生，拥有强大的查询分析功能。
在这一目标的要求下，软件设计过程就要对以下问题进行考虑：第一，软件应该能够提供多种控制方式，来对路灯进行灵活控制，根据时间、天气、经纬度等因素进行灵活控制，在保证地面有效光照的情况下，进行相应的节能，从而挖掘出城市照明潜藏着的巨大节能潜力；第二，由于智能化管理系统会产生大量的数据，要使用户能够有效的对大量的数据进行查找比对，并进行相应的数据统计，这是该软件设计能否成功的关键所在；第三，该系统应该具有很好的实时数据传输能力，从而保证终端产生的数据信息能够第一时间反应到管理层；第四，系统要有很好的可靠性，以避免出现因系统故障造成的各种不良影响，如白天亮灯或夜间突然灭灯等意外情况。
2 系统数据库的设计
Web数据库的系统维护费用低廉，其更新过程不涉及用户的使用，从而有效简化的用户的使用与管理过程，能够将全系统的管理与维护集中到服务器上，从而有效的提高了数据库的扩展与可维护性，提高了整个系统的运行水平。
3 软件建设中运用的主要技术
在路灯节能控制软件的设计中，设计人员采用了Web技术中的Ajax技术，通过该技术的有效运用，能够实现网页界面无闪自动局部刷新功能，便于工作人员及时掌握系统运行中的最新情况，以便及时采取相应措施，保证路灯系统的稳定运行，同时起到节能的效果。采用了Session技术进行会话存储，以保证页面在进行跳转时，不会发生信息丢失的状况。采用Cookie技术对用户的登录信息进行储存，可以实现系统的自动登录，提高系统工作效率。系统提供了自动删除过期数据的功能，以保证数据库不会因为文件过多造成崩溃。删除时限由用户进行制定。
4 软件实现
软件的实现主要是通过通信模块和人机交互界面两个部分构成。
在通信模块上，设计者将其分为两个部分。第一部分是作为高低端通信接口使用，这一部分采用TCP通信技术，通过定时器对相关表进行扫描，有信息指令则会发送至低端，并通过相关技术对TCP口进行侦听，对传送过来的数据包进行解析分类处理。
在人机交互界面上，由于系统需要处理的功能较为复杂，其软件体系选择了Microsoft Visual Studio2005与Internet信息服务与SQL Server 2005模式进行结合，并将界面分为登录模块、控制模块和故障处理模块。
登录模块负责用户的登陆管理，在用户登录相关信息后，服务器将会调用数据库用户表进行验证，验证通过即会允许用户登录，并进行相关记录；如果不能通过，则会拒绝信息。
四 路灯节能控制系统的测试结果
针对不同的程序可以产生不同的节能效果，如果按照平均每天的路灯照明时间为11个小时，前5个小时处于额外功率照明状态，而后面6个小时应该处于节能照明状态。通过对不同功率的光源进行分析，得出不同的节能效果。对比如表1所示。通过对比可以看出，选择适当的L1，不同功率的光源节能效果几乎没有影响。选用大功率的电子镇流器，能够有效地提高节能效果。并且也会相应提高功率。
篇5
关键词：HID前照灯；电子镇流器；倍压整流
引言
高强度气体放电(High Intensity Discharge，HID)灯属于新一代节能灯，已广泛应用于交通、市政、工厂等照明中。汽车高强度气体放电前照灯具有高光效、显色性好、长寿命等诸多优点，已得到各国汽车行业的高度重视。
大多数电子镇流器都由一个直流变换器将额定12V的直流电压升压，再由逆变电路为灯提供交流电，以避免单侧电极的过度烧损。前级的效率直接影响到系统的效率，因此，必须合理设计升压直流环节。因为汽车前照灯要求快速启动和热灯的快速瞬间启动。冷灯启动所需的启动电压一般大于13kV，熄灭后重新启动的灯所需的启动电压需高达23kV。因此HID前照灯启动电路的输出电压应有足够的幅值和宽度，且电压范围要宽。
本文提出了一种新型启动电路，并采用了电流积分作为识别冷热启动的判据，可靠地实现了快速点灯并延长了灯的使用寿命。
常用高压启动电路比较
启动期间，电子镇流器要经历高压击穿、电流接续、预热维弧3个阶段。高压启动电路是HID前照灯能否瞬间点亮的基础。但辉光放电后惯性和滤波延迟使直流变换器和检测回路很难有较快的响应速度，所以需要如图1所示的电流接续(take－over)电路，它可利用电容预先储存的能量为灯提供一个较大的瞬间电流(约300gs)，保证辉弧可靠过渡。一般高压发生电路有以下几种：
单级升压电路
此电路一般要求匝数比很高。因高压线圈流过灯电流，所用导线不能太细，这样会使高压变压器体积增大。采用并联方式可将高压侧线圈导线做得较细，但灯需串联另外的镇流电感，这样，镇流器系统的体积也会很大。
双级升压电路
采用此电路，在产生高压的同时，高压侧绕组起到镇流电感的作用，可降低系统的体积和重量，如图2和图3所示。图2和图3的区别在于，前者采用了两级变压器，体积较大，图3电路只用了一个升压变压器，但前级采用了倍压整流电路，可降低变压器的匝数比，不会增加变压器的体积。图4是我们采用的电路，由于只有一级变压器，体积大大减小。
高压启动电路原理分析
在倍压整流电路中，因变压器的副边两个方向的电流通路都存在，此时flyback部分电路不再是一个反激变换器。在启动阶段，控制程序对全桥逆变电路的母线电容cl的端电压，也就是后级H桥的母线电压进行400V恒压闭环。倍压整流输出电压1200V通过R1和R2对电容cc充电，cc段电压逐渐升高。如其端电压能达到600 V，放电管击穿，cc放电，能量耦合到副边，产生高压。如倍压整流输出电压不够高，则会因R1、R2和R3的分压，在与cc并联的电阻上的分压小于600V，不能击穿放电管。即使倍压整流的电压足够高，如果R3相对于RI+R2的比例不够大，也不能产生600V的击穿电压。
一旦Cc的端电压使放电管击穿，将cc中的能量转移到高压变压器的副边，在灯端产生高压，其电压值由变压器副边的电感和电容、灯状态及压敏电阻和线路电阻所构成回路的时间常数决定。
启动阶段的控制
为了可靠实现启动，控制器通过400 V恒压闭环控制为cc和电流接续电容快速充电，此电压如选得太低可造成启动缓慢，或启动后电路的能量不够，启动则失败。为了避免单侧电极过度烧损，必须避免每次都从单侧电极打火。程序中设定了一段启动方向随机选择子程序。.
