CN104394633A - 一种基于微功率无线通信网络技术的单灯照明智能调光系统 - Google Patents

Abstract

一种基于微功率无线通信网络技术的单灯照明智能调光系统，包括路灯监控中心、单灯监控节能模块、Zigbee无线通讯网络系统，所述路灯监控中心是整个区域路灯控制管理中心，包括监控中心软件和无线通信模块，单灯监控节能模块由ZigBee无线通信模块、完成电量采集和模块遥信功能的单片机模块组成，所述无线传感器网络系统由许多分布于某个地理区域的传感器组成。本发明系统集成了Zigbee无线通信技术、无线传感器网络技术、数字变频控制技术、数据库管理技术，结合高压钠灯寿命检测技术、高压钠灯数字变频调光控制技术研发而成的基于无线传感网络的灯光照明单灯监控节能系统实现灯光控制的精细管理。

Description

一种基于微功率无线通信网络技术的单灯照明智能调光系统

技术领域

本发明属于照明智能控制技术领域，尤其涉及一种基于微功率无线通信网络技术的单灯照明智能调光系统。

背景技术

道路照明是城市公共设施的重要组成部分，目前国内的道路照明系统大部分没有采用网络化监控管理，只能以区域为单位对照明设备进行简单的开关灯控制，这样的控制方法不能实时的获得每盏路灯的状况，也无法根据具体情况调整路灯亮度，不能有效的节省电能。

单灯节能监控系统，是指将节能、监控等智能控件安装到路灯灯杆上，对灯杆上的灯进行开关、功率输出（节能、电压、电流）控制、电参数采集、功率因数调节等一系列精确操作，而不像现在的节能、监控系统那样，集中控制整条支路的灯状态，真正实现对每一盏灯进行远程监控。对于这种方式的监控，其最基本的要求和实现可能，就是通信的可靠和低成本。目前，最有可能的通信方式就是“电力载波通信”，由于路灯照明大多数使用的是高压钠灯，且这些灯90％以上都使用电感镇流器和电容器（调整功率因数），一整条路灯支路的电抗值很低（可低至2欧姆），使得电力载波通信的距离和质量大打折扣，也使之不同于“电力抄表”系统那样简单，这也是导致单灯监控系统得不到大面积使用和推广的重要原因。目前主要采用的电力载波通信方式相对GPRS等无线通信方式，其成本较低，因此国内大部分的单灯监控系统都是采用电力载波通信方式。采用无线通信方式，其传输速率高，传输距离远，单成本相对较高；由于电缆传输受距离限制，采用电力载波的通信方式最远可靠传输距离是200米以内，超过200米其传输信号会随着传输距离的增加而逐渐衰减，如果要增长传输距离，则需加装通信中继器，采用接力的方式逐个传输，其缺点是传输速率会逐渐减小。因此，迫切需要一种新型的系统来解决单盏路灯的监控和节能问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微功率无线通信网络技术的单灯照明智能调光系统，从而解决背景技术中存在的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种基于微功率无线通信网络技术的单灯照明智能调光系统，包括路灯监控中心、单灯监控节能模块、无线传感器网络系统；

所述路灯监控中心是整个区域路灯控制管理中心，对整个照明系统进行集中控制，包括监控中心软件和无线通信模块，监控中心软件实现远程监控、采集数据、建立数据库、数据分析功能，通过无线通信模块实时扫描各路灯电量数据和输出状态，将监控中心软件发送的各种有效指令发送给现场控制器，遇到报警信息，通过GSM短信方式送至巡检人员手机；

所述单灯监控节能模块即每盏路灯都装有监控节能模块，所述单灯监控节能模块包括ZigBee无线通信模块、单片机模块、控制模块和监测模块，ZigBee无线通信模块具有网状拓扑结构，ZigBee子网有内置冗余保证，如果网络中有节点脱离网络，无法工作，节点数据将自动路由到一个替换节点保证系统的可靠、稳定，单片机模块完成电量采集和模块遥信功能，控制模块和监测模块是路灯监控系统中控制功能的执行部分，控制路灯的状态并监测路灯运行的电流、电压、功率因素，将这些参数通过无线方式传送到现场控制器，同时接收来自现场控制器的所有控制指令，从而实现远程控制功能；

