CN105554950A - 一种智能路灯控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能路灯控制系统，其特征在于，包括：主控制器、若干子控制器、远程终端、新能源发电装置、储能电池，每杆路灯均配置子控制器、新能源发电装置、储能电池，子控制器分别连接新能源发电装置、储能电池、路灯、市电装置，每个子控制器均与主控制器相连，主控制器与远程终端连接。本发明还公开一种智能路灯控制系统的控制方法。本发明的一种智能路灯控制系统利用太阳能、风能和市电对储能电池进行充电，通过储能电池和市电混合供电，达到节能、延长电池使用寿命以及降低系统安装和运营成本为目的。

Description

一种智能路灯控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种智能路灯控制系统，具体涉及一种新能源储能的智能路灯系统，本发明还涉及该智能路灯控制系统的控制方法。本发明属于智能路灯系统设计领域。

背景技术

现有的市政路灯多采用LED灯照明，但是每盏路灯需要达到市政照明的国家标准，功率要求在100W以上。这样高的功率下，如果完全依靠太阳能和风能等新能源发电经济性非常差，因为需要配备的储能电池容量较大，以备于连续多日无光无风天气照明。因此，现有的市政路灯大部分为传统市政路灯，即需要接入传统的市电系统供电。

申请号CN201410086240.8的中国专利《一种基于ARM的太阳能路灯控制系统》公开了一种基于ARM的太阳能路灯控制系统，包括蓄电池、充放电驱动模块、LED灯、局域供电系统、显示模块和太阳能电池板，采用ARM控制器作为整个系统的控制中心，把体积小、低功耗、低成本、高性能、寻址方式灵活简单、执行效率高的ARM微处理器作为太阳能路灯控制系统的控制中心，解决了由于路灯系统控制中心处理能力不足导致控制器成为扩大太阳能路灯控制系统覆盖面积瓶颈的问题。该专利从LED路灯控制系统的架构、控制系统的覆盖区域、LED路灯驱动电路、感知天气延长亮灯时间、光电互补以及风电互补等不同角度进行研究设计，得到了一定的效果。但这些路灯控制系统都是针对控制器本身进行优化或简单地切换LED供电电源，未能从太阳能、市电、电池、以及系统安装和维护成本上进行综合考虑。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种智能路灯控制系统，以解决现有技术难以实现将新能源和交流电同时接入市政路灯的技术问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种智能路灯控制系统，其特征在于，包括：主控制器、若干子控制器、远程终端、新能源发电装置、储能电池，每杆路灯均配置子控制器、新能源发电装置、储能电池，子控制器分别连接新能源发电装置、储能电池、路灯、市电装置，每个子控制器均与主控制器相连，主控制器与远程终端连接。

前述的一种智能路灯控制系统，其特征在于，所述主控制器和子控制器之间采用无线通信方式或电力线载波通信方式连接。

前述的一种智能路灯控制系统，其特征在于，主控制器与远程终端之间采用GPRS方式进行通信。

前述的一种智能路灯控制系统，其特征在于，所述子控制器通过ADC模块连接储能电池。

前述的一种智能路灯控制系统，其特征在于，新能源发电装置通过开关K2连接子控制器。

前述的一种智能路灯控制系统，其特征在于，所述市电装置包括开关电源，所述子控制器连接开关电源，所述开关电源通过开关K1连接子控制器，所述储能电池通过开关K4连接子控制器，所述路灯通过开关K3连接子控制器。

前述一种智能路灯控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤:

步骤一：母控制器根据光伏板电压信号或光感传感器信号判定环境亮度是否超过设定值，如果超过设定值，路灯熄灭；

步骤二：母控制器根据天气预报推送的信息判定第一设定时间内新能源发电系统可以储能电池中充入第一百分比以上的电量，母控制器控制停止向整条路灯回路供交流电，由新能源发电系统向储能蓄电池进行充电，如果母控制器判定新能源发电系统不能向储能电池中充入第一百分比以上的电量，母控制器控制交流电向储能蓄电池进行充电；

步骤三：根据路灯安装市区和季节区别，设定在第二设定时间，子控制检测储能电池的荷电态，如判定储能电池的荷电态低于第二百分比，子控制器将电池荷电态信息反馈至母控制器，由母控制器控制路灯回路接通交流电，由交流电向储能蓄电池进行充电至路灯点亮，如子控制器判定储能电池在第二设定时间的荷电态高于第二百分比，仍由新能源发电系统给储能电池充电；

