CN205430708U - 一种路灯智能节能控制系统及智能路灯 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种路灯智能节能控制系统，包括：控制中心、路灯子站系统以及路灯终端；路灯终端包括测试仪，光照传感器以及智能处理器；路灯终端配置有无线通信模块，路灯子站系统包括网络协调器以及GPRS模块；控制中心包括控制计算机和无线通信设备，无线通信设备包括与路灯子站系统连接的GPRS模块。本实用新型利用雷达测速仪和红外测距装置来检测车辆速度和位置，并以此为依据来控制车辆前方路灯工作状态的转换，使得车辆行驶前方的路灯逐盏变亮，而车辆行驶过后，路灯随之转到较暗的工作状态，这样既能保证行车安全，又达到了节能的目的。

Description

一种路灯智能节能控制系统及智能路灯

技术领域

本实用新型涉及智能控制技术领域，具体涉及到一种路灯智能节能控制系统及智能路灯。

背景技术

随着社会经济的不断发展，城市规模不断扩大，随之快速发展的还有城市路灯照明系统的规模。这就造成了照明费用支出在政府财政支出中所占的比例也逐年增加。有研究表明，合理而有效的道路照明能够减少大约的交通事故率。随着《节能法》的颁布，节能减排已经被我国列为可持续发展的重要内容之一。如何能够在保证照明的前提下，通过对照明系统的改进来达到能源节约的目的，已经越来越受到全世界的关注。因此设计出一种自动化程度高、运行可靠、使用而维护方便、高效节能的照明控制系统显得尤为重要。

目前，我国城市路灯大多都采用“全夜灯恒照度”的照明方式，控制方式也比较简单，一般采用光控与时控相结合的控制方式，该控制方式只能进行统一的集中控制。现有路灯控制方式主要存在着以下两方面的问题：第一，系统不能自动监控路灯的运行状态，其管理维护只能采用人工巡逻的方式，随着路灯系统规模的扩大，这种巡逻方式无疑会浪费越来越多的人力、物力，而且存在着严重的滞后性；第二，目前所采用的“全夜灯，恒照度”的照明方式虽然能够满足夜间照明的需求，但也造成了资源的浪费。后半夜居民大都在休息，路上的车辆和行人非常的少，而此时所有的路灯仍处于正常的工作状态，对电能造成了很大的浪费。

据统计，我国路灯照明投资的总额逐年快速增长，仅在电能消耗方面就已经超过一千亿元。虽然我国各种能源比较丰富，电力行业有了很大发展，但是与发达国家相比我国的能源利用率及人均用电均低于世界平均水平。面对能源的日益置乏，节能减排日益受到国际重视，设计一套完善的路灯照明管理体系及智能控制方式显得尤为重要。照明系统节能的重点应该放在后半夜车流量较少的时间段，通过智能控制合理调节路灯的照明状态，把这部分的电能节省下来，将是一笔很大的财富。

西方发达国家很早就开始重视照明工程中能源浪费的问题，也提出并尝试许多方法来解决这一问题。最近，国际上提出了一种“在保证照明效果下点着灯节电”的节能新思想，这才是科学合理的节能理念，任何道路照明节能系统的设计都应该遵循这一重要思想；欧洲国家在道路照明方面采取了一系列的措施，如：在光源上，提倡釆用节能光源代替传统光源；在照明器件上，对镇流器和灯具都提出了更高的要求，对于不满足要求的产品强行使其退出市场。日本在节能方面建立了新的能效标准，并修改了节能法。日本鼓励制造商对灯具进行改进，提高节能效率，并规定在一定时间内制造商需要将灯具的能源效率提高到一定的目标值，把不能满足要求的生产厂家名字公布于众。国外在节能照明方面主要做了以下几方面的工作：

1.推广绿色能源，在能源材料和使用规范上出台了一系列标准，提高全民的节能意识；2.提高照明器件的性能，通过改进来提高照明灯具的功率因数；3.实行奖励机制，鼓励民众自觉节能、节电。

国内对照明节能问题的重视比较晚，但是其发展速度很快。“中国绿色照明”对我国的照明节能研究提出了新的要求，要求在保证合理有效照明的情况下，通过采用节能光源，研发新的控制方法，达到照明节能的目标。目前我国大多数城市路灯采用的照明节能途径，主要有以下三种：

