CN105554980A - 基于太阳能路灯的城市照明智能管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于城市照明领域，尤其涉及基于太阳能路灯的城市照明智能管理系统。其包括太阳能电池板、蓄电池、连接在太阳能电池板输出端与蓄电池输入端之间的充电控制电路、与太阳能电池板输入端连接的自动追日装置、与蓄电池输出端相连的路灯和主控制器、监控中心、云中心、用户平台，其中主控制器的输出端分别连接充电控制电路、自动追日装置、监控中心；监控中心通过GPRS信号将从主控制器获得的数据传送至云中心；用户平台与云中心采用GPRS通信方式。本发明采用物联网和云平台，实现对照明系统和路灯的实时监控和管理，确保高效稳定，全天候运行，控制不必要的“全夜灯照明”；根据日出日落时间调整每日开关灯时间，调节每一只灯的亮度，有效节约电能。

Description

基于太阳能路灯的城市照明智能管理系统

技术领域

本发明属于城市照明领域，尤其涉及基于太阳能路灯的城市照明智能管理系统。

背景技术

经测定大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年的能源消费。因此，作为可再生的绿色环保能源的太阳能是真正的取之不尽、用之不竭。由于具有可再生、清洁无污染、安全性高等优点，太阳能已成为21世纪最重要的新能源之一。城市照明是人们日常生活中必不可少的公共设施，而城市照明耗电量约占总耗电量的16%。面对供电紧张形势以及传统电力照明路灯的诸多缺点，太阳能路灯必能迅速普及进而占领全球市场。

作为太阳能路灯核心部件的控制系统，其功能的好坏决定了太阳能路灯的使用寿命。目前市场上的太阳能路灯控制器中的蓄电池，较多采用恒流充电法、恒压充电法，这种不合理的充放电控制方式易导致蓄电池损坏，且蓄电池内部电化学反应受温度影响较大，这些因素都使得蓄电池的寿命缩短，从而使太阳能路灯的使用寿命缩短。

现有路灯控制方案主要有光控和时控两种方法，由于技术限制较多采用单一的光控或时控方法。当白天太阳光充足时，电池板电压较高，而当傍晚太阳西落后，电池板电压降低，当电压低到一定数值后，使得路灯点亮，但是受环境或电磁波等因素的影响电池板电压会发生变化，导致夜幕降临时路灯可能不会点亮，即光控法的缺点是有可能产生误动作。而时控法的主要缺点是不考虑天气对光照度的影响，从而造成阴雨天光照度严重不足但没有开灯等不合理现象。

传统的太阳能路灯在管理模式上不够灵活和智能化，仅从节能方面考虑，没有平台功能，无法提供多种多样的智能化服务，且对于市政部门来说在管理、巡查、维护等方面仍需要耗费大量人力物力，工作效率较低。

虽然目前大约有三百多个大中城市采用现代化的太阳能路灯智能控制系统，在一定程度上提高了道路照明的社会效益和经济效益，但这些智能系统只能实现基本的功能，如通过监测车流量来实现路灯亮度的调节，但在远程监测和控制方面不够灵活，且无法满足越来越多的智能化需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供的基于太阳能路灯的城市照明智能管理系统，采用多种保护电路设计和灵活的灯控模式，保证太阳能路灯较长的使用寿命，实现对太阳能路灯的智能化控制与管理以及强大的功能扩展性。

本发明提供的基于太阳能路灯的城市照明智能管理系统，其特殊之处在于：包括将太阳能转换为电能的太阳能电池板、蓄电池、连接在太阳能电池板输出端与蓄电池输入端之间的充电控制电路、与太阳能电池板输入端连接的自动追日装置、与蓄电池输出端相连的路灯和主控制器、监控中心、云中心、用户平台，其中主控制器的输出端分别连接充电控制电路、自动追日装置、监控中心；