在电压闭环控制的同时，程序不断检测电流，一旦电流达到设定值就确认启动成功，进入维弧预热子程序(Warm―up)阶段。此阶段时间为tpre，主要任务是维弧预热，为防止直流点灯造成单侧电极过度烧损及高频交流下过零点熄弧，本文采用了一种电流积分的方式实现低频交流方波。电流积分须满足，之间，每次中断发生后将电流取样值加和，一旦加和达到设定值，将加和清零并翻转逆变桥切换到下一半波。重复上述过程，直到半波结束，进入功率递减过渡阶段。这样控制的优点是：可自动识别点灯温度，为后续控制提供初始依据。
高压发生电路实验及波形
图5采用3倍压整流电路，放电管的额定击穿电压为600V，高压包的匝数比1：50，放电管击穿电压为600V。实验波形见图6。
开关实验是为验证这套电路和控制策略的可靠性编制一套可编程控制器(PLC)程序，用于测试电子镇流器的开关可靠性。开关实验3小时，共计4万次开关，均可靠启动。
篇6
关键词：物联网技术；ZigBee；GPRS；路灯监控
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）06-00-02
0 引 言
路灯照明系统在城市化进程中发挥着重要的作用，它是每个城市发展过程中不可或缺的重要组成部分。传统的路灯系统控制单纯依靠人工现场完成，供电情况、短路跳闸、电流电压等路灯运行过程中的重要参数无法实时获悉，每个路灯定时器无法实现开灯和关灯时间自动控制，在暴雨等极端特殊天气情况下，因控制手段单一，不能满足路灯智能控制需求，造成监控效率低、照明时间更新滞后、维护不及时等现象发生[1]。另外，我国城市路灯照明系统用电量巨大，约占每个城市用电量的十分之一左右。城市后半夜车辆和行人稀少，对路灯照明需求下降，由于缺乏科学有效的亮度调解手段，城市过度照明和电力资源浪费现象比较普遍[2]。
综上所述，针对日益扩大的城市照明需求，借助发展快速的无线监控、物联网应用等技术解决目前城市路灯监控中存在的操作效率低、资源浪费等问题，以实现城市照明系统智能控制和自动调节功能，成为城市道路照明领域一个急需解决的问题。文章提出了一种基于ZigBee技术和GPRS技术的智能路灯监控系统设计方案，构建了对城市路灯实时调整的无线智能监控网络，实现了对每一杆灯的实时定位和控制。
1 系统总体设计方案
基于物联网技术的智能路灯监控系统采用C/S结构，安装在各条道路的路灯集中控制器上作为客户端，路灯的实时控制和运行状况监控由服务器负责，服务器是智能监控系统的核心[3]。服务器和客户端之间的网络传输采用GPRS网络，路灯集中控制器和监控管理中心之间的数据通信通过GPRS模块实现，单灯节点之间的数据通信通过ZigBee无线模块实现。系统搭建了ZigBee技术、GPRS技术和Internet网络之间的沟通桥梁，开发了路灯智能监控硬件和软件系统，实现了路灯运行状态的即时监控和实时控制。系统的整体架构如图1所示。
基于物联网技术的智能路灯监控系统由单灯控制器、路灯集中控制器和监控中心组成。
（1）单灯控制器：该控制器是一个ZigBee的无线接入点，每个节点设置与路灯编号一一对应的唯一的物理地址。单灯控制器接收从路灯集中控制器发送的指令，完成路灯调节、运行状态检测等动作[4]。
（2）路灯集中控制器：该控制器是智能路灯监控系统的枢纽，将STM32F303控制芯片编号后使用ZigBee和GPRS网络与单灯控制器和监控中心实现无线通信。
（3）监控中心：监控中心是整个路灯系统的核心环节，监控中心面向城市管理人员，可保证城市道路的路灯平稳有序的运行[5]。
2 单灯控制器设计
单灯控制器可监控每个路灯的电压、电流以及运行状态等，可及时发现路灯存在的问题，并依据恶劣天气、拥堵时段、季节交替等不同情形对每个路灯进行实时调节，实现照明模式的多元化和智能化，进一步提升城市照明系统的运行效率，降低维护成本。
单灯控制器硬件由数据采集模块、路灯控制模块、无线信号传输模块、指令执行模块和供电模块组成。数据采集模块负责将现场采集的模拟信号通过ADC转换为数字信号，并发送到路灯控制模块；路灯控制模块对传送过来的现场数据进行存储、分析，根据系统设定的控制方案确定路灯操作策略，发送路灯亮度调解、开关等操作指令；无线信号传输模块与其它传感器节点的数据传输和信号交换控制采用ZigBee技术实现；供电模块采用轻型化、大容量电池给其他硬件模块和传感器节点提供电能。
根据传感器节点和单灯控制器的功能要求，路灯控制模块选用具有现场数据存储量大、支持各种复杂控制技术以及实时控制技术等优点的可编程逻辑器件FPGA，其语言支持以及高速并行运行特性为路灯控制模块的实现提供了重要支撑。ZigBee无线通信模块选用Chipcon As公司2.4 GHz射频芯片CC2420，满足了低成本通信要求。
由于ZigBee网络中节点数量较大，为了便于操作，协调器、路由和终端节点的识别全部交由监控中心软件实现。硬件方面除了协调器具有通用异步收发接口UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）外，其他都是相同的。各节点微控制器MCU（Microcontroller Uint，MCU）均采用TI公司的2.4 G射频芯片CC2530，该芯片支持专有802.15.4市场及ZigBee标准。路端单灯测控器的硬件结构如图2所示。
3 路灯集中控制器设计
路灯集中控制器处在单灯控制器和监控中心之间，是城市照明系统的运行状况获取、状态监测和实时控制的枢纽，是城市路灯监控系统功能实现的关键环节。路灯集中控制器负责将获取的电流、电压等路灯运行状态信息传送到监控中心，接收监控中心发送来的参数信息、路灯调节命令，结合现场状态对城市路灯进行参数设定或实时调整，保证监控中心对智能路灯系统的监控和管理。
路灯集中控制器将GPRS无线通信模块、电参数监测模块、调试电路以及单灯通信的ZigBee无线通信模块等集成到嵌入式微控制器STM32F303中。路灯集中控制器的模块框图如图3所示，GPRS无线通信模块、ZigBee无线通信模块与STM32F303之间的数据交换通过串行口电路实现，电参数测量模块采用三相电能芯片通过SPI总线与STM32F303进行数据通信。
4 监控中心软件的实现