1.路灯智能控制器

目前国内较为先进的路灯智能控制器主要是全自动经纬度路灯控制器，该控制器采用液晶屏幕显示，小巧精致，经济实用，能够根据使用地经纬度和当前日期自动计算出该地日出、日落时间来控制路灯开关，不需人工调节。该控制器有种控制方式：全夜灯、半夜灯（半夜关闭路灯、两段灯（半夜关闭路灯，早晨启路灯），并满足手动节日全夜灯功能。主要应用在市政单位路灯照明控制、大型亮化的工程、大型油田的照明控制、公司单位的照明控制。

这种智能控制器存在了一定的缺陷，系统只能按照日出、曰落时间的计算结果来开启或者关闭路灯，当遇到一些阴天、下雨等恶劣天气需要开启路灯开时，控制器不能满足正常的照明需要。“全夜灯，恒照度”的照明方式虽然满足了照明的需要，但是造成了很大的浪费，半夜灯及两段灯虽然可以节约电能，但是同时也是夜间行车的危险性提高了，以降低安全性为代价的路灯节能方式是不可取的。

2.采用节能型光源

近年来我国在新型节能光源研发方面有了很大的发展，新型节能光源己经幵始逐步替代原有的传统光源。新型节能光源的优点是在要求同样照度的情况下，新型节能光源能够降低灯具的电能损耗，另外节能光源的使用寿命一般要比传统光源长很多，这就在灯具的投资上节约了成本[5]。

LED作为新型节能灯已开始进入我们的视野。传统光源存在严重的光损耗及二次取光问题，必须依靠光发射来解决，而新型LED釆用了点光源的形式，从根本上有效解了这个题。并且其对发射光的均勾度是可以控制的；色温可选，能够有效的提高照明效率，并达到节约成本的效果。发光效率高，节省电能可达70%，寿命长等优点使得LED路灯的使用将很快超越高压钠灯。

3.各种节能控制方法的研究

我国现有的节能设备虽然在一定程度上能够达到节能的效果，但却不能很好的满足人们对节能品质的要求，主要有以下几方面：（1）采用自藕变压器及磁饱和电压器的降压技术。其缺点是反映速度比较慢，而且由于其电压会随着用电时段和用电量的不同而出现不稳定的现象，这就会造成灯光的频闪，以致不能自动调节亮度。（2）采用电子元器件构成的可控娃设备。该设备采用相控技术，缺点是元件容易发热烧坏，照明质量不能得到保证，国家已经禁止使用这种可控硅产品。（3）新型LED路灯的调光技术，LED本身是二极管，可以实现快速开关，因此对于光源来说，调光比其他节能灯更容易实现，所以目前市场上出现了LED调光电源，可以对LED路灯进行调光，使路灯在深夜降低亮度从而既满足照明又能达到节能的目的。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种路灯智能节能控制系统。

为达上述目的，本实用新型的一个实施例中提供了一种路灯智能节能控制系统，包括：控制中心、路灯子站系统以及路灯终端；

路灯终端包括用于测算车辆与路灯间距的测试仪，检测光照强度的光照传感器以及接收测试仪和光照传感器信号的智能处理器；路灯终端配置有用于连接同一路灯子站系统内所有路灯终端的无线通信模块，该无线通信模块还用于将接收到的信号发送至路灯子站系统；

路灯子站系统包括用于与系统内所有路灯终端通信连接的网络协调器以及通过GPRS网络与控制中心通信连接的GPRS模块；

控制中心包括控制计算机和无线通信设备，无线通信设备包括与路灯子站系统连接的GPRS模块。

优选的，测试仪包括红外线测距装置和雷达测速仪。

优选的，路灯终端还包括用于检测路灯电流电压的电压检测传感器和电流检测传感器。

优选的，智能处理器通过驱动电路控制路灯。

优选的，光照传感器通过A/D转换器转换信号后与智能处理器连接。

优选的，无线通信模块为FFD完整功能设备。

优选的，路灯终端还包括计时模块。

优选的，控制中心连接有多个路灯子站系统，路灯子站系统连接多个路灯终端。

本实用新型基于上述路灯智能节能控制系统，提供了一种智能路灯，包括路灯和路灯智能节能控制系统，路灯智能节能控制系统包括：控制中心、路灯子站系统以及路灯终端；

路灯终端包括用于测算车辆与路灯间距的测试仪，检测光照强度的光照传感器以及接收测试仪和光照传感器信号的智能处理器；路灯终端配置有用于连接同一路灯子站系统内所有路灯终端的无线通信模块，该无线通信模块还用于将接收到的信号发送至路灯子站系统；