所述无线传感器网络系统由许多分布于某个地理区域的传感器组成，通过一个无线电通信链路与大量无线传感器进行通信，数据收集工作在无线传感器节点完成，被压缩后，直接传输给网关或者利用其他无线传感器节点来将数据传递给网关。

每个无线传感器都作为一个节点，拥有无线通信能力，同时还具有一定的信号处理能力与网络数据的传递能力。根据应用的类型，每个节点都可以有一个指定的地址，它包括一个传感装置、一个数据处理微控制器，以及一个无线连接RF模块，根据不同的网络定义，RF模块可以起到一个简单发射器或者收发器(TX/RX)的作用。

高压钠灯具有很高的光效率，且具有工作寿命长，维护简单等优点，在一定时间内我国道路照明的以高压钠灯为主要光源的局面不会改变。高压钠灯的缺点是其输出功率极易受电压波动影响，特别是后半夜由于线路电压上升，会造成很大的能源浪费。本发明采用变频可控功率输出电子镇流器来取代传统的电感式镇流器解决这个难题。

作为一种改进，本发明系统采用变频可控功率输出电子镇流器实现节能，PFC电路将宽幅波动的供电电源经整流稳定在400V，并将功率因数校准到0.97以上，变频功率控制电路则根据调度中心的指令来控制输出功率，从亮灯时刻满功率输出，缓慢地调节至后半夜50%输出，经实测节电率可以达到50%以上。

 

作为一种改进，本发明采用霍尔元件对灯具寿命进行检测，这是在管理理念上的创新突破，在监控中心获知每一盏路灯的真实情况，并对即将寿命终结的灯具进行预警，比靠人工巡灯检查和市民保修的传统方法，其效率要高得多。此技术的应用，对于降低城市照明管理的人力物力成本，提高市民满意度，具有非常积极的意义。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用微功率无线传感器网络路灯监控技术与ZigBee技术结合的通信技术，为每一盏路灯构建了一个双向远程的数据通道，使得监控中心可以获得单盏路灯的实时工作状态信息，实现路灯控制精细管理。

本发明采用变频可控功率输出电子镇流器变频对输出功率进行控制实现节能，经实测节电率可以达到50%以上。

采用霍尔元件检测灯具寿命提高管理效率。高压钠灯老化后其实际消耗功率往往高于其额定标称功率，本发明采用霍尔元件检测调光输出的PFC电路实际输出电流与额定电流的差值，对高压钠灯老化程度进行评估，从而为用户提供一个更换趋势表，用户可以在钠灯寿命终结前对其进行更换，提高了城市照明的亮灯率。

本发明系统集成了Zigbee无线通信技术、无线传感器网络技术、数字变频控制技术、数据库管理技术，结合高压钠灯寿命检测技术、高压钠灯数字变频调光控制技术研发而成的基于无线传感网络的灯光照明单灯监控节能系统是可实现灯光控制的精细管理，实现按需照明，可节约大量能源，为社会构建绿色、健康、人文的城市照明环境，切实提高城市照明发展质量和综合效益。

附图说明

图1本发明的系统的结构示意图；

图2为本发明单灯监控节能模块的结构示意图；

图3为本发明系统的变频控制可调功率输出调光原理结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1，一种基于微功率无线通信网络技术的单灯照明智能调光系统，包括路灯监控中心、单灯监控节能模块、无线传感器网络系统，采用城市灯光监控节能系统软件作为监控中心的控制平台，监控中心软件通过基于ZigBee无线通讯技术的微功耗高速传输网络向每个单灯监控节能模块发送动作指令，使单灯监控节能模块完成各种配置和数据采集工作，并对单灯监控节能模块发送上来的数据进行分析和处理；传感器通过无线传感器网络将获取的信息发送到单灯监控节能模块进行处理；单灯监控节能模块通过ZigBee无线通讯系统（智能路由）向监控中心发送采集的数据或者故障信息进行分析处理；监控中心软件通过基于ZigBee无线通讯技术的微功耗高速传输系统将决策方案发至单灯监控节能模块，以此来实现对路灯的远程无线控制。