监控中心软件对道路两旁的路灯进行实时监测，数据传输采用ZigBee无线网络和GPRS/Internet网络，一方面接收来自路灯集中控制器发送的电参数、运行状况等数据信息，完成对状态运行数据的保存或显示等操作；另一方面向路灯控制器发送即时的状态调整和路灯控制命令。监控中心和路灯集中控制器之间通过GPRS无线通信网络相连，路灯数据采集、开关、事故报警等功能通过监控中心软件对路灯集中控制器参数的设定来实现。
监控中心是智能监控系统和城市路灯管理人员交互的接口，是监控系统管理的核心。监控系统软件设计界面简洁，操作方便，管理人员使用简单的按键即可实现对整个路灯系统的管理和维护。监控中心主要的功能如下：
（1）保存城市路灯监控系统中路灯状态配置信息，构建保存路灯集中控制器和单灯控制器的位置信息、路灯调整措施等数据的数据库。
（2）使用GPRS无线通信模块和ZigBee无线传输模块实现对城市路灯运行状态的监控，有效统计安装在路灯上的各类控制器的运行状况，并自动生成汇总数据。
（3）根据不同条件完成对范围内每个或者每组路灯的亮度调节和开关控制。
数据处理模块后台采用SQL Server 2014数据库，主要存储从路灯集中控制器获取的电参数、开关策略、错误信息等数据，方便路灯管理人员把握路灯系统的运行状态，快速获取故障信息。网络通信模块通过查询和控制命令的收发实现运行数据的收集和路灯遥控功能。监控中心软件系统结构图如图4所示。
5 结 语
随着我国城市的扩容和改造，城市照明实时控制和节能等问题受到了越来越多的关注，将物联网技术运用到城市照明监控系统中可以实时检测并控制城市照明设施状态，使得照明设施便于维修和管理，维护照明设施所需的人力和物力成本大幅减少。随着物联网技术以及传感网络的发展，智能控制在环境保护、交通运输、食品安全以及数字家居等领域的应用将越来越普遍，智慧城市将变成现实。
参考文献
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[3]左才松，邹旭晃，邓太平.基于物联网技术的智能照明控制系统设计[J].湖南城市学院学报，2013，22（4）：54-58.
篇7
关键词：LED路灯；智能监控；软件设计；无线
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）34-8271-04
《“十二五”城市绿色照明规划纲要》指出虽然全国各地都在积极推行城市绿色照明，加强节能管理，并取得明显发展。但是城市绿色照明工作还处于起步阶段，仍存在城市照明质量和节能缺乏有效的监管，无法达到国家的节能减排要求，管理方式比较粗放，大都采用人工方式，缺少精细化管理，城市绿色照明发展的体制机制还不完善，存在薄弱环节，发展不平衡等问题[1].
在城市照明用电中，路灯占有相当的份额。由于路灯工作时间长，耗能非常大，因此同样需要开展绿色照明工作。与《城市道路照明设计标准》CJJ45-2006规定的高压钠灯、金属卤化物灯、紧凑型或细管径荧光灯等传统路灯相比，作为本世纪新型光源的LED灯具有节能、环保、长寿等优点，可选用作为道路照明用光源，已开始在道路上获得应用，是未来路灯发展的趋势[2]。目前，勤上光电股份有限公司、四川新力光源有限公司、孝感市捷能特种光源照明器等众多国内公司纷纷致力于该领域，从事LED灯的研发和推广。
如何建立有效的LED路灯监控系统是路灯节能的一个重要方面，它可以实时控制LED路灯的开关状态，收集LED路灯各个具体参数，定量描述路灯运行的状况（如故障率、温度、开关状况等），是路灯节能工作的重要基础[3]。目前国内应用比较多的节能设备当属高压钠灯的电压调节设备。由于高压钠灯消耗的电能和电压可以用方程式来表示，因此降低高压钠灯的电压可以降低消耗的电能，但是高压钠灯的能耗仍然较高。
总之，我国的路灯监控系统的发展还处于发展阶段，大部分城市路灯的开、关控制仍由变压器分散控制，统一性差，故障率高，且由于没有远程数据采集和通讯功能，无法实现集中监控，且大部分城市仍是延用传统的以钟控、人工控制为主的管理系统，存在以下问题：系统复杂，难以统一管理；灯光系统覆盖面广，维护困难，维护力量严重不足，疲于应付；开关控制效率低，用电浪费现象严重；存在安全隐患，无法快速掌握运行状态，安全无保障，统计困难。因此，利用无线方式来采集信息的思想越来越受到人们的关注。目前国外大多采用的是WLAN、 CDMA/GSM等网络，但其组网受限制、运行成本相当高。随着无线传感网技术的发展，应用该技术进行LED路灯监控成为新的课题[4]。因此结合无线传感网和LED路灯，研究基于无线传感网的无线LED路灯监控系统，设计监控中心上的智能监控软件，实现对路灯的实时监控和管理，确保高效稳定，全天候运行，监控不必要的“全夜灯照明”，有效节约电能消耗。对于城市公共照明系统来说，采用智能化的管理系统是实现能源节约、减少资源浪费、满足人们生活要求、显示现代化城市靓丽风景的科学解决方案。
1 路灯监控系统结构
LED路灯监控系统包括Zigbee路灯控制器、子网控制器和监控中心三个部分组成[4]。
Zigbee路灯控制器控制路灯开关（最多可单独控制9路灯）、亮度调节、电流采集、温度采集、开关状态采集、电压采集等。Zigbee路灯控制器分为模块式（内置灯具中）和外挂式（可内置灯杆中），可分别满足路灯企业和工程企业的使用需求。
子网管理器接收和发送子网内的所有路灯控制信号、数据记录、报警处理等。它负责监控子网内的Zigbee路灯控制器运行，将监控中心的命令下达给Zigbee路灯控制器，将Zigbee路灯控制器及线路信息反馈监控中心。子网控制器处于监控中心和各子网内Zigbee路灯控制器的中间，向上通过485、RS232等方式同系统中心通信。向下则是通过ZigBee通讯协议方式，同各个路灯控制器通信，无需通讯费用。
监控中心主要实现对不同子网下的Zigbee路灯控制器进行远程数据访问和监控，包括参数配置，监控命令发送、现场灯具状态收集等。当该路段路灯监控系统发生故障（包括：跳闸、电压低限、电压高限、电流低限、电流高限、白天亮灯、亮灯率低限、损坏、被盗）及时进行反馈报警，特别是各路段亮灯率、白天亮灯报警、电流高限报警，不用派人巡查也能及时清楚该路段的工作情况，及时安排人手维护，既保证亮灯率和行车安全，还能够根据路段日照和人车流量的变化设定路灯的照明时间和开关，在满足基本照明的前提下节约能耗。
