采用时控和光控相结合实现路灯节能、监控和电缆防盗系统的设计

1 系统方案设计

加快建设资源节约型社会，是"十二五"规划的重要内容。经济的繁荣加速了城市化的步伐，同时带动了市政及公路建设快速发展，道路照明建设和管理也得到了前所未有的大发展。但是，随着城市照明范围的日益扩大，城市照明设施的管理烦琐、管理费用高等问题就变得越来越突出。

①随着城市照明设施的完善，电费也随着成为市政财务的负担。许多地区因用电时段变化，电压的波动较大，电压升高可引起照明设备损坏、电能消耗大等一系列问题。

②照明设备以及照明电缆的频繁被盗或损坏，造成路灯亮不起来，这不但影响城市的景观及交通，还给不法分子作案提供了有利环境，给社会带来一系列的治安问题。

目前，市场已推出了几款（不同原理）针对路灯线路的防盗报警设备，但是还没有一个产品能实现大范围的推广，主要原因是其检测原理有各自的局限性。

1.1 电力载波防盗报警方案

电力载波方案是行业内使用最多的方案，其局限性主要表现在：

①城市照明电路建设周期长，线路存在专用和公用变压器并存现象，使得线路上各种杂波电信号比较强，当各种杂波信号强于载波信号时，很容易造成虚报警的产生。

②由于电力载波方案是通过测试外加载波信号的方式实现的，载波信号存在电路衰减，以及大量补偿电容对中频载波信号的吸收，因此这种方案无法适应于线路超过1 km的照明供电线路。

③方案中的电源采用2 种方式，一种线路正常供电的情况下，通过供电线路获取，另一种当线路关闭的情况下，采用锂电池供电，完成电力载波通讯，但是锂电池充放电大约300 次，致使维护量、维护成本难以接受。

1.2 漏电防盗报警方案

采用检测漏电方式进行监测，其局限性主要表现在：

将正常情况下的漏电值作为基准值，通过设定临界值进行报警，但是照明线路的漏电值会随线路的老化程度、周围环境等因素而发生变化，致使报警临界值很难确定，容易发生误报警操作。

1.3 在灯杆末端加装通讯设备实施报警的方案

采用在灯杆末端加装通讯设备，其局限性主要表现在：

一方面，电路在不供电的情况下，无法进行报警操作，其适用性不强。另一方面，资金投入较大，安装、维护困难。

针对上述问题，各级管理部门一直在寻找技术手段，来辅助达到节能、监控、电缆防盗等目的。路灯节能、监控和电缆防盗系统的优点在于：

①采取智能识别技术对视频信息进行分析，能做到初步动作识别，提出告警。

②采用动态解析技术解决IP 地址动态解析问题。

③特殊的电池设计，使电池使用寿命大大提高。

④综合节能、监控、无线报警技术，不仅可以实现节能、监控和电缆防盗功能，而且为路灯管理提供了高效的自动智能化管理途径和手段，提升管理方面的效率。

2 路灯节能、监控和电缆防盗系统设计

2.1 设计原理

路灯节能、监控和电缆防盗系统集节能、监控和电缆防盗于一身，功能强大，该系统将综合最新的无线通信、计算机网络、现代总线、工业自动化、软件等技术，为路灯管理提供了高效的自动智能化管理途径和手段，提升管理方面的效率。

系统功能设计如下：

①节约用电，一方面，根据公式P = UICOSφ ,其中通过自动监测电网中的不利因素，自动消除降低无功功率和提高功率因素，大大提高用电效率；另一方面，通过远程管理模块可对路灯进行监控，通过对亮灯方式的控制实现节能。

②通过照明线路的冗余，提高供电传输的可靠性，并通过远程管理通讯模块提供否认多种有效方式实现故障点的快速定位，和信息传送的实时性。

③电缆防盗功能，通过对供电线路参数的监测，自动、准确、快速发现与识别对电缆的不法破坏，并通过GSM、GPRS通道进行报警。

④通过信息的收集和监控功能模块，将所有采集和监控数据保存至数据库，并且可通过图形、地图（GIS）、报表、曲线等形式反映出来，方便管理与统计分析，为提高路灯管理工作提供了可靠有用数据，并与报警系统联动。

2.2 系统设计

系统主要组成：中央控制单元，数据采集节能控制箱，电缆防盗报警器和无线IP 视频监控器组成，路灯照明、监控和电缆防盗系统组成如图1 所示。

图1 路灯照明、监控和电缆防盗系统组成

（1）中央控制单元。

中央控制单元安装在路灯管理中心内，由管理计算机、管理软件部分、和中央控制台组成，是管理人员与本系统直接交流的部分。中央控制单元通过TCP/IP 与数据采集节能控制器、电缆防盗报警器和无线IP 视频监控器进行通讯，把3 种设备的数据进行汇总后，通过数据融合，做出相应的处理。实现数据地图显示、采集信息统计、视频显示、设备报警信息处理等功能，可单独控制到每个路灯。