蓄电池用于为路灯和主控制器提供电源；

自动追日装置用于检测太阳能电池板所在方位的光照强度，并控制太阳能电池板向光照强的方向转动；

监控中心通过GPRS信号将从主控制器获得的数据传送至云中心；

用户平台与云中心采用GPRS通信方式。

进一步地，充电控制电路为串联式PWM充电电路，若太阳能电池板两端电压高于蓄电池两端电压时，串联式PWM充电电路内的M₁和M₂导通，蓄电池进入充电模式；若太阳能电池板两端电压低于蓄电池两端电压时，串联式PWM充电电路内的M₁和M₂截止，太阳能电池不向蓄电池充电；

串联式PWM充电电路中还设置有二极管D1、D2，其中D1、D2正向导通，对蓄电池起充电保护作用。

进一步地，主控器通过光控、时控、手控中的任一控制方式，对路灯的开启与关闭进行控制；

主控制器根据光线强弱对路灯的开启与关闭进行控制，当光线较弱时，主控制器控制路灯开启，当光线较强时，主控制器控制路灯关闭；

或主控制器根据有效时间段对路灯的开启与关闭进行控制，在主控制器内设置有效时间段及预设开启时间，若在有效时间段内，光控有效则控制路灯开启；若在有效时间段内，光控无效，则按开启时间自动定时控制路灯开启；

或主控制器通过云中心与用户平台进行通信，用户远程遥控手动控制路灯的开启。

进一步地，路灯内设置有用于对路灯进行开关及亮度调节的路灯控制器、用于对支路的路灯进行供电控制的支路控制器，路灯控制器、支路控制器均与蓄电池相连；

主控制器对路灯控制器和支路控制器的运行状态进行监控，并通过通信模块将监控得到的运行状态数据反馈至监控中心，

通信模块为GPRS通信模块、CDMA通信模块、3G通信模块、WIFI通信模块中的任一种。

进一步地，主控制器包括数据采集单元、处理器单元I以及监控单元，所述处理器单元分别与数据采集单元和监控单元相连接；

数据采集单元获取路灯和路灯支路的状态信息，并将获取的状态信息输入处理器单元；

监控单元通过处理器单元对路灯和路灯支路的状态信息进行监控并下发控制信息对路灯及路灯支路的运行状态进行控制；

所述路灯和路灯支路的状态信息包括路灯的开关状态和亮度信息、路灯支路的开关状态和用电量信息。

进一步地，路灯控制器包括RS485通信单元、处理器单元II、载波发送单元、载波接收单元和载波收发耦合电路单元；

载波发送单元的输入端与处理器单元II相连，输出端与载波收发耦合电路单元相连；

载波接收单元的输入端与载波收发耦合电路单元相连，输出端与处理器单元II相连；

RS485通信单元的输入端与路灯的电子镇流器相连接；输出端与处理器单元II的输入端进行信息交互。

载波收发耦合电路单元接收经电力线缆传输的载波信号，所述处理器单元将载波信号转换为控制信号后经RS485通信单元输出至路灯的电子镇流器，用于对路灯进行开关及亮度调节的控制；

RS485通信单元接收电子镇流器的反馈信号，并将反馈信号输入至处理器单元，由处理器单元将接收的反馈信号转换为载波信号后通过载波发送单元发送至载波收发耦合电路单元，由载波收发耦合电路单元将该载波信号输出至电力线缆。

进一步地，主控制器设置有扩展模块，实现对以太网模块、短信模块、防盗报警模块、车流量监测模块、PM2.5监测模块、视频摄像、故障报警、广播视频、光照度采集、新能源汽车充电任一功能模块的扩展。

本发明技术方案采用物联网技术和云平台服务，不仅可以实现对照明系统和路灯的实时监控和管理，确保高效稳定，全天候运行，控制不必要的“全夜灯照明”；还可以根据日出日落时间调整每一天的开关灯时间，并根据需求调节每一只灯的亮度，有效节约电能。有效地实现了太阳能路灯安全、可靠、高效的运行，大大提高了管理部门对于城市照明系统的管理和业务水平，节约路灯巡视和值班人员的费用，可以避免白天意外亮灯或夜间熄灯的现象，使用该系统后值班人员可以根据报警信息应急处理因各种情况而发生的开路、短路故障，避免事故发生，提高了工作效率；同时，本发明的太阳能路灯控制系统，不但可以节约能源、提高效率，而且具备多种扩展功能，适应智慧城市未来发展趋势的要求。