2 智能监控软件设计
在无线LED路灯监控系统中，智能监控软件是系统的一个重要组成部分，实现系统的各个数据存储和管理，提供人机交互界面。因此以下介绍智能监控软件的设计。
2.1 功能需求
1） 自动巡测功能：监控中心可以自动巡测每路路灯的开关状态。
2） 数据采集功能：采集电流电压、电量、温度等数据。
3） 控制功能：监控中心可以随意开关任何一路路灯或开关自定义群组的路灯。
4） 自动控制功能：现场按预先设计好的时间计划自动调节路灯开关时间。
5） 报警功能：将过去的巡逻式维护报警改为预防式等待报警，这样监控中心可以得到第一手资料从而进行调度协调。故障出现后，监控中心可以准确获取故障灯的位置信息，工作人员可以在最短时间内赶到现场行维护。通过采集电力线的电流、电压值，通知系统中心，从而进行防盗处理。
6） 显示功能：可以根据电子地图上显示每路路灯的开关状态及其它重要信息。
7） 数据存储功能：可对路灯安装和时间、地点、运行参数等用户关心的信息进行记录存储。
8） 数据查询功能：监控中心可以通过互联网查询任意时间段每路路灯数据信息。
9） 曲线功能：可以生成电流、电压、功率因素、亮灯率、开关时间的分析曲线。
10） 拓展功能：如调光监控，配合LED调节灯光亮度，在不影响照明前提下，达到最大节能效果。系统可自由增减路灯控制器的数量；路灯控制器可以扩展其它功能，配合其他节电监控技术进一步降低路灯能耗。
2.2 软件整体框图
如图1所示，软件采用Qt的图形界面平台和C++语言[5，6]分别编写数据管理模块、主界面模块、数据库模块、用户管理模块、通信管理模块五个模块，最终实现智能监控软件[7]。
2.2 软件模块功能
2.2.1 数据管理模块
如图2所示，数据管理模块负责完成软件中控制器模块相关部署运行数据（区域数据、街道数据、部署配置数据和运行状态数据两种控制模块数据）、用户账户相关数据和通信配置相关数据等数据的管理，并对其它模块提供数据支付服务[7]。
如图3所示，软件采用继承机制，设计DataItemBase抽象基类，并实现类型、部署信息、父对象等信息的申明，重新定义了获取/设置类型函数，获取/设置部署信息函数等函数。在抽象基类DataItemBase的基础上，利用C++的多态性设计了区域数据类（Zone）、街道数据类（Street）和控制模块数据类（Controller）。定义了各个对象和虚接口函数，实现控制模块相关数据的统一接口。
如图4所示，软件设计了用户名、密码、权限等用户账户参数，并提供了用户验证函数、权限验证函数、各个参数设置等多个函数，实现了对系统中各个用户账户的管理。
通信配置相关数据主要考虑串口的波特率、数据位、停止位、校验位和流控制等参数，提供串口数据发送和接收函数，能完成数据的通信任务。
整个数据管理模块的数据在软件开始运行时创建并初始化，具体数据由数据库管理模块提供。在软件运行过程中，数据的任何改动都将及时反馈给数据库管理模块。数据库管理模块寻找对应的数据项，并执行数据的更新和添加等操作。
2.2.2 主界面模块
主界面模块负责与用户的交互和界面维护的工作，其功能主要集中在运行数据显示和处理用户图形化界面输入两个方面。按照系统需求，如图5所示，主界面部分主要包括以下几个组件：
街道与控制模块管理组件主要提供用户管理和查询街道和控制模块的图形化接口。该组件从数据管理模块获取相关街道及控制模块的部署信息，并按控制模块的街道部署顺序以树形结构显示，同时提供指定街道与指定控制模块的快速搜索功能。
地图管理组件主要负责管理和显示地图信息、显示部署在地图指定位置的街道和控制模块的图形化数据信息，并负责用户对显示的图形化数据信息进行的交互工作。该组件同时还和街道与控制模块管理组件进行协调工作，实现指定街道或控制模块在地图上的快速定位。
监控数据区组件采用表格显示方法，从数据管理模块中获取和显示节点编码、节点地址、电控箱编号、开关状态、亮度、当前电压、当前电流、当前温度等路灯控制器的工作状态数据，方便用户及时查看系统运行状况。
控制面板组件是用户控制Zigbee路灯控制器的人机交互界面，针对于用户选择的不同（是否为控制模块），进行相关路灯控制选项的显示。在用户完成相关运行选项配置后，控制面板组件将根据配置信息生成相应的控制命令信息通过通信管理模块发送给底层硬件，完成用户对底层硬件的图形化控制。
2.2.3 数据库模块
为实现数据的管理和存储，数据管理模块和数据库模块互相协调运行。如图6所示，数据库模块在提供对数据库操作的同时，还提供对数据库中数据的显示和简单分析功能。数据库管理部分主要实现数据管理模块中街道、控制模块的部署信息数据、系统运行配置数据，如通信配置数据、用户账户数据、控制模块的历史运行数据等数据的表创建、出库、入库、更新和添加等操作，并提供了各个操作接口，实现与数据管理模块的互动。数据曲线显示和数据分析是使用户对系统运行状态有一个直观的认识，具有实时数据的曲线显示功能，同时提供给用户简单的数据分析功能。曲线显示和分析的数据来源就是软件在运行过程中存入数据库的运行数据。软件系统采用的数据库为无服务免配置的Sqlite数据库，以方便软件的部署。
2.3.4 用户管理模块
用户管理模块提供了两个人机交互界面――用户的登入界面和管理员用户设置界面，实现了用户的图形化操作。该模块主要管理系统中的用户账户，即主要实现用户账户的创建、登入、修改和用户账户权限范围的设置、修改和管理。并防止未授权的用户修改系统软件，威胁系统的运行[7]。
2.3.5 通信管理模块
如图7所示，通信管理模块是软件利用电脑的通信接口，实现与系统底层各个设备的数据通信，从而实现用户对底层硬件的控制。控制管理模块主要负责对多种通信接口（如串口、以太网接口等）进行配置和管理，以完成数据的正确通信。主界面中控制面板模块根据用户设置生成的命令字就是通过本通信管理模块发送给底层硬件设备的。
通信控制管理模块还负责接收底层设备发送的各种控制器状态反馈信息数据，其还设有数据解析模块对接收的数据进行解析，并通过与数据管理模块的接口完成相应数据的更新工作。
4 设计效果图