（2）数据采集节能控制箱。

数据采集节能控制箱采用先进的数据采集方法，把采集的数据（电压、电流等参数）通过GPRS 方式把数据传输到中央控制器。现有的节能措施如下：

①半夜灯方式：指在照度较高的道路或城乡结合部街道的路灯，由于下半夜人流量、车流量较少，亮度不需要太高的情况下，在23 点以后关掉一部分灯，实行一隔一的关灯办法。其特点是：投资小、见效快、方法简单易行、维护方便、节电率达20%以上。

②选用高效节能的照明器：最简单的如用荧光灯、节能灯取代白炽灯或高压汞灯。这种方法的节能效果也十分明显。缺点是同样照度下节能灯的价格高、寿命短③单灯节能器：它包括了单灯节能器、单灯检测单元、在线检测终端、设置终端和通讯模块；它可以和城市灯光实时监控系统相兼容，组合成满足管理，环保和节能等要求的单灯节能型智能照明系统。从根本上改变城市路灯的管理方式，但其投资较大。

④路段节能器：这首先是由西欧国家开始的，他们首先对钠灯的工作特性和实际工作状态作了详细的研究，发现电网电压高低差别太大是电能浪费的主要原因，在上半夜，电压就经常超过220 V,到下半夜甚至超过了240 V.钠灯在240 V 电压下的工作电流将是220 V 电压工作时的1.5 倍，电能消耗较大。同时钠灯的寿命也大大下降。因此研制了该节电器。在原有的路段路灯配电箱里，加装上路段节能器，并在目前已得到广泛的应用。节能效果达30%~40%,取得了很好的社会效果及经济效果。

系统设计中采用路段节能和单灯节能技术相结合，既有路段控制、又有单灯节能控制功能。能够最大限度节约电耗、减少设备损坏。采用现有基于32 位ARM 微控制器来实现数据采集和节能控制。

（3）电缆防盗报警器。

电缆防盗报警器由电源、电池、MCU、GSM 模块[7]、天线和外壳六部分组成其结构如图2 所示。

图2 电缆防盗报警器组成

设计的技术要求如下：

①40~265 V 宽输入范围的开关电源设计。

②电池管理电路设计。

③监控GSM 模块运行状态。

④SIM 卡和电池容易更换。

⑤实现低温-20?C 和高温50?C 工作的指标。

手机与手机之间，GSM 网络能向主叫报告被叫的状态，利用GSM 网络的上述功能，做成巡检方式，简化了末端设计，提高了末端的可靠性，降低了末端成本。

电缆防盗报警器中的电池设计，通常情况电池一般使用锂电池，而其寿命充放电一般为300 次，一天一次充放电只能维持10 个月左右，到时维护量、维护成本和虚警数量比较大。系统设计中采用容量比较大的充电电容代替锂电池，使重放电寿命高达60 年，解决了电缆防盗报警器维护量大、维护成本高的难题。

（4）无线IP 视频监控器。

无线IP 视频监控器设计具体要求如下：

①独立运行的嵌入式系统，自动拨号接入 Internet,确保无人值守下永不死机。

②4 路PAL 制/N 制高清晰度352 X 288 视频输入。

③ 根据带宽情况， 可动态调整CIF[7]（CommonIntermediate Format,常用的标准化图像格式，在H.323协议簇中，规定了视频采集设备的标准采集分辨率）与QCIF（Quarter common intermediate format,常用的标准化图像格式，在H.323 协议簇中，规定了视频采集设备的标准采集分辨率），确保传输速率。

④图像传输速度2 帧-8 帧/秒，可远程录像。

⑤2 路报警输入，1 路报警输出，出现警情，发短信息自动提示。

⑥ 支持RS232 接口，可提供远程控制云台和联动报警功能。

⑦ 支持动、静态IP 管理；适用CDMA 1X、GPRS 网络。

由于视频监控的数据量非常大，而用户真正需要的信息只是少部分，如何通过海量数据获取有价值的信息，或者说如何从目视解释变为机器自动解释是视频监控技术发展的一个新方向。利用计算机视觉和视频分析的方法对摄像机拍摄的图像序列进行自动分析，实现对场景中目标的检测、跟踪和识别，并在此基础上分析和判断目标的行为，从而能完成日常管理，提供最为有效、及时的快速反应措施。系统采用现有基于32 位ARM 微控制器来实现无线视频传输。软件采用vxWorks 操作系统，实行多任务优先级管理，任务切换时间快，实时性强，各种保护机制提高稳定性，通过各种任务间的通讯手段来实现各种任务的调度时序。算法部分采用业内最新的视频压缩技术，使图像的压缩比大，而最大限度地保留关键信息，为后续的视频信息处理提供关键数据。

3 结语

路灯节能、监控和电缆防盗系统以计算机技术为基础，将城市的照明控制和管理实行系统化、程序化、模块化、网络化，使城市照明形成一个统一的智能化整体系统，该系统的主要功能是：采用时控和光控相结合，根据需要，路灯和景观灯可以实现群控和组控；自动或手动巡测、选测各路灯终端的电压、电流、有功功率、功率因数和接触器状态等技术参数；终端具有自行开、关路灯的独立运行功能及水浸报警、线路被盗等自动报警装置；通过移动控制分系统实现灵活的现场调度与控制，可随时计算、统计、查询各路段的亮灯率，实现路灯节能、监控和电缆防盗。