步骤四：子控制器判定储能电池被充满电后，停止给蓄电池充电；

步骤五：母控制器根据光伏板电压信号或光感传感器信号判定环境亮度是否超过设定值，如果低于设定值，子控制器控制各盏路灯点亮；

步骤六：设计路灯系统全功率点亮运行或半功率点亮运行；全功率运行路灯时由母控制器给子控制器指令，选择由储能电池提供全部功率输出，或选择由储能电池提供路灯的一半功率；路灯的另一半运行功率由交流电经开关电源后提供；路灯系统的半功率运行则全部由交流电提供，不需使用储能电池中储存的电量。

步骤七：路灯系统半功率运行的条件是在道路通过行人较少时和储能电池荷电态低于第三百分比时；其它条件下路灯点亮后应全功率运行；全功率运行时选择交流电和储能电池联合供电的条件是交流电处于谷电时段，其它时段则全部由储能电池供电。

前述一种智能路灯控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤八：

蓄电池在充电阶段和放电阶段都记录电池的充入电量和放出电量，将储能电池充入电量乘以电池充电库仑效率作为储能电池的净充入电量，根据储能电池的电压关系判断储能电池的荷电态，子控制器在储能电池充入或放出的前后均检测储能电池的荷电态，如果子控制器连续k次判断储能电池的荷电态变化量与记录的充入电量或放出电量偏差超过第四百分比，则判断储能电池健康状态不好，需要对储能电池进行修复。

前述一种智能路灯控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤九：启动对储能的修复程序后，发指令到母控制器，母控制器选择在需要修复的储能电池荷电态超过95%的条件下，接通回路交流电，并发指令给子控制器，子控制器调用修复程序，对储能电池进行恒流充电t小时的修复。储能电池1周内需要启动y次及以上的修复程序时子控制器可判定为蓄电池故障。

前述一种智能路灯控制系统的控制方法，其特征在于，步骤九包括：当检测到储能电池的电压值超过设定的电压范围，或者检测到新能源发电系统和路灯电压值和电流值在工作状态超过设定的范围时都为系统故障，检测到系统故障时，子控制器将故障信息发送至母控制器。由母控制器向后台报警故障信息。

本发明的有益之处在于：本发明的一种智能路灯控制系统利用太阳能、风能和市电对储能电池进行充电，通过储能电池和市电混合供电，达到节能、延长电池使用寿命以及降低系统安装和运营成本为目的。

附图说明

图1是本发明一种智能路灯控制系统主控制器与子控制器配置示意图。

图2是本发明一种智能路灯控制系统的子控制器与其他装置的连接结构示意图。

图3是本发明一种智能路灯控制系统的子控制器结构示意图；

图4是本发明一种智能路灯控制系统的控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1所示，本发明一种智能路灯控制系统，包括：主控制器、若干子控制器、远程终端、新能源发电装置、储能电池，每杆路灯均配置子控制器、新能源发电装置、储能电池，子控制器分别连接新能源发电装置、储能电池（比如蓄电池、铅酸电池等）、路灯、市电装置，每个子控制器均与主控制器相连，主控制器与远程终端连接。主控制器和子控制器之间采用无线通信方式或电力线载波通信方式连接。主控制器具备控制整条线路路灯子控制器的功能，具备接收推送的天气信息，与全部的子控制器之间的信息交换，信息向远程终端自动发送的功能。子控制器能够采集电池的温度，电流，电压，积分电池的充放电电量，控制路灯的灭、亮及半功率照明，控制电池的充电和放电，判定电池的健康状态。由此，本发明提供了一套新能源储能智能路灯管理系统,利用太阳能、风能和市电对储能电池进行充电和放电智能控制，通过储能电池和市电混合供电，合理利用峰谷电达到节能、延长电池使用寿命以及降低系统安装和运营成本为目的。