如图8所示，软件按照路灯的部署信息以街道à控制模块的顺序进行树形结构的显示。
如图9所示，软件为了方便用户对特定控制器模块或街道的定位，提供对两个对象的快速查找功能和界面。
如图10所示，软件同时设置地图定位功能，用户查询指定街道或控制模块的同时在地图管理模块中定位该街道或控制模块的位置。
如图11所示，软件为了便于较大地图信息的浏览，设置有地图导航工具栏，包括实现地图缩放（zoom）、导航（navigation）等功能。
如图12所示，软件将收集的信息根据表格型结构显示。
如图13所示，控制面板组件根据当前选择的控制对象进行相应的控制选项的显示。对于控制模块对象，主要选项包括开启时间段设置、亮度设置，而对于街道对象，则包括节能控制策略的设置。
如图14所示，左上角的系统配置菜单栏主要用来配置串口和波特率。左边一栏是控制箱，允许存在多个控制器，单个控制器代表一个Zigbee路灯控制器。右边的控制面板上对路灯控制器进行控制，只要选择当前的亮度值再执行即可。图下面的监控栏上显示当前路灯控制器的各个信息如节点编号、节点地址、开关状态、幅度、亮度、电压、电流和温度等状态。控制面板上还预留了点亮时间段、街道查询、控制模块查询等其它功能。
5 总结
针对无线LED路灯的智能控制系统，设计了由数据管理模块、主界面模块、数据库模块、用户管理模块和通信管理模块五个模块组成的无线LED路灯的智能监控软件。该软件基于Qt图形界面平台，采用C++语言编写完成。设计过程中充分考虑了各个模块间的依赖性关系，进行了模块化的解耦设计。软件平台对现场设备和数据通信依赖很小，对于不同的路灯监测应用，经过适当的配置和调整即可投入使用，且具有较好的图形化界面，通用性和可靠性。
参考文献：
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[5] 谭浩强.C++面向对象程序设计[M].北京： 清华大学出版社，2006.
篇8
关键词 道路；照明；控制
1 道路照明常用的控制方法
1）定时控制：人工控制；定时钟控制；微型计算机控制（路灯控制仪）；2）光电控制：光电控制器控制；3）光电控制与定时控制的结合：光电控制器+定时针，即微机光控路灯控制仪。
道路照明设备控制的运行方式有：（1）并联控制(又称控制线控制)；（2）串联控制(又称串顶或末端顶控制)；（3）单电源控制；（4）无线控制。
上述4种控制的运行方式中都可以选用人工控制、定时钟控制、光电控制器控制及微型计算机控制中的任何一种控制器件或组合使用。
选用控制器件应满足：（1）抗电磁干扰能力强：如电源电压有较大幅度的波动或外界有电磁干扰时，能正常运行；（2）能适应运行环境的温差范围大；（3）合理的控制道路照明的全年总燃点小时数，达到合理控制年耗电量；（4）尽量避免在运行中进行调试，并尽可能使安装与操作简便。
在选用控制的运行方式时，应尽可能达到：（1）控制范围大，能通过控制线路执行控制器件的多个指令；（2）除控制器件本身发生故障外，在局部控制线路发生故障时，应尽量缩小故障范围；（3）控制系统的运行方式，尽量不受电源电压波动的影响；（4）投资合理，运行维护量小。
2 控制用器件
2.1 SDK-2型石英电力定时控制器(简称定时钟)
SDK-2型定时钟适用于常年不变启闭时刻的路灯控制，如半夜灯的启闭。其技术数据：
1）控制电流：0.5A或5A；
2）工作电源：DC1.5V（5A的还需用AC220V）；
3）极限工作温度：一10℃～+50℃；
4）最小控制时段：1.5h。
2.2 光电控制器
光电检测元件(硅光电池)将光强弱的变化转变为电信号的变化。如夜幕降临时，天慢慢的黑下来，光电检测元件所检测到数毫伏的电信号，经放大器和比较器输出开灯信号，并经抗干扰延时，再作用到输出继电器，点燃路灯。
次日拂晓，光电信号逐渐增强，当达到大于关灯给定值时，比较器就输出关灯信号，经抗干扰延时，作用到输出继电器，熄灭路灯。
光电控制器的技术数据：
1）可调光控范围：0.4～2LX；
2）控制容量：AC220V，3A；
3）开关灯延时：约30s，开关灯给定切换延时大于15min；
4）工作电源：AC220V，50Hz；
5）工作环境温度：15℃～+45℃。
3 开关设备
3.1 HRD型路灯刀闸
HRD是单刀路灯刀闸，它是刀闸与熔断器的结合体HRD。既可装在道路照明的电源控制箱内，也可装在线路上作分支保险使用。为保证HRD。路灯刀闸在室外使用的寿命，各部螺丝、螺母均应用铜材或不锈钢材料制成。
安装时，电源接在刀闸侧，负荷接在熔断器的出口侧。更换熔丝时，应遵守低压带电操作法，但仍需断开刀闸。
3.2 开关
城市道路照明或厂区道路、码头、港口的照明一般均是低压供电，即电源侧全天有电，道路照明电源的启或闭，一般由自动空气开关、交流接触器、真空接触器中的任选一种电器执行。高压供电一般采用断路器。道路照明用电光源，正逐步由白炽灯向荧光高压汞灯和高压钠灯过渡，灯泡功率向大瓦数发展，但汞灯、钠灯的功率因数偏低，工作电流偏大，所以要求开关有足够的额定电流。
4 控制电路
在设计控制电路、控制运行方式及选择控制器件等一系列问题时，必须从本地区的实际情况出发，并征询供电部门的意见。道路照明控制电路的选择，必须与其供电方式、控制运行方式相结合。如北京、天津采用高压供电方式，则选用计算机路灯控制仪控制电源的启，闭为宜。低压供电方式的控制器件的选用，如一个控制点能控制千盏灯左右的，宜用计算机光控路灯控制仪；如一个控制点仅能控制几十盏灯左右(即一个控制器件控制一个电源点)，宜用分式型路灯控制仪。选择控制器件时应考虑接线方便，尽量防止误动作及在控制器件失灵下便于改换成人工控制。
5 供电和控制的运行方式
道路照明与美化城市和保证市民安全密切相关，因此为道路照明提供不问断电源，选择可靠的供电方式和控制方式十分重要。
5.1 供电方式
我国的道路照明供电方式，一般有以下3种：
1）高压供电
由变电所送出10kV线路专供道路照明用电源，如北京、天津、福州等城市。其主要优点是：不受限电影响，供电可靠性好。白天线路无电，可减少变压器空载损失。道路照明负荷较稳定，故电压波动幅度小。在变压器的二次出线没有电度表箱等附属设施时，大片灭灯的机率少。