附图说明

图1为本发明城市照明智能管理系统的逻辑结构示意图；

图2为本发明城市照明智能管理系统的串联式PWM充电电路图；

图3为本发明城市照明智能管理系统的应用示意图；

图4为本发明城市照明智能管理系统的主控制器与路灯控制器连接结构示意图；

图5为本发明城市照明智能管理系统的主控制器结构示意图；

图6为本发明城市照明智能管理系统的路灯控制器结构示意图。

具体实施方式

以下参照附图1-6，给出本发明的具体实施方式，用来对本发明做进一步说明，所举实例只用于解释本发明技术方案，并非用于限定本发明技术方案的范围。。

实施例1：

图1为本发明城市照明智能管理系统的逻辑结构示意图，基于太阳能路灯的城市照明智能管理系统包括太阳能电池板、充电控制电路、自动追日装置、蓄电池、路灯、主控制器、监控中心、云中心、用户平台。

太阳能电池板与自动追日装置相连接，自动追日装置能够检测电池板各方位光照强度，控制电池板向光照较强方向转动，从而实现追日功能，采用自动追日装置，有效提高了太阳能的吸收效率。

蓄电池通过充电控制电路与太阳能电池板相连接，充电控制电路能够有效提高蓄电池的使用寿命；蓄电池通过主控制器与自动追日装置连接；路灯与蓄电池相连接，蓄电池提供电源使得路灯点亮；主控制器与充电控制电路相连接；主控制器与监控中心相连接；监控中心通过GPRS信号与云中心相连接。

主控制器具有多个接口，可灵活增加以太网模块、短信模块、防盗报警模块、车流量监测模块、PM2.5监测模块、视频摄像、故障报警、广播视频、光照度采集、新能源汽车充电等模块。整个系统提高了太阳能电池板的光伏利用效率，延长了太阳能控制器的使用寿命、灵活扩展监控中心并利用云平台服务提高了整个系统的智能化监控与管理。

图2为本发明城市照明智能管理系统的串联式PWM充电电路图；当太阳能电池两端电压高于蓄电池两端电压时，PMOS管的M₁和M₂导通，蓄电池充电。当太阳能电池两端电压低于蓄电池两端电压时，PMOS管的M₁和M₂截止，太阳能电池不向蓄电池充电。图中二极管D1和D2正向导通，保护蓄电池。串联式PWM充电电路的其余元器件与现有技术常规设计相同，此处不再赘述。

本发明采用串联式PWM（PulseWidthModulation,PWM）充电方式，采用温度补偿技术，自动调整充放电参数，具备完善的保护功能，包括短路保护、过流保护、低压保护、过压保护、防雷保护、极性反接保护、蓄电池过充保护、蓄电池过放保护、负载过载保护、负载短路保护、超温保护，从而提高太阳能路灯控制器中的蓄电池寿命。

图3为本发明城市照明智能管理系统的应用示意图；监控中心通过GPRS信号将数据传送到智慧城市‘云’系统平台，云平台对数据进行统一管理，通过互联网连接到监控平台、电脑、手机等终端进行人机交互，反馈整个系统的运行状态。

本发明的系统支持远程监控、PC端监控、手机客户端远程遥控，无需到达现场即可实时控制，操作无距离限制，简单快捷。

图4为本发明城市照明智能管理系统的主控制器与路灯控制器连接结构示意图；在本发明的管理系统中包括用于对路灯进行开关及亮度调节的路灯控制器、用于对支路的路灯进行供电控制的支路控制器；路灯控制器、支路控制器均与蓄电池相连；主控制器对路灯控制器和支路控制器的运行状态进行监控，并通过主控器上的通信模块将监控得到的运行状态数据反馈至监控中心。

