城市路灯智慧照明系统的设计探析

城市路灯智慧照明系统的设计探析

李廷宏

怡迅（珠海）光电科技有限公司519085

一、智能路灯节能控制系统总体设计

系统总体设计思想：系统由路灯节点控制器、集中控制器、后台管理系统三部分组成。系统总体设计方案如图1所示。

图1城市路灯智慧照明控制系统框架

1.系统主要硬件配置

（1）路灯节点控制器配置

由于路灯节点控制器需要采集路灯周边环境数据，如温度、湿度、光照、车流等，并将采集的环境数据通过ZigBee网络上传至集中控制器，所以本文采用CC2530为路灯节点控制器的核心芯片，该芯片主要的功能是实现ZigBee组网、数据传输和路灯控制电路。

（2）集中控制器配置

集中控制器在城市路灯智慧照明控制系统中担任“通信员”的角色，它既能将路灯节点的数据上传给云服务器和后台管理系统，又能将后台管理系统和智慧照明控制系统APP的调光指令下发给路灯终端。集中控制器由协调器、STM32核心板和MG301三部分构成。由DS1302实时时钟芯片产生精确的时钟，STM32单片机读取DS1302芯片中的时钟信号，然后显示到液晶显示器上，然后通过与设定路灯的开关时间进行比对，从而控制路灯的开关。通过GPRS和ZigBee局域网络接收后台管理系统或者APP的指令对节点进行管理和控制，可预先处理路灯节点控制器上传的数据或后台管理系统反馈的信息。

2.后台管理系统

PC端的后台管理系统基于QT平台设计开发。由于QT具备跨平台功能，所以后台管理系统容易移植到不同的操作系统上。其主要具备的功能包括：故障信息报警、历史记录、路灯实时状态信息、路灯电流曲线、手动调光和地图定位等，且连接本地数据库，与云备份实现了数据的双重保障，并且通过嵌入DAG-SVM算法，实现路灯智能调光。

二、系统硬件电路的设计

1.路灯节点控制器硬件电路设计

文的路灯节点控制器需具备光强数据采集、路灯电流电压上传、车流量检测、多等级调光和电源转换等功能。针对以上功能需求，设计路灯节点控制器硬件电路。路灯节点控制器硬件框图如图2所示。

图2路灯节点控制器硬件框图

从图2可以看出路灯节点控制器的硬件电路主要由CC2530最小系统、功率采集电路、光强采集电路、车流量感应电路、0-10V调光电路、掉电识别电路、掉电切换电路、外部存储电路、路灯关断电路和电源转换电路10部分组成。

2.集中控制器硬件电路设计

集中控制器通过连接ZigBee和GPRS两个网络，实现了无线局域网与无线广域网的融合，并使路灯环境数据能上传到后台管理系统。由于集中控制器要通过串口同时连接ZigBee协调器和GPRS模块，其核心处理芯片必须具备多个USART串口，且内存要大，运行速度要快，因此本文选择STM32作为核心处理器，型号为STM32F103RBT6。外围电路主要由电源电路、EEPROM电路、启动模式控制电路、RS232串口电路、FLASH电路和JTAG仿真电路等组成。

三、控制设备组网设计分析

1.节能控制策略分析

（1）全功率运行模式

路灯控制终端被设置为全功率运行模式后，路灯立即开始工作，并以全功率输出，照明亮度达到最大。一般用于晚间人车流量大和节假日等时间区间。

（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.通信接口软件需求

（1）通信连接管理

长连接通信需要有针对连接过程和连接状态的维护管理，主要有创建连接、

中断连接和保持连接几个环节。

①创建连接。采用TCP长连接方式，实现控制终端与软件平台的数据连接。由控制终端作为客户端主动向服务端发起建立连接请求，服务器一直监听在通信端口上，当接收请求后建立持久的连接并进行应答。②保持连接。服务器与控制终端成功建立连接后，客户端和服务端均保持连接不断开。为了维持并检测连接状态，控制终端周期性向软件平台发送终端心跳消息，软件平台收到消息后，向终端发送应答消息，维持长连接的有效。