高压供电的缺点：三相供电负荷不能平衡，占用主变压器的容量大。道路照明供电的10kV电缆线路是单相供电，由于电容电流影响，10kV母线电压很难平衡。高压供电的低压照明线路在与民用低压线路同杆同担架设时易发生混线，并通过混线点将民用低压电源经低压照明线路、照明专用变压器，送至10kV路灯高压线上，造成大面积着灯。新建工程一次性投资多。
2）低压供电
由民用10kV线路带的公用变压器或照明专用变压器作为道路照明用电源。这一供电方式是目前道路照明普遍采用的主要供电方式，其优点是：不用架设专用10kV线路，因此工程小，投资省。其主要缺点是：（1）在不设专用变压器并采用串联控制时，往往照明低压线路过长，线路末端电压过于偏低；（2）附属设施多和受限电的影响，大片灭灯次数较多；（3）电压波动范围较大；（4）在专设变压器时，空载损失过大。
篇9
关键词：路灯 节能 模糊控制
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（b）-0005-02
An Energy-saving Control System to Street Lamp Based on Sensor Networks
Li Xiaoguang Xiao Pingping
（Information College of Guanghua College of Changchun University，Jilin Changchun，130033）
Abstract：For the problems that the street running state and information was difficult to feedback and reasonable control，we apply the topology model to the street lighting management system，and complete the optimization control in this paper.Using the fuzzy control theory to handle the road signals，the intelligent lighting region controller integrates the thyristor chopper with the autotransformer technology，carries out the soft start and slow slope control to the street light，and realizes automatic voltage and energy saving.At finally，the system can realize the energy-saving control and intelligent，networked management of city street lamp.
Key Words：Lamp；Energy saving；Fuzzy control
路灯是我国经济发展和国家建设中必需的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例巨大。据统计，2009年全国用电总量为36430亿kW·h。而城市公共照明（主要是道路照明）大约占总用电量的10%左右，约为3643亿kW·h。
由于道路照明控制过于简单，存在路灯运行状态、信息难以反馈和难以进行合理控制等问题，造成了区域不平衡供电和过度供电的现象（电压过高或“全夜灯”现象），每年将造成几百亿度的电能浪费，还极大地影响用电设备和灯具的使用寿命，造成了巨大的经济损失[1]。尤其吉林省路灯过度供电的现象尤为严重，路灯供电电压平均在230～240 V之间，而且均为“全夜灯”，给吉林省能源和经济造成了极大的浪费。本项目所开发的基于传感网的智能路灯节能控制系统是具有节能控制功能的道路照明管理系统，能对区域内的路灯进行自动状态监测、照明控制及管理，自动调整路灯在不同时间、不同交通流量下的耗电量，可解决路灯区域不平衡供电和过度供电造成的电能极大浪费和烧毁灯具的难题。
1 总体方案设计
本文所构建的基于无线传感器网络的路灯节能控制系统由路灯管理中心平台、路灯区域控制器、传感器节点组成[2]。路灯管理中心平台负责所有信息的汇总、统计、分析和处理，实现对区域控制器节点的控制；路灯区域控制器（即分簇结构中的簇头节点）负责所辖路段路灯亮度的节能控制、解析执行管理中心指令和采集、上报运行数据。传感器节点负责某段区域路灯的控制和状态检测。传感器节点、路灯区域控制器和路灯管理中心之间采用Zigbee协议进行数据传输，传感器节点与所辖区域内各路灯之间采用电力线载波通信方式进行数据传输。其系统结构图如图1所示。
2 硬件设计
2.1 传感器节点
传感器节点由四个部分组成：数据采集模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块[3]。如图2所示。
数据采集模块由光敏、声音传感器进行所辖区域内光照、声音信息的采集，并将采集的信号通过信号调理电路变为其变为适合传输的数字信号，传送给微处理器模块[4]；微处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理数据采集模块采集的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，实现信息交换控制和数据收发[5]；电源模块为传感器节点提供运行所需的能量，采用微型化、高容量的电池。
2.2 路灯区域控制器
路灯区域控制器的工作原理是光敏传感器采集到所辖区域道路上的光照信号通过输入智能控制器，实现所辖路段路灯的开启和关闭[6]。道路上的人车流量通过声音传感器输入智能控制器，通过模糊控制算法进行实时处理后，利用晶闸管的移相控制原理，根据时间和车流量对三相交流调压电路中晶闸管的导通角进行控制，进而改变照明电路的输出电压，达到平衡供电，实现节能控制的目的[7]。控制原理[8]如图3所示。