作为优选，一条带有新能源发电功能的路灯线路上的每杆路灯配置1个子控制器，而整条线路配置1个主控制器。主控制器和子控制器之间采用无线或电力线载波通信方式交互数据，而主控制器与远程终端之间采用GPRS方式进行通信。新能源发电装置为太阳能发电装置或风能发电装置。子控制器包括微控制器模块。子控制器可以通过太阳能或风能发电系统或市电对储能电池进行充电储能，以及选择储能电池或市电对路灯进行供电；子控制器对储能电池的充放电控制，电池的温度、电流和电压检测，积分电池的充放电电量，并比较储能电池的荷电态变化与充放电量关系，判定电池的健康状态，由微处理器对蓄电池智能管理，向主控制器传输电池健康信息，并能进行电池的修复维护。子控制器的上述各项具体检测，比如对储能电池的温度检测等，可以通过现有技术实现。且本发明的子控制器在实际运行时可以只具有上述的一种或多种功能，本领域技术人员在实际开发过程中，只要采用本发明的总体架构，子控制器的具体功能的取舍可以根据工程实际进行增减。

主控制器，能够完成接收和解析远程终端推送的天气预报信息，并预测当日新能源发电能力后将解析的指令传输给各个子控制器，控制各子控制器是否在白天或低谷电时段给储能电池充入交流电。同时可以接收子控制器发送来的LED路灯控制信息、电池电压、充入电量、放出电量、电池健康状态，并将这些信息以一定的格式打包后发送给远程终端，实现对路灯故障管理和防盗报警。

可以通过太阳能或风能发电系统或市电对储能电池进行充电储能，以及选择储能电池或市电对路灯进行供电；子控制器对储能电池的充放电控制，电池的温度、电流和电压检测，积分电池的充放电电量，并比较储能电池的荷电态变化与充放电量关系，判定电池的健康状态，由微处理器对蓄电池智能管理，向主控制器传输电池健康信息，并能自动运行维护程序进行电池的修复维护。

子控制器根据储能电池的工作电压和储能功率，选择与之匹配的新能源发电装置和开关电源，但开关电源的输出功率只是路灯额定功率的一半。太阳能、风能等新能源发电装置通过开关K2（如N型MOSFET管）的开闭对储能电池进行充电，或选择开关电源通过继电器K1和单刀双掷继电器K4对储能电池直接充电。

新能源发电装置通过开关K2连接子控制器。市电装置包括开关电源，所述子控制器连接开关电源。开关电源通过开关K1连接子控制器，所述储能电池通过开关K4连接子控制器，所述路灯通过开关K3连接子控制器。储能电池的充放电电流通过电流监视器（如INA199A1）和取样电阻RS1在储能电池的回路中进行检测，检测得到的电池电流、电压和温度，以及新能源发电装置和开关电源电压等模拟量通过微处理器内置模数转换模块采集，而充放电开关K1、K2、K3和K4由微处理器智能管理。

高电压大功率LED路灯的照明驱动采用升压型开关调整模块，如LM3478。其输入电压可以通过开关K3（如P型MOSFET管）选择储能电池供电，或通过开关K4选择开关电源供电；而输出电压可以通过电阻R6、R7调整，最大输出电流通过电阻RS调节，照明功率通过开关管M8进行PWM控制调整。储能电池的充放电电流通过电流监视器（如INA199A1）和取样电阻RS1在储能电池的回路中进行检测，检测得到的电池电流、电压和温度，以及新能源发电装置和开关电源电压等模拟量通过微处理器内置模数转换模块采集，而充放电开关K1、K2、K3和K4与微处理器连接。具体连接示意图如图3所示。

需要说明的是，本发明中的开关K1、K2、K3和K4是一种优选设置方式，作为另一个实施方式，如图3所示，本发明给出了子控制器与其他装置的连接结构示意图。其中给出了两个开关，太阳能电池连接第一开关，第一开关连接铅酸电池；开关电源连接第一开关和第二开关，铅酸电池连接第二开关，第二开关连接升压控制器，升压控制器连接路灯。这里的第一开关可以通过开闭来使得开关电源或者太阳能电池给铅酸电池充电，而第二开关的开闭可以使得开关电源或者铅酸电池给路灯供电。此外，铅酸电池连接ADC模块，子控制器模块包括微控制器，ADC模块连接微控制器，而铅酸电池通过降压模块后为微控制器模块供电。此外，微控制器模块连接PLC模块，PLC模块再连接主控制器模块，实现子控制器和主控制器的连接。或者，微控制器模块连接ZigBee模块，ZigBee模块连接主控制器模块，这也可以实现子控制器和主控制器的连接。

