基于低功耗无线通信技术实现节能道路智能照明的设计

1 引言

已经颁布实施的国家城市道路照明设计行业标准规定，城市道路照明应该为各种车辆的驾驶人员以及行人创造良好的视觉环境，达到保障交通安全，降低犯罪率和美化城市环境的目的。这就要求城市道路照明( 特别是机动车交通道路) 达到一定的亮度标准，另一方面，近年来，随着国内城市化进程的迅速发展，相关道路照明设施的规模及数量越来越大，道路照明耗电也在迅速上升。如何在保证道路照明的亮度/ 照度和安全性的前提下，不增加维护成本而降低城市道路照明的耗电量，具有重大意义，也成为当前节能降耗研究中的重要内容。

2 城市路灯照明系统

机动车交通道路照明按快速路与主干路、次干路、支路分级，各级道路的照明标准值( 路面平均亮度或照度、亮度或照度均匀度、眩光限制和诱导性) 已作出了区分。常规照明灯具的布置常采用间隔一定距离的道路双侧交错布置、双侧对称布置、或其他布置方式; 一般采用寿命长、光效高的高压钠灯作为光源。

城市各级交通道路根据不同时段的照明需求，提供相应的照明水平是很好的控制方式和节能手段。

目前部分地区为节能普遍实行“半夜灯”制度，采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的权宜措施，关闭部分光源。然而此法不仅减小路面亮度( 照度) ，同时路面亮度( 照度) 均匀度也有不同程度、甚至是严重的下降( 与灯具布置方式也有关) ，不利于维护公共交通安全和社会治安。

目前，城市各级交通道路照明一般由专用的回路箱变专供，由于我国城市电网技术落后，电网电压受负荷的影响较大，线路的电压波动大大超过国际标准，有时甚至会超过额定电压的15% 以上。

在用电高峰期，电压偏低; 用电低谷期，电压偏高。

午夜用电低谷时，城市电负荷急剧减少，电网电压较高，下半夜电压普遍超过230V，甚至接近250V。

这样将增加高达22% 的耗电量，不仅浪费能量，降低路灯使用寿命，而且路面照度太强不利于行车安全。

道路照明节电有很大的潜力，除了选择高效照明器材之外，在深夜若适当降低回路电压，调整光源的光通量，降低路面亮度/ 照度( 需保证正常的道路照明) 是节能效果最为明显的一项有效措施。

3 智能照明控制策略

3. 1 节能调光原理

根据人体视觉对光线适应的理论，人眼对光线的感觉和光线成对数关系，即光照降低10% ，而人的视觉仅降低1% ， 因此适当降低光源的光通量( 从而可以节能) 而并不影响人的视觉。高压钠灯在正常工作条件下，进入正常工作状态前的整个启动过程约需4 ～ 8 分钟; 工作在弧光放电状态时，为负斜率的伏—安特性曲线，电源电压的波动将引起灯具电参数的变化。电源电压上升将引起灯管工作电流增大，工作电压、灯管功率随着增高，造成灯泡寿命下降; 反之，电源电压降低，灯的发光效率下降，还可能造成灯具不能启动或自行熄灭。

高压钠灯正常启动工作后， 将灯具电压降至190V，甚至180V，高压钠灯都不会熄灭，因此，高压钠灯可以实施降压供电。在工程实际中， 经实验测量，当高压钠灯电压过压10% 时，光源寿命约降低一倍; 电压在正常工作电压220V 附近小范围下降时( 降压10% ) ，功率成平方比快速下降，此时照度只是轻微下降，节电率可达20%。在高压钠灯工作时，电源电压的波动不宜过大，电源电压的最优选择与控制都是节能照明最有效的途径。

3. 2 目前控制策略的不足

照明控制可分为开关控制和调光控制。调光控制又包括连续的调光控制( 被控光源的光通量可连续的变化) 和不连续的调光控制( 被控光源的光通量只能在若干固定的预设值之间变化)。合理、正确地选用照明控制方式不仅是经济性和使用性的良好统一，也是实现节能照明的有效措施。

我国现行的道路照明的控制简单粗糙，大多仅实现手动开关控制，或简单的定时器控制和光电控制。以路段为控制单位，按照日出日落时间对路灯进行自动控制，在满足照度和节能上两难取舍。但是，城市道路照明实际要求的照度( 亮度) 因环境等因素而不同，如: 傍晚尚未全黑时与夜间天全黑时，照度要求不同; 深夜与晚间及清晨不同; 受雨、雪、雾、阴天、风沙等异常天气影响。目前的粗放式管理，实现道路节能照明的合理化、科学化比较困难，也不能及时准确地了解路灯设备的工作状态。