同步信号采样电路是按照三相交流调压电路的控制规律要求，为晶闸管的移相触发电路提供同步信号；移相触发脉冲电路根据触发角指令的要求，结合同步信号，来控制三相交流调压电路中晶闸管的导通角来决定路灯输出电压的大小；智能控制器作为整套系统的核心部分，其控制方式选取的为模糊控制算法，采集的光信号与声音信号通过放大、转换后输入到控制器的微处理器中，通过模糊控制的方式将采集的数据进行处理比对，选取最优化的控制信号加以输出。可变电抗器是用来隔离高压和低压，将电抗器的高压侧与路灯相连，在电抗器中增加二次绕组作为低压侧，将二次绕组与晶闸管和具有模糊控制算法的控制系统相连。当晶闸管控制角的发生变化时，电抗器低压侧和高压侧的电压大小也随之改变，进而使得路灯的端电压发生变化，改变路灯的照明亮度，以实现路灯的软起动和调压节能。路灯区域控制器还对三相电流的不平衡情况进行监视，实现三相不平衡保护和缺相保护，通过对负载端电压的反馈、比较，实现电压检测。
3 实验结果
本测试工作的重点是围绕利用无线传感器网络，对温湿度、光照强度、电压信号等参数进行数据采集和分析。
3.1 组建网络
首先，根据设备在网络中的功能，预先对装置编制好程序。网络协调器通过串口与PC机相连，可以在串口调试助手上观察网络组建时的实验数据结果。协调器的功能是通过扫描搜索，以发现一个未用的信道来启动一个网络。
网络协调器上电后建立起ZigBee网络，路灯节能控制系统传感器节点自动加入网络。当各节点加入网络时，各节点网络指示灯均亮起，表明组网成功。在采集管理界面中将传感器节点逐渐加入到网络协调器建立的网络中，并在信息显示窗口中显示建网完成后，采集网络建立完成，各采集器数据信息最终传输到网络协调器。
3.2 上位机显示界面
为了系统调试的方便和水质监测系统可视化人机界面的可操作性，本系统在Microsoft Visual C++6.0环境下实现了系统串口通信程序，可以实现数据在计算机上的实时显示。
从图4中可以看出，上位机界面主要由操作区、曲线显示区、节点状态区三部分组成。
操作区：主要显示当前所使用的串口以及相应的状态，服务器状态、工作情况、登陆网址等信息。
曲线显示区：在曲线显示区可查看所选用的传感器模拟量变化的波形。
节点状态区：实时显示当前网络中各传感器所采集到的温度、光强、气体、路灯的数据信息。
4 结语
本项目构建的基于无线传感器网络的智能路灯节能控制系统，能对区域内的路灯进行自动状态监测、照明控制及管理，自动调整路灯在不同时间、不同交通流量下的耗电量，可解决路灯区域不平衡供电和过度供电造成的电能极大浪费和烧毁灯具的难题。
参考文献
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篇10
关键词： ZigBee； 路灯； 微波雷达； 光照控制； 时间控制
中图分类号： TN911?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）19?0029?04
0 引 言
随着中国城市和经济的迅速发展，城市路灯照明已经成为展示城市魅力的名片和窗口，但是照明在带来绚丽和方便的同时，也遇到了诸多问题。据调查，我国小型城市在夜晚9点后，大中城市在午夜12点后，道路上行人非常稀少，即便是北京、上海、广州这样的繁华都市，凌晨2点以后，道路上也罕见行人、车辆。这时如果保持“恒照度”会造成资源的大量浪费；另外后半夜是用电的低谷期，电力系统的电压升高，路灯反而会更亮，而我国现行70%的道路照明使用的高压钠灯，此类电网电压的波动致使灯泡的实际使用寿命不超过1年，带来了高额的维修费和材料费，并且系统难以及时反馈路灯运行的故障信息，无法进行远程控制和处理，只能采取人工巡查方式。路灯控制系统从最初的开关控制功能，逐渐演化到监控节能控制功能，各种新技术被用于路灯监控系统中。路灯控制方法有PLC控制，电力载波控制和无线网络控制等 [1?4]。从路灯控制系统的成本、可靠性、信息化、应用前景等方面考虑，本设计采用ZigBee无线自组网网络技术实现LED路灯节能控制系统的设计。
1 系统实现方案
按照系统要求，本设计主要完成支路控制器和路灯及二者之间的通信网络设计，其中支路控制器完成时间、光照信息的测量，路灯终端完成故障诊断和移动物体的检测，利用ZigBee无线网络技术实现支路控制器和路灯终端之间的通信。因此系统主要包括以下分系统：电源稳压系统、支路控制系统、ZigBee协调器系统、ZigBee路由和终端系统。其中电源稳压包括5 V稳压和3.3 V稳压；支路控制系统包括时间模块、键盘模块、显示模块和光照采集模块；ZigBee协调器包括显示模块和键盘模块；ZigBee路由和终端包括微波雷达检测模块、故障检测模块和路灯控制模块。系统结构框图如图1所示。
ZigBee技术是一种新兴的短距离无线通信技术，在近距离无线网络领域得到广泛应用。ZigBee技术采用自组网络，其网络拓扑机构可以随意变动，这一特点对实现路灯智能监控系统的智能化、高可靠性、低成本起到很好的作用 [5?7]。ZigBee的网络拓扑结构可分为：网状结构、星型结构和树状结构，考虑到树状结构能够提高通信网络的可靠性，因此本设计中无线系统的网络拓扑采用树状结构，使用路由功能传输。无线系统由一个ZigBee协调器、若干个路由控制器和若干个路灯终端所组成，网络示意图如图2所示。根据ZigBee通信组网技术的特点，将ZigBee技术与传统的路灯控制模式相结合，根据不同路段及时间，对协调器设置不同的检测与控制方式，能及时对路灯进行相应的控制并发现路灯损坏情况和它的具置，方便维修管理，实现按需节能、智能化管理，达到城市照明系统节能减排的目标。
2 硬件设计
2.1 支路控制器设计
根据系统功能，支路控制器主要包括时空电路、光控电路、键盘及显示等，电路如图3所示。时间控制芯片采用的是DS12887芯片，其内部自带锂电池，外部掉电时，还可准确走10年之久，有12小时制和24小时制，数据可分二进制或BCD码传送，使用非常方便。环境光检测部分采用的是光敏电阻加LM339电压比较器的测量方案[8]。电阻[RV2，][R5，][R9]及光敏电阻共同构成了惠斯顿电桥的两个桥臂。在光线相对较强时，电路输出端输出低电平；当光线强度相对较暗时，电路输出端输出高电平。统共设置5个按键，采用独立式键盘，包括时间调节键，模式选择键及季节设置键。时间调节键三个，设置键、上调键和下调键，按下设置键开光标，上下调节键用来调节时间。模式选择键，采用自锁式按键，进行繁华和偏僻模式转换。季节设置键，也采用自锁式按键，进行夏季和冬季转换。