主控器通过光控、时控、手控中的任一控制方式，对路灯的开启与关闭进行控制；

主控制器根据光线强弱对路灯的开启与关闭进行控制，当光线较弱时，主控制器控制路灯开启，当光线较强时，主控制器控制路灯关闭；

或主控制器根据有效时间段对路灯的开启与关闭进行控制，在主控制器内设置有效时间段及预设开启时间，若在有效时间段内，光控有效则控制路灯开启；若在有效时间段内，光控无效，则按开启时间自动定时控制路灯开启；

或主控制器通过云中心与用户平台进行通信，用户远程遥控手动控制路灯的开启。

其中，用于进行数据传输的通信模块包括GPRS通信模块、CDMA通信模块、3G通信模块和WIFI通信模块，通常根据实际应用的需要而选择相应的通信模块进行通信。

本发明采用光控、时控、手控多种方法相结合的路灯控制方案，并能设置开关灯的光控照度值和光控作用有效时段。以当地的日出日落时间作为基本条件，设定一个有效开关灯时段，在此时段内，如果光控有效，就自动执行相应的开关灯命令。若光控无效，则按设定时间定时开关灯。也可以通过手控对单灯进行开关灯、调光等操作。

图5为本发明城市照明智能管理系统的主控制器结构示意图；主控制器包括数据采集单元、处理器单元I以及监控单元，所述处理器单元I分别与数据采集单元和监控单元相连接。该实施方式中，所述数据采集单元获取路灯和路灯支路的状态信息，并将获取的状态信息输入处理器单元I，所述监控单元通过处理器单元I对路灯和路灯支路的状态信息进行监控并下发控制信息对路灯及路灯支路的运行状态进行控制。其中，所述路灯和路灯支路的状态信息包括路灯的开关状态和亮度信息以及路灯支路的开关状态和用电量信息等。

图6为本发明城市照明智能管理系统的路灯控制器结构示意图。路灯控制器包括RS485通信单元、处理器单元II、载波发送单元、载波接收单元和载波收发耦合电路单元，所述载波发送单元和载波接收单元分别与载波收发耦合电路单元和处理器单元II相连接，所述处理器单元II还与RS485通信单元相连接。在本实施例中，所述路灯控制器的RS485通信单元与路灯的电子镇流器相连接；其中，所述载波收发耦合电路单元接收经电力线缆传输的载波信号，然后通过载波接收单元将载波信号输入处理器单元II，所述处理器单元II将载波信号转换为控制信号后经RS485通信单元输出至路灯的电子镇流器，用于对路灯进行开关及亮度调节的控制；所述RS485通信单元还能够接收电子镇流器的反馈信号，并将反馈信号输入至处理器单元II，由处理器单元II将接收的反馈信号转换为载波信号后通过载波发送单元发送至载波收发耦合电路单元，由载波收发耦合电路单元将该载波信号输出至电力线缆。

本发明通过对每一个灯杆安装一只路灯控制器，实现一个路灯控制器可以与该灯杆上的多个电子镇流器进行通信，以此控制该灯杆上的多路灯头电源，实现控制灯杆上每个灯头的开关及亮度，监测每个灯头的状态；并且可以对该灯杆上的灯头进行灵活分组控制，可实现隔一亮一、隔二亮一、熄灭慢车道灯头、深夜调低亮度等各种节能控制方式。所述的路灯控制器与主控制器通过电力线载波通信，接收主控制器的控制指令，实现上报路灯工作状态，如当路灯控制器监测到灯头故障时，会通过电力线载波通信主动上报故障给主控制器，因每个路灯控制器都有一个唯一的地址码与灯杆编码对应，因此在远程监控中心很容易定位故障灯的准确位置。所述主控制器通过GPRS或其他网络与远程监控中心通信，故障或状态信息会主动上报监控中心，可按监控中心指令自动或手动执行开关灯或调节亮度动作，即通过电力线载波通信下发控制指令给路灯控制器控制该灯杆上的路灯状态，或通过RS485通信单元下发控制指令给支路控制器，支路控制器通过RS485通信单元接收主控制器指令，并上传该支路的电量数据及支路开关状态。而所述的远程监控中心是整个城市照明智能监控系统进行操作、维护、处理、统计、分析和监管的中心，通过GPRS或其他网络与主控制器通信，下发维护或控制指令，查询测量数据、支路状态或单灯状态等。