路灯子站系统包括用于与系统内所有路灯终端通信连接的网络协调器以及通过GPRS网络与控制中心通信连接的GPRS模块；

控制中心包括控制计算机和无线通信设备，无线通信设备包括与路灯子站系统连接的GPRS模块。

综上所述，本实用新型具有以下优点：

本实用新型利用雷达测速仪和红外测距装置来检测车辆速度和位置，并以此为依据来控制车辆前方路灯工作状态的转换，使得车辆行驶前方的路灯逐盏变亮，而车辆行驶过后，路灯随之转到较暗的工作状态，这样既能保证行车安全，又达到了节能的目的。

此外，本实用新型在通信方面，利用了ZigBee和GPRS相结合的通讯方式，短距离通信ZigBee技术来实现子站内部的通信，ZigBee子站与控制中心釆用GPRS通信；使得局域网内具有良好稳定的通信效果，整体费用较低。

附图说明

图1为本实用新型的网络连接框架示意图；

图2为路灯终端的控制流程图；

图3为本实用新型一个实施例中终端分布图；

图4为本实用新型另一个实施例中雷达测速仪安装分布情况示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种路灯智能节能控制系统，包括控制中心、路灯子站系统以及路灯终端。路灯终端包括用于测算车辆与路灯间距的测试仪，测试仪包括红外线测距装置和雷达测速仪；检测光照强度的光照传感器以及接收测试仪和光照传感器信号的智能处理器，智能处理器通过驱动电路控制路灯；光照传感器通过A/D转换器转换信号后与智能处理器连接。路灯终端还包括用于检测路灯电流电压的电压检测传感器和电流检测传感器。路灯终端配置有用于连接同一路灯子站系统内所有路灯终端的无线通信模块，该无线通信模块还用于将接收到的信号发送至路灯子站系统；无线通信模块为FFD完整功能设备。

路灯终端还包括计时模块，可以用于生成时钟信号。控制中心连接有多个路灯子站系统，路灯子站系统连接多个路灯终端。

路灯子站系统包括用于与系统内所有路灯终端通信连接的网络协调器以及通过GPRS网络与控制中心通信连接的GPRS模块。控制中心包括控制计算机和无线通信设备，无线通信设备包括与路灯子站系统连接的GPRS模块。

本实用新型的工作原理和过程如下：

ZigBee设备类型有两种：全功能设备FFD(FullFunctionDevice)和精简功能设备RFD(ReducedFunctionDeveice)。FFD具备全功能协议桟及充足的系统资源，可以容纳子网中所有节点的设备信息。FFD既可以作为网络协调器实现网络的组织修复功能，又能够作为路由实现路由组织功能。RFD只能接收信号，并执行相应的控制命令，构成最简单的ZigBee终端设备，可以自动寻找路由，根据需要传送数据或进入休眠状态。由于功能上的区别，精简功能设备RFD只能FFD与通信，而各个RFD之间无法进行直接通信。

如图1所示，本实用新型的无线通讯釆用三级通信控制模式：控制中心、路灯子站系统和路灯终端。控制中心负责整个系统内所有的路灯子站系统的管理和运行，向每个路灯子站发送控制指令，并接收来自子站的数据信息。每个子站系统负责管理该子站范围内的路灯终端，向路灯终端发送控制命令，并釆集各路灯终端的电流、电压参数对路灯的运行情况进行实时监控。每个路灯终端节点由电力变压器和一个控制箱组成，负责接收子站网络协调器及相关路由的控制命令，控制其所在路灯的工作情况。

系统的控制中心可以设在城市路灯管理部门，由主控计算机、LCD显示器、无线通信设备构成，其中主控计算机的主要作用是对整个系统进行监控，控制中心的主要功能是实现对路灯系统的遥控、遥测功能。每个路灯终端节点都有一个智能处理器，能够实现电流、电压参数的釆集、实现数据的无线收发功能，这些终端节点的功能是执行来自控制中心和其他路由器的指令，路灯终端节点的智能处理器能够实时在线的检测各种参数，并执行上层网络发送的控制命令。控制中心与各子站之间通过GPRS进行通信，子站内的通信则通过ZigBee模块来实现，以节约成本，本路灯终端系统采用网状网的连接方式，以保证系统的稳定性。