2.2 ZigBee协调器设计
ZigBee协调器负责组建网络与信息的收发处理工作。协调器不断采集主机发来的开关路灯与开关雷达指令，通过发送不同的字符给终端使其作相应的操作。同时能够显示故障地址，并能对故障信息进行清除。当接收到终端和路由发来的故障地址时，将地址显示在LCD上。由于CC2530的IO口资源较为紧缺，所以设计时选择串口驱动方式。故障维修人员记录检查故障信息，维修员维修之后，需要将原有的故障信息清除，此时只要按下故障清除按键即可。ZigBee协调器接口电路如图4所示。
2.3 ZigBee路由和终端系统
ZigBee路由和终端系统接收来至协调器开关灯与开关雷达的指令，某个路灯出现故障时发送本路灯的地址给协调器。因此ZigBee路由和终端系统由微波雷达检测模块、故障检测模块及LED路灯控制模块组成。
2.3.1 微波雷达检测模块
微波雷达传感器受气流、温度、尘埃的影响较小，因此设计中选用标准的10.525 GHz微波多普勒雷达探测器HB100进行移动物体检测。在人与车稀少的区段开启移动物体检测模块，当有移动物体在路灯所检测的范围内活动时开启路灯；当移动物体离开后保持路灯处于低亮状态一段时间，STC15F104单片机提供延时，并由P3.1口输出控制信号。电路如图5所示。其中CC2530的P2.1口控制三极管的通断决定单片机与雷达模块是否上电工作。三极管的发射极与基极电阻[R4]使三极管更有效截止与导通。
2.3.2 故障检测模块
故障检测电路如图6所示。夜晚开启路灯的同时开启故障检测模块，路灯正常工作时光线强，比较器输出低电平；路灯故障时，光线较暗，比较器输出高电平。由于比较器输出的只是高低电平，出现故障变为高电平，此时如若直接连接到ZigBee模块上它会不断的发送故障信息，造成系统资源的浪费。设计中用STC15F104单片机不断的检测比较器的输出端，出现故障时由P3.3端向ZigBee模块输出一个负脉冲。单片机的工作电源由ZigBee模块的LED端控制，保证系统在高亮时段实时检测故障从而节约了系统资源。
2.3.3 LED路灯控制模块
LED路灯控制电路如图7所示，路灯由两部分控制。当定时时间到时开启路灯，开启模式为全亮；进入雷达检测模式后，有移动物体出现在检测范围内，开启全亮模式；两种控制用与门连接，有一个输出为低电平就开启路灯。没有移动物体在雷达检测范围之内时路灯处于半亮模式，接入的电压为全亮模式的一半用 [9]。为了使其控制端间互不影响，在各控制末端加入光电耦合器进行隔离。
3 软件设计
系统上电后进行初始化，检测系统是否正常工作，如果正常则按照路灯控制界面进行状态检测并对路灯进行输出控制，使路灯按照既定程序实现开/关状态。主机系统显示相应的控制信息；协调器不断检测主机数据输出口状态判断发送数据与否；终端等待协调器的数据进行。系统软件设计主要包括主机软件设计、协调器软件设计、路由器和终端软件设计等三大部分。其中在协调器软件设计、路由器和终端软件设计上协议栈尤为重要，不同厂家出品的不同产品有不同协议栈。本文使用的芯片为TI公司生产的CC2530芯片，使用的协议栈是由TI公司出品的Z?Stack协议栈。
3.1 主机系统软件设计
根据智能路灯系统实现功能的需要，主机系统软件划分为以下几个部分：监控主程序、日历时钟子程序、LCD显示子程序、键盘扫描子程序、光线明暗检测子程序。监控主程序通过对时间、键盘、光线情况的循环判断，决定是否执行相应的功能程序。主机软件设计流程图如图8所示。主机根据时间与外界光线状态发出控制命令如表1所示。
3.2 协调器系统软件设计
根据协议栈对协调器系统进行软件编程。实现此项目要求只需修改协议栈的应用层和硬件层。应用层执行查询任务工作，修改硬件层使整个系统与所扩展的硬件匹配[10]。
3.2.1 硬件层的修改
定义协调器的P2.0、P2.1为数据的输入端口。协调器上有显示故障信息的12864显示模块，首先建立一个lcd.h文件，在内部定义所应用的管脚定义及相应的宏定义。之后按照12864的时序编写12864的读写程序lcd.c，建立出数据与写数据位置的接口函数。在协议栈中ZigBee联盟已经将LCD的显示程序封装在硬件层，如果应用另外的显示硬件只需将原有的lcd.h文件覆盖即可。
3.2.2 应用层修改
系统不断的采集主机数据输出端口发来的数据，根据数据的不同而执行相应的操作。首先将读取主机数据任务ID号加入到任务中，这样在任务循环执行时方可执行到，否则永远执行不到这个任务。协调器读取任务流程如图9所示。
3.3 路由器和终端节点系统软件设计
根据协议栈对路由器和终端节点系统进行软件编程。同样只需修改协议栈的应用层和硬件层。应用层执行查询任务工作，修改硬件层使整个系统与所扩展的硬件匹配。路由器和终端节点系统中开关灯、开关雷达端口用协议栈内部定义好的两个LED灯端口。用控制两个LED灯的开/关分别控制路灯开/关、雷达控制开/关。路由器和终端节点系统接收来自协调器的字符控制信号，不同字符执行不同操作。利用中断查询方式采集亮灯状态下灯泡的光照强度进而判断是否出现故障，出现故障进入故障处理函数，编辑路灯地址并发送到协调器。
4 总 结
本文从应用方面着手对ZigBee技术的网络拓扑结构进行研究，采用TI公司的Z?Stask协议栈和IAR开发环境，以CC2530芯片为核心构建了一个基于ZigBee通信网络的路灯控制系统。网络规模的大小，取决于实际控制路灯的多少。终端控制器的定时时间，可以根据不同地区、不同季节由主控制机统一设定。该路灯控制系统与传统的路灯控制系统相比，一方面减少了“全夜灯”、“后夜灯”，有效的节约了电能资源，并且还保护了电灯，延长了其使用寿命；另一方面智能路灯控制系统可对全部路灯进行实时监控和管理，集中控制、监视、检查，大大减少了后期人力、物力、财力的投入，同时提高了巡查设备和路灯的工作效率。
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