本发明的基于太阳能路灯的照明智能管理系统集太阳能供电、计算机、电子技术、电力线载波通信技术及无线通信技术等为一体，采用支路控制与单灯控制相结合，不仅可以实现对照明系统和路灯的实时监控和管理，确保高效稳定，全天候运行，控制不必要的“全夜灯照明”；还可以根据日出日落时间调整每一天的开关灯时间，并根据需求调节每一只灯的亮度，有效节约电能。并有效地实现了城市照明系统安全、可靠、高效的运行，大大提高了管理部门对于城市照明系统的管理和业务水平，节约路灯巡视和值班人员的费用，可以避免白天意外亮灯或夜间熄灯的现象，甚至可有效地防止照明电缆被盗的情况发生，使用该系统后值班人员可以根据报警信息应急处理因各种情况而发生的开路、短路故障，避免事故发生，提高了工作效率；同时，本发明的城市照明智能监控系统，不但可以降低成本、提高效率，而且更有利于资源的合理使用和节省，适应城市照明未来发展趋势的要求。

在扩展性方面，本发明能够根据需要灵活扩展以太网模块、短信模块、光照度采集模块、环境监测模块、车流量监测模块、线缆防盗报警监测模块、视频摄像头，广播视频模块、市民应急报警模块、无线充电模块等等系统功能。强大的功能扩展性，为未来的智慧城市提供了条件。

本发明采用最新的物联网技术，支持远程遥控，支持PC端监控，手机客户端远程遥控，通过互联网和GPRS信号，无需到达现场即可实时控制，操作无距离限制，简单快捷，实现智慧化管理。

本发明技术方案采用物联网技术和云平台服务，不仅可以实现对照明系统和路灯的实时监控和管理，确保高效稳定，全天候运行，控制不必要的“全夜灯照明”；还可以根据日出日落时间调整每一天的开关灯时间，并根据需求调节每一只灯的亮度，有效节约电能。有效地实现了太阳能路灯安全、可靠、高效的运行，大大提高了管理部门对于城市照明系统的管理和业务水平，节约路灯巡视和值班人员的费用，可以避免白天意外亮灯或夜间熄灯的现象，使用该系统后值班人员可以根据报警信息应急处理因各种情况而发生的开路、短路故障，避免事故发生，提高了工作效率；同时，本发明的太阳能路灯控制系统，不但可以节约能源、提高效率，而且具备多种扩展功能，适应智慧城市未来发展趋势的要求。

现场故障主动上报，并以短消息或是语音电话的方式，把报警的时间、地点、内容等相关信息发送至各相关人员的手机上具有GPRS、以太网、232、485、载波、433MHz无线等通信接口，可扩展多种现场设备并与远程服务器进行数据通信。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.基于太阳能路灯的城市照明智能管理系统，其特征在于：包括将太阳能转换为电能的太阳能电池板、蓄电池、连接在太阳能电池板输出端与蓄电池输入端之间的充电控制电路、与太阳能电池板输入端连接的自动追日装置、与蓄电池输出端相连的路灯和主控制器、监控中心、云中心、用户平台，其中主控制器的输出端分别连接充电控制电路、自动追日装置、监控中心；