参见图2，单灯监控节能模块由ZigBee无线通信模块、完成电量采集和模块遥信功能的单片机模块组成，单灯监控节能模块基本功能如下：

（1）对系统中的每一盏路灯电源进行开关控制和调光控制；

（2）全天候24小时采集每盏灯的工作状态和电参数信息；

（3）设置根据人车流量变化的调光及开关灯预案，自动运行；

（4）自动稳压，可在160—260V范围内自稳压，正常工作，稳定光通量（光照度）；

（5）监测回路工作状况，自动报警故障信息：光源故障、自熄灯、补偿电容故障、灯杆漏电、电缆故障等；

（6）防盗报警功能：智能终端控制器门处装有门锁,外人打开加箱门时能自动向；

（7）监控中心报警，保证照明设施的安全；

（8）进行能耗标定，实施全过程能源管理；

（9）自动生成运行及维护报表；

（10）在平米电子地图和卫星电子地图下显示照明设施的地理位置。

参见图3，本发明采用有变频可控功率输出电子镇流器，将来自市电的50Hz交流电，经PFC功率因数校准电路后，转换为400V稳压的直流电源，经霍尔电流检测电路进入高频正弦波电源调制电路，调制出来的高频正弦波电源经扼流电感后送到高压钠灯两个电极，频率越高，扼流电感的阻抗越大，输出功率越小，反之越大。调整频率即可调整输出功率。

PWM频率发生器实际上就是一个V/F转换电路，由MCU的PWM调制端口控制，频率的高低是由来自无线信息节点单元发送给MCU的指令和霍尔电流检测信号共同决定，如250W额定输出，来自无线信息节点单元的指令要求输出50%，则MCU缓慢提高控制频率，直至霍尔检测回路的信号被MCU检测到功率为125W后锁定频率。

调光设备上电后MCU从高频到低频实施扫频点火，当频率滑过谐振发生器的谐振点时，高压钠灯被点火启动。当MCU进入扫频是，霍尔电流检测的信号必须在一定的范围之内，太高（灯短路）和太低（灯离位）都会产生保护，MCU将强行关闭高频正弦波电源的输出。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种基于微功率无线通信网络技术的单灯照明智能调光系统，其特征是：包括路灯监控中心、单灯监控节能模块、无线通讯网络系统；

所述路灯监控中心是整个区域路灯控制管理中心，对整个照明系统进行集中控制，包括监控中心软件和无线通信模块，监控中心软件实现远程监控、采集数据、建立数据库、数据分析功能，通过无线通信模块实时扫描各路灯电量数据和输出状态，将监控中心软件发送的各种有效指令发送给现场控制器，遇到报警信息，通过GSM短信方式送至巡检人员手机；

所述单灯监控节能模块包括ZigBee无线通信模块、单片机模块、控制模块和监测模块，ZigBee无线通信模块具有网状拓扑结构，ZigBee子网有内置冗余保证，如果网络中有节点脱离网络，无法工作，节点数据将自动路由到一个替换节点保证系统的可靠、稳定，单片机模块完成电量采集和模块遥信功能，控制模块和监测模块是路灯监控系统中控制功能的执行部分，控制路灯的状态并监测路灯运行的电流、电压、功率因素，将这些参数通过无线方式传送到现场控制器，同时接收来自现场控制器的所有控制指令，从而实现远程控制功能；

所述无线传感器网络系统由许多分布于某个地理区域的传感器组成，通过一个无线电通信链路与大量无线传感器进行通信，数据收集工作在无线传感器节点完成，被压缩后，直接传输给网关或者利用其他无线传感器节点来将数据传递给网关。

2.根据权利要求1所述的一种基于微功率无线通信网络技术的单灯照明智能调光系统，其特征是：所述系统采用变频可控功率输出电子镇流器实现节能，PFC电路将宽幅波动的供电电源经整流稳定在400V，并将功率因数校准到0.97以上，变频功率控制电路则根据调度中心的指令来控制输出功率，从亮灯时刻满功率输出，缓慢地调节至后半夜50%输出。

3.根据权利要求1所述的一种基于微功率无线通信网络技术的单灯照明智能调光系统，其特征是：所述系统采用霍尔元件对灯具寿命进行检测。