（2）消息处理

①软件平台下行消息。所有软件平台发送的下行消息均要求控制终端应答。在一个通信连接中，消息的发送和响应接收是异步的，支持多个消息同时下行发送，即软件平台发送消息和接收消息是由不同的线程来分别完成的。

②控制终端上行消息。数据通信链路正常时，所有终端发送的消息均要求服务器发送应答响应报文。软件平台接收到上行消息报文后，通过协议处理模块，对消息报文进行解码，然后通过应用接口将消息内容发送给数据处理软件平台，最后封装相应消息报文返回给控制终端的通信客户端。

四、系统的实现

1.远程智能数据处理中心

城市智慧路灯照明系统实现后，远程智能数据处理中心会根据路灯状态及照明需求进行针对性数据信息处理。其主要包括：路灯状态监测界面、路灯状态设置界面、路灯综合信息提示界面等。在实际智能操作管理中远程智能数据处理中心会根据其实际情况，进行全关闭、半关闭、逐个关闭、单灯及双灯亮度、光色等相关调节控制。并根据其城市街道位置、照明需求与交通状态等进行针对性路灯照明调节。同时，城市各节点、各街道的路灯运行状态也会在大屏幕中真实呈现出来，远程智能数据处理中心会采用云技术、在线技术等对其进行数据存储与管理。

2.远程智能路灯通信系统

远程智能路灯通信系统主要由3G、4G技术及以太网通信技术组成，并通过智能节点控制器设置及智能网关控制等对其各路灯进行并网关联，形成相对统一、科学的网络智能控制布局。其中，智能节点控制器主要安装在各路灯中，起到信息传输与获取作用；智能网关控制器主要针对网络情况与通信需求进行有效调节，保证其数据传输与接收的稳定性、可靠性。因此，通过远程智能路灯通信系统实现可以促进城市智慧路灯照明的实质性提升。

3.照明控制

（1）照明根据光照自动控制

①在路灯路段内安装光照度传感器，当光照度检测到的光照度低于设定的光照度值（经验值）时，该段路灯由程序自动开灯。

②当光照度传感器检测到的光照度高于设定的光照度值（经验值）时，该段路灯由程序自动关闭。

（2）照明根据时序自控控制

按照当地的日出日落时间，系统自动分配路灯开关的时间段，控制器根据系统分配的时间段来自动开关灯。当系统分配的时间段有误差时，操作员可以进行微调时间段。

（3）照明根据事先预案控制

操作员可以预设开关灯方案，在某情况下，操作员可以任选预设方案，系统会根据该预设方案来开关灯。

（4）手动控制

系统还设有手动控制，操作员可以随意的对路灯进行单灯控制或支路控制，满足客户不同时间段的不同需要。

（5）分组控制

根据不同类型的照明控制要求，可对照明设施按照照明类型（全夜灯、半夜灯、景观灯、其他等）控制终端进行分组；对不同分组的路灯照明设备，按时间、地点、应用场合的不同，控制其开关，达到“按需照明”的目的，避免不必要的照明浪费，节约照明费用。

4.多功能扩展

城市智能路灯照明系统依靠3G、4G技术和以太网技术，可以在路灯灯杆上融入多功能设备，如电子广告牌、电车充电桩、摄像头等，通过单片机技术实现控制或数据通信，通过ZigBee和GPRS两个网络实现信息传输，将所需信息传输到云平台和后台管理系统中。

结语

综上所述，在我国当前的城市建设中，路灯作为一项基础的城市建设元素，对于整个城市的规划设计具有重要性建设规划研究意义，要想保障城市的设计规划科学，就应该注重对其设计中的路灯智能控制系统进行设计，借助这种智能化控制系统，对整个城市内的路灯管理进行科学的控制，保障在其控制实施中，能够提升整体的路灯控制管理效果。

参考文献：

[1]金长辉.城市照明智能监控管理系统设计与实现[D].山东大学，2018.

[2]刘凤霞.基于ZigBee的LED路灯智能照明控制系统设计[J].电子照明技术，2016.