每一个路灯子站包含一个网络协调器、若干个路由节点CRU及若干个FFD节点，每个路灯节点的处理器ZigBee和设备即CPU。网络协调器负责建立网络和管理网络，并负责各个子站与控制中心的通信，控制子网内的网络电源开关状态。在实际的路灯照明系统中，选择在道路的十字路口建立一个ZigBee子站，每个子站控制以十字路口为中心的四条道路上的路灯，并负责与控制中心进行通信。子站协调器将该子站区域内的路灯情况，如是否有故障路灯，故障路灯的具体位置等信息直接传送给控制中心的GPRS接收器，这样在控制中心的上就可以看到故障路灯的详细信息，方便管理维护。

本系统中由于要求每一个路灯节点既能够接受来自其他节点的信息，又要能够发送信息给其他的路灯节点，因此系统应选用全功能的FFD设备，以满足系统的通信需求。

ZigBee通过无线通信组成星状、树状或者网状网网络拓扑。路灯节能系统的覆盖面积较大，而星状网络覆盖面积很小，显然在此节能系统中不适合使用星状网络。树状网络，由于道路是直线延伸的，因此并没有太多的分叉子节点网络就缩减成了链状结构。在树状网络中，节点之间的信息传递是以接力方式进行传输的，以达到远距离传输的目的。对于长链型的树状网络存在着一个很明显的缺点，即节点的传输负载量不平衡，即在靠近ZigBee网络协调器即子站的路由节点会承担较多的数据传输量，随着道路长度的延伸，节点若承受太大的载荷会降低整个系统的可靠性。在网状网中，所有的节点都是全功能设备，所有节点之间都是对等的，每个节点都可以与其范围之内的所有节点进行通信，因此网状网虽然具有自愈性高、抗干扰能力强的特点，也满足了覆盖面积较大的要求，在工程中应用也比较多。在此路灯节能控制系统中选用网状网拓扑结构可以完全满足系统的通信要求，并使系统稳定可靠。

每一个路灯上都配备一个芯片，由于全部采用了FFD设备，所以每个路灯都可以看做是一个路由节点，整个子站内的路灯组成网状网的拓扑结构，网关节点即网络协调器通过GPRS与控制中心进行通信，每个协调器负责其所在的子网的建立和管理。

参考图3，本路灯节能系统的每个子站所具有的终端节点数为200左右，以路灯的标准间距离50米为例，那么一个子网的覆距尚大概为：10000m左右，即10Km，能够满足实际的控制需求。

本系统根据雷达测速仪提供的车辆速度信号来控制路灯的亮度变化，使车辆行驶前方的路灯随着车辆的前进变亮，而车辆行驶后方的路灯随之逐盏变暗，这样既能满足车辆行驶的安全性也达到了节能的目的。因此雷达测速仪在本节能系统中起着至关重要的作用。

为了达到控制系统的准确性，提高控制精度，在道路上安装的雷达测速仪越多则控制系统的实时性就越好。然而考虑到系统的成本问题又不宜安装太多的雷达测速仪，综合以上两方面来考虑，将雷达测速仪的间距设为1000m。即在距离路口两百米的地方装第一个雷达测速仪，之后每隔一千米再另外装一台，具体的工程实践中依实际情况而定，距离可以做适当的增减。雷达测速仪安装分布情况示意图如图4所示。

车辆在行驶过程中不可能一直按照直线路程来行驶，因此在十字路口处增加相应的设备来辅助判断车辆的行驶方向显得尤为重要。在双向六车道的路口处，所有的行驶车辆都要提前选择车道，以保证交通的顺畅及行车的安全性。可以利用不同车道与路灯之间的相对距离来判断车辆的行驶方向。

如图2所示，智能路灯节能控制系统的硬件主要由智能控制器和PWM调光驱动电路组成。ZigBee芯片CC2430具有工业级的、8倍于标准8051的内核，因此在系统中可以直接用作系统的微处理器。系统的硬件主要由光照传感器、雷达测速仪、信号变送器、智能处理器、驱动电路以及A/D、D/A转换器组成。