蓄电池用于为路灯和主控制器提供电源；

自动追日装置用于检测太阳能电池板所在方位的光照强度，并控制太阳能电池板向光照强的方向转动；

监控中心通过GPRS信号将从主控制器获得的数据传送至云中心；

用户平台与云中心采用GPRS通信方式。

2.根据权利要求1所述的基于太阳能路灯的城市照明智能管理系统，其特征在于：充电控制电路为串联式PWM充电电路，若太阳能电池板两端电压高于蓄电池两端电压时，串联式PWM充电电路内的M₁和M₂导通，蓄电池进入充电模式；若太阳能电池板两端电压低于蓄电池两端电压时，串联式PWM充电电路内的M₁和M₂截止，太阳能电池不向蓄电池充电；

串联式PWM充电电路中还设置有二极管D1、D2，其中D1、D2正向导通，对蓄电池起充电保护作用。

3.根据权利要求2所述的基于太阳能路灯的城市照明智能管理系统，其特征在于：

主控器通过光控、时控、手控中的任一控制方式，对路灯的开启与关闭进行控制；

主控制器根据光线强弱对路灯的开启与关闭进行控制，当光线较弱时，主控制器控制路灯开启，当光线较强时，主控制器控制路灯关闭；

或主控制器根据有效时间段对路灯的开启与关闭进行控制，在主控制器内设置有效时间段及预设开启时间，若在有效时间段内，光控有效则控制路灯开启；若在有效时间段内，光控无效，则按开启时间自动定时控制路灯开启；

或主控制器通过云中心与用户平台进行通信，用户远程遥控手动控制路灯的开启。

4.根据权利要求3所述的基于太阳能路灯的城市照明智能管理系统，其特征在于：

路灯内设置有用于对路灯进行开关及亮度调节的路灯控制器、用于对支路的路灯进行供电控制的支路控制器，路灯控制器、支路控制器均与蓄电池相连；

主控制器对路灯控制器和支路控制器的运行状态进行监控，并通过通信模块将监控得到的运行状态数据反馈至监控中心，

通信模块为GPRS通信模块、CDMA通信模块、3G通信模块、WIFI通信模块中的任一种。

5.根据权利要求4所述的基于太阳能路灯的城市照明智能管理系统，其特征在于：

主控制器包括数据采集单元、处理器单元I以及监控单元，所述处理器单元分别与数据采集单元和监控单元相连接；

数据采集单元获取路灯和路灯支路的状态信息，并将获取的状态信息输入处理器单元；

监控单元通过处理器单元对路灯和路灯支路的状态信息进行监控并下发控制信息对路灯及路灯支路的运行状态进行控制；

所述路灯和路灯支路的状态信息包括路灯的开关状态和亮度信息、路灯支路的开关状态和用电量信息。

6.根据权利要求5所述的基于太阳能路灯的城市照明智能管理系统，其特征在于：

路灯控制器包括RS485通信单元、处理器单元II、载波发送单元、载波接收单元和载波收发耦合电路单元；

载波发送单元的输入端与处理器单元II相连，输出端与载波收发耦合电路单元相连；

载波接收单元的输入端与载波收发耦合电路单元相连，输出端与处理器单元II相连；

RS485通信单元的输入端与路灯的电子镇流器相连接；输出端与处理器单元II的输入端进行信息交互。

7.载波收发耦合电路单元接收经电力线缆传输的载波信号，所述处理器单元将载波信号转换为控制信号后经RS485通信单元输出至路灯的电子镇流器，用于对路灯进行开关及亮度调节的控制；

RS485通信单元接收电子镇流器的反馈信号，并将反馈信号输入至处理器单元，由处理器单元将接收的反馈信号转换为载波信号后通过载波发送单元发送至载波收发耦合电路单元，由载波收发耦合电路单元将该载波信号输出至电力线缆。

8.根据权利要求6所述的基于太阳能路灯的城市照明智能管理系统，其特征在于：

主控制器设置有扩展模块，实现对以太网模块、短信模块、防盗报警模块、车流量监测模块、PM2.5监测模块、视频摄像、故障报警、广播视频、光照度采集、新能源汽车充电任一功能模块的扩展。