3. 3 TPO 控制策略

综上所述，城市道路照明管理需充分考虑实际状况，引入光控措施和交通流量传感器，采取分区域和分时段的场景控制策略。依据人体工程学中的视觉理论，采用现代控制论中的最优控制方法，实现对路灯电压及照度的动态智能化管理，即TPO管理( TIME /PLACE /OCCASION)。所谓场景控制就是通过综合考虑和分析与道路照明密切相关的时间、路段、环境照度和交通流量等因素，按照预设的控制策略，能够实时、动态、平滑地调整路灯输入电压，从而进行路灯的调压式调光输出，对道路照明进行动态智能化管理，控制路灯在不同情况下工作在不同状态，实现多样化的道路照明场景，从而在提高照明质量的同时获得最佳得节能效果，节约有功电耗达20 ～ 30% 以上。

对节能照明智能控制策略( 包括时间表控制、组群控制和环境参数辅助控制) 进行融合，以高压钠灯为控制对象，实施以下照明控制策略:

a) 分时段照明控制

在晚间繁忙的时段，控制路灯保持较高的照度，接近午夜时分，开始自动调光，在后半夜车稀人少时，则控制路灯保持较低照度的照明，同时还可以根据节假日和特殊天气状况自动调整控制策略。另外，精确的开关灯控制也需要根据城市所处的经纬度计算出当地每天的开关灯时间。

b) 组群控制

处于同一照明回路中的不同路灯，由于其所处位置的不同，对其照明控制的要求可能也不相同。

基于单灯节点的控制和检测，实现指定组群灯具的不同场景控制。组群控制可以通过道路照明系统底层———照明回路控制单元和智能路灯节点控制器之间的通信协议层实现配置和组合。

c) 环境参数辅助控制

根据天气、交通流量等实际的环境参数调整照明控制措施，以获得更好的照明质量和节电效果。

综合考虑自然光照度和当前时间，消除环境光中的尖峰干扰或突变持续性干扰，执行相应的开灯或关灯操作，以调整路灯开关的时刻和时间。道路上车辆流量不是一成不变的，每个道路段的流量也会有所变化。因此，也可以根据车辆流量进行路面光照度调节。

d) 闭环回路照明控制

午夜12 点后，依据行驶车辆的大致位置和行进方向，在其前方相应路段的照明回路进行照度调节。

4 无线控制通信网络

引入智能场景控制策略的城市道路照明管理需要构建由路灯节点控制器LCU、照明回路控制单元RTU 和照明管理中心组成的控制网络。路灯节点控制器LCU ( Light Control Unit) 负责所属路灯的工作状态检测和控制; 管理中心工作站通过Ethernet 或者远程无线通信与回路控制单元RTU ( RemoteTerminal Unit) 通信，经回路控制单元向各节点发布控制指令和获取各节点回传的状态信息; 节点控制器和回路控制单元之间则可采用多种方式的通信介质实现，如现场总线、窄带电力线载波、以及无线网络等。

传统的现场总线在道路照明控制中也有应用，但是大多存在着通讯接口协议复杂，而且需要铺设专用线缆，路灯网络组网成本高、维护不方便等问题; 窄带电力线载波直接利用电力线进行数据通信，省去了专用电缆的安装，构建灵活，具有性价比高、升级方便、维护简单等特色，但存在电力线干扰大、传输速率慢的缺点，大规模应用的可靠性还有待验证。随着通信和自动化技术的发展，无线网络因其组网方便，布局容易，维护简单的优点，开始逐步应用工业生产领域中。在道路照明控制中，目前成熟的应用大多采用常规工业频段或利用GSM 短信息或GPRS /CDMA 等公众网。采用数传电台不但需要申请工业频段，天线架设麻烦，而且设备价格较高; GSM 短消息通信实现简单，不过实时性和信息量得不到保证，而GPRS /CDMA 按流量计费，在照明灯具节点数量较多时，系统成本会急剧上升。

短距离无线通信具有低成本、低功耗、对等通信的重要特征和优点。终端间的直通能力即实现对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于长距离无线通信技术，对等通信无需网络基础设施进行中转，接口设计和高层协议相对比较简单，更适合于城市道路照明控制系统的规模化节点通信，国内外已有不少机构和公司开始关注和研究基于无线通信技术的网络化道路照明管理系统。