硬件系统的工作原理：光照传感器测得的光信号经变送器送入A/D转换器，来控制路灯的开关状态。雷达测速仪将测得的速度信号通过模糊控制算法实时处理，来控制LED路灯的亮度变化，从而达到节能的目的。

由于LED光源相对于传统路灯具有响应快、方便控制的特点，能够支持调光，且调光方式比较简舉，可在0-100%之间任意调光，因此可以在特定的条件下通过调节LED路灯的亮度，既能够保证道路照明的需要又可以达到节能的目的。比如在后半夜，道路上行驶车辆非常少的情况下可以使用智能调光，即没有车辆行驶的时候路灯工作在较低的亮度状态，当检测到车辆信号的时候，使路灯工作在较亮的工作状态，以达到照明的需要。

例如本系统将一天划分为5段，分别针对不同的道路车流量情况及照明需求对路灯做出相应的控制，具体如下：

（1）从白天到黄昏阶段，一般情况这个时间段内道路上不需要人工照明，因此这个阶段的路灯处于关闭状态，输出调节为0%。

（2）黄昏阶段开始开启路灯，要经过大概五个小时的车流量高峰期，在这个时间段内由于车辆和行人较多，因此路灯处于100%的输出，以保证道路交通的安全。

（3）车流量高峰过后一直到天亮，在这个时间段内居民都在休息，道路上行驶的车辆非常少，因此在没有车辆的时候使路灯工作在的30%工作状态，有车辆行驶时，调整路灯亮度为70%，车辆行驶过后又恢复到原来的工作状态。

本实用新型还公开了一种智能路灯，包括路灯和路灯智能节能控制系统，路灯智能节能控制系统包括：控制中心、路灯子站系统以及路灯终端；

路灯终端包括用于测算车辆与路灯间距的测试仪，检测光照强度的光照传感器以及接收测试仪和光照传感器信号的智能处理器；路灯终端配置有用于连接同一路灯子站系统内所有路灯终端的无线通信模块，该无线通信模块还用于将接收到的信号发送至路灯子站系统；

路灯子站系统包括用于与系统内所有路灯终端通信连接的网络协调器以及通过GPRS网络与控制中心通信连接的GPRS模块；

控制中心包括控制计算机和无线通信设备，无线通信设备包括与路灯子站系统连接的GPRS模块。

Claims (9)

1.一种路灯智能节能控制系统，其特征在于，包括：

控制中心、路灯子站系统以及路灯终端；

所述路灯终端包括用于测算车辆与路灯间距的测试仪，检测光照强度的光照传感器以及接收测试仪和光照传感器信号的智能处理器；所述路灯终端配置有用于连接同一路灯子站系统内所有路灯终端的无线通信模块，该无线通信模块还用于将接收到的信号发送至路灯子站系统；

所述路灯子站系统包括用于与系统内所有路灯终端通信连接的网络协调器以及通过GPRS网络与控制中心通信连接的GPRS模块；

所述控制中心包括控制计算机和无线通信设备，所述无线通信设备包括与路灯子站系统连接的GPRS模块。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述测试仪包括红外线测距装置和雷达测速仪。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述路灯终端还包括用于检测路灯电流电压的电压检测传感器和电流检测传感器。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述智能处理器通过驱动电路控制路灯。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光照传感器通过A/D转换器转换信号后与智能处理器连接。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述无线通信模块为FFD完整功能设备。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述路灯终端还包括计时模块。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述控制中心连接有多个路灯子站系统，所述路灯子站系统连接多个路灯终端。

9.一种智能路灯，其特征在于：包括路灯和路灯智能节能控制系统，所述路灯智能节能控制系统包括：控制中心、路灯子站系统以及路灯终端；

所述路灯终端包括用于测算车辆与路灯间距的测试仪，检测光照强度的光照传感器以及接收测试仪和光照传感器信号的智能处理器；所述路灯终端配置有用于连接同一路灯子站系统内所有路灯终端的无线通信模块，该无线通信模块还用于将接收到的信号发送至路灯子站系统；

所述路灯子站系统包括用于与系统内所有路灯终端通信连接的网络协调器以及通过GPRS网络与控制中心通信连接的GPRS模块；

所述控制中心包括控制计算机和无线通信设备，所述无线通信设备包括与路灯子站系统连接的GPRS模块。