作为进一步优选，子控制器通过ADC模块连接储能电池，ADC模块对储能电池的各种性能参数，包括充放电控制，电池的温度、电流和电压检测，积分电池的充放电电量等，进行模数转换，传输给子控制器。

作为进一步优选，开关电源通过升压控制器后连接路灯。实现通过交流电给路灯提供电力。

下面给出上述一种智能路灯控制系统的控制方法，如图4所示，包括如下步骤:

步骤一：母控制器根据光伏板电压信号或光感传感器信号判定环境亮度是否超过设定值，如果超过设定值，路灯熄灭；这一设定值可以通过具体人工设定。本发明不加以限定。

步骤二：母控制器根据天气预报推送的信息判定第一设定时间内新能源发电系统可以储能电池中充入第一百分比以上的电量，母控制器控制停止向整条路灯回路供交流电，由新能源发电系统向储能蓄电池进行充电，如果母控制器判定新能源发电系统不能向储能电池中充入第一百分比以上的电量，母控制器控制交流电向储能蓄电池进行充电；

步骤三：根据路灯安装市区和季节区别，设定在第二设定时间，子控制检测储能电池的荷电态，如判定储能电池的荷电态低于第二百分比，子控制器将电池荷电态信息反馈至母控制器，由母控制器控制路灯回路接通交流电，由交流电向储能蓄电池进行充电至路灯点亮，如子控制器判定储能电池在第二设定时间的荷电态高于第二百分比，仍由新能源发电系统给储能电池充电；

步骤四：子控制器判定储能电池被充满电后，停止给蓄电池充电；

步骤五：母控制器根据光伏板电压信号或光感传感器信号判定环境亮度是否超过设定值，如果低于设定值，子控制器控制各盏路灯点亮；

步骤六：设计路灯系统全功率点亮运行或半功率点亮运行；全功率运行路灯时由母控制器给子控制器指令，选择由储能电池提供全部功率输出，或选择由储能电池提供路灯的一半功率；路灯的另一半运行功率由交流电经开关电源后提供；路灯系统的半功率运行则全部由交流电提供，不需使用储能电池中储存的电量。

步骤七：路灯系统半功率运行的条件是在道路通过行人较少时和储能电池荷电态低于第三百分比时；其它条件下路灯点亮后应全功率运行；全功率运行时选择交流电和储能电池联合供电的条件是交流电处于谷电时段，其它时段则全部由储能电池供电。

步骤八：蓄电池在充电阶段和放电阶段都记录电池的充入电量和放出电量，将储能电池充入电量乘以电池充电库仑效率作为储能电池的净充入电量，根据储能电池的电压关系判断储能电池的荷电态，子控制器在储能电池充入或放出的前后均检测储能电池的荷电态，如果子控制器连续k次判断储能电池的荷电态变化量与记录的充入电量或放出电量偏差超过第四百分比，则判断储能电池健康状态不好，需要对储能电池进行修复。

步骤九：启动对储能的修复程序后，发指令到母控制器，母控制器选择在需要修复的储能电池荷电态超过95%的条件下，接通回路交流电，并发指令给子控制器，子控制器调用修复程序，对储能电池进行恒流充电t小时的修复。储能电池1周内需要启动y次及以上的修复程序时子控制器可判定为蓄电池故障。

进一步，当检测到储能电池的电压值超过设定的电压范围，或者检测到新能源发电系统和路灯电压值和电流值在工作状态超过设定的范围时都为系统故障，检测到系统故障时，子控制器将故障信息发送至母控制器。由母控制器向后台报警故障信息。

上述步骤中，第一设定时间、第一百分比、第二设定时间、第二百分比、第三百分比、第四百分比、第五百分比均为本领域技术人员可以根据实际加以设置，本发明不加以具体限定。作为实际中一个优选，可以设置如下：第一设定时间为8小时；第一百分比为50%，其余优选的范围可以在40~60%；第二设定时间为傍晚亮灯前3小时；第二百分比可以在70~80%；第三百分比为10%;k为3;第四百分比为5%；第五百分比为95%;t为3;y为3。当然，本领域技术人员可以参照实际情况加以调整。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能路灯控制系统，其特征在于，包括：主控制器、若干子控制器、远程终端、新能源发电装置、储能电池，每杆路灯均配置子控制器、新能源发电装置、储能电池，子控制器分别连接新能源发电装置、储能电池、路灯、市电装置，每个子控制器均与主控制器相连，主控制器与远程终端连接。