城市道路照明的路灯设置间距要考虑到道路性质和照明要求，一般在35 ～ 50 米左右的间隔区间。

短距离无线通信由于受发射功率的限制( 工业与信息化部无线电管理局规定城市环境下单个无线接入点设备RF 发射功率不可超过100mW) ， 传输距离与大功率数传电台相比有较大差距，因此主从配置(所有无线节点都与访问节点连接) 的连接方式不再合适，需要以照明回路中的路灯节点控制器形成接力式传递和冗余路由来完成点到点无线通信。

借鉴无线传感器网络(WSN) 的思想， 集中管理、分散控制，多个路灯节点控制器LCU 组成链状树型拓扑自组织结构。照明回路控制单元( 主控节点RTU) 和管理中心工作站之间采用GSM /图1 节能道路照明系统的无线智能控制网络组成示意图GPRS 进行数据传输， 同时担任WSN 网络协调器，通过节点间无线多跳式传输方式和路灯节点控制器之间通信。路灯节点LCU 之间的路由通信通过数据应答和数据重发的握手协议， 确保通信的可靠性;若通信时发现某路灯节点LCU 失效， 则可跳过此LCU 节点与邻近LCU 节点进行通信，并及时把该节点LCU 故障状态反馈于回路控制单元。图1 所示为以无线通信技术为基础构建的节能道路照明控制系统结构示意图。

典型的短距离无线连接有多种规范和标准，如802. 11b、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA 等。其中在免费的2. 4GHz ISM ( 工业、科学、医疗) 频段工作的ZigBee 作为一种新兴的短距离低速率网络技术已在道路照明控制系统中有所应用。另一方面，若基于非标准协议构建系统， 则在保留ZigBee 绝大部分优点和特点( 低功耗、低成本、时延短、组网方便等) 的同时，可以获得更高的效率( 标准协议通信过程需要按协议特定格式封装数据包，降低了传输效率，ZigBee 约为21% ，采用非标准协议则可提高到约40% ) ，从而能更有效的传输数据; 自定义协议组网可按照具体道路情况灵活设置，自行设计通信过程和网络拓扑结构; 与此同时，基于非标准协议无线通信支持的最高传输速率1Mbit / s 也大于ZigBee 协议的传输速率250kbit / s。

不论是采用ZigBee 标准协议还是基于非标准协议无线通信，都可以简化布线，方便回路控制单元和多个路灯节点控制器之间组网，实现道路的节能照明控制。

5 节能照明节点控制器设计

照明回路控制单元( 主控节点) 和路灯节点LCU 的实现是软硬件的结合。照明回路控制单元安装在箱变附近，接受传感器采集信息，监测箱变及照明回路的工作状态，同时与路灯节点建立无线通信网络，监控网络中各节点LCU 的工作状态，并通过GPRS 收发器与管理中心工作站通信。为增强可靠性，设计采用PLC 或工控计算机为核心，短距离无线通信接口、电力状态与控制模块、照度/ 流量传感器接口、电能计量模块、人机交互接口和指示电路、外部数据存储器等外围配置的硬件实现。

照明节点LCU 的硬件电路实现相对简单，主要以低功耗微处理器( 单片机、ARM 或DSP 等) 控制电路和无线通信接口为基础按给定协议( ZigBee或自定义协议) 实现多跳网络节点功能，配备必要的照度/流量传感器接口和照明电路状态与控制接口模块实现路灯的开关控制、亮度调节和状态监测，在智能化节能照明策略的管理下运行。

在没有管理中心干预的情况下，照明回路控制单元和节点LCU 按照预设的照明控制策略完成自主的现场照明控制。为了使高压钠灯始终在最佳工作特性下工作，路灯光输出的改变不是突变而是分步进行的，防止路灯在调光过程中熄灭。无论预先设定的调光电压值为多少，路灯在刚点亮以后首先工作在100% 光输出状态( 额定电压) 下; 当路灯完全点亮后，照明回路控制单元和节点LCU 才会按控制策略逐渐将路灯光输出调整到预设值。

考虑到现场情况复杂多变，因此可保留原来的道路照明系统电路( 作为冗余系统) ，在智能照明控制系统发生故障时或者特定情况下，能够快速安全的无障碍切换到现用的传统照明系统电路，方便路灯使用过程中的维护和管理工作。

6 结束语

基于无线通信技术，采用现有的成熟技术升级改造道路节能照明智能控制系统设计，实现从简单控制的粗放式管理向回路调压、单灯控制的精细化管理转换，可以实时监控和管理城市道路夜间照明使之高效稳定安全运行，有效节约电能消耗。