2.根据权利要求1所述的一种智能路灯控制系统，其特征在于，所述主控制器和子控制器之间采用无线通信方式或电力线载波通信方式连接。

3.根据权利要求2所述的一种智能路灯控制系统，其特征在于，主控制器与远程终端之间采用GPRS方式进行通信。

4.根据权利要求3所述的一种智能路灯控制系统，其特征在于，所述子控制器通过ADC模块连接储能电池。

5.根据权利要求4所述的一种智能路灯控制系统，其特征在于，新能源发电装置通过开关K2连接子控制器。

6.根据权利要求5所述的一种智能路灯控制系统，其特征在于，所述市电装置包括开关电源，所述子控制器连接开关电源，所述开关电源通过开关K1连接子控制器，所述储能电池通过开关K4连接子控制器，所述路灯通过开关K3连接子控制器。

7.权利要求1所述一种智能路灯控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤:

步骤一：母控制器根据光伏板电压信号或光感传感器信号判定环境亮度是否超过设定值，如果超过设定值，路灯熄灭；

步骤二：母控制器根据天气预报推送的信息判定第一设定时间内新能源发电系统可以储能电池中充入第一百分比以上的电量，母控制器控制停止向整条路灯回路供交流电，由新能源发电系统向储能蓄电池进行充电，如果母控制器判定新能源发电系统不能向储能电池中充入第一百分比以上的电量，母控制器控制交流电向储能蓄电池进行充电；

步骤三：根据路灯安装市区和季节区别，设定在第二设定时间，子控制检测储能电池的荷电态，如判定储能电池的荷电态低于第二百分比，子控制器将电池荷电态信息反馈至母控制器，由母控制器控制路灯回路接通交流电，由交流电向储能蓄电池进行充电至路灯点亮，如子控制器判定储能电池在第二设定时间的荷电态高于第二百分比，仍由新能源发电系统给储能电池充电；

步骤四：子控制器判定储能电池被充满电后，停止给蓄电池充电；

步骤五：母控制器根据光伏板电压信号或光感传感器信号判定环境亮度是否超过设定值，如果低于设定值，子控制器控制各盏路灯点亮；

步骤六：设计路灯系统全功率点亮运行或半功率点亮运行；全功率运行路灯时由母控制器给子控制器指令，选择由储能电池提供全部功率输出，或选择由储能电池提供路灯的一半功率；路灯的另一半运行功率由交流电经开关电源后提供；路灯系统的半功率运行则全部由交流电提供，不需使用储能电池中储存的电量；

步骤七：路灯系统半功率运行的条件是在道路通过行人较少时和储能电池荷电态低于第三百分比时；其它条件下路灯点亮后应全功率运行；全功率运行时选择交流电和储能电池联合供电的条件是交流电处于谷电时段，其它时段则全部由储能电池供电。

8.根据权利要求7所述一种智能路灯控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤八：

蓄电池在充电阶段和放电阶段都记录电池的充入电量和放出电量，将储能电池充入电量乘以电池充电库仑效率作为储能电池的净充入电量，根据储能电池的电压关系判断储能电池的荷电态，子控制器在储能电池充入或放出的前后均检测储能电池的荷电态，如果子控制器连续k次判断储能电池的荷电态变化量与记录的充入电量或放出电量偏差超过第四百分比，则判断储能电池健康状态不好，需要对储能电池进行修复。

9.根据权利要求8所述一种智能路灯控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤九：启动对储能的修复程序后，发指令到母控制器，母控制器选择在需要修复的储能电池荷电态超过95%的条件下，接通回路交流电，并发指令给子控制器，子控制器调用修复程序，对储能电池进行恒流充电t小时的修复；储能电池1周内需要启动y次及以上的修复程序时子控制器可判定为蓄电池故障。

10.根据权利要求9所述一种智能路灯控制系统的控制方法，其特征在于，步骤九包括：当检测到储能电池的电压值超过设定的电压范围，或者检测到新能源发电系统和路灯电压值和电流值在工作状态超过设定的范围时都为系统故障，检测到系统故障时，子控制器将故障信息发送至母控制器；由母控制器向后台报警故障信息。