基于LED冷光源的智能路灯控制系统设计

下载后可任意编辑 基于LED冷光源的智能路灯控制系统设计 时间：2024-12-10 16:52:35 来源：现代电子技术 作者：吕运朋，籍晓晔，李宏超，张为民 郑州大学 摘要：LED冷光源作为一种节能、环保的新型绿色光源，是未来城市道路照明的进展方向。设计一种基于LED冷光源道路照明的智能路灯控制系统，不仅可以实现路灯的智能化设计，而且更可以提高能源的利用率。 关键词：LED；路灯；节能；控制系统 0 引言 当前巨大的能源消耗和由此引起的能源短缺、价格上涨等已使得节约能源成为一项十分迫切的任务。国家“十一五计划”提出“要把节约资源作为基本国策”，首次提出十一五期间单位国内生产总值能源消耗降低20％左右的目标。原建设部在《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》中明确提出，2024～2024年累计节电要达到25％。 LED冷光源作为一种新型的绿色光源，具有节能、环保、寿命长等特点，是未来照明的进展趋势。2024年初，中国科技部推出“十城万盏”半导体照明应用示范城市方案，该计划涵盖北京、上海、深圳、武汉等21个国内发达城市。这一计划的实施将有效引导我国半导体照明应用的健康快速进展。 本课题正是基于LED冷光源道路照明而设计的智能路灯节能控制系统，从而有效解决现有的道路照明管理系统普遍存在着难以反馈路灯状态信息、没有适时开关灯、基本没有节电效果等问题。 1 LED技术概述 LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED光源具有高节能、利环保、寿命长、体积小、多变幻适用性强、稳定性高、响应时间短等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。虽然价格较现有照明器材昂贵，仍被认为它是其理想的替代品。 在节能方面，LED具有直流驱动，超低功耗(单管<0．1 w)等特点，相比传统光源，LED光源接近点光源，单相发光，好配光，光效利用率高。就平均照度来讲，一盏50 W的LED灯亮度可与100 W的高压钠灯相当，假如就点照度来讲，那要更高。相同照明效果比传统光源节能50％以上(以实际应用产品为例)。LED光源为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积等缺点。当光通量衰减到70％时，其寿命达到了50 000 h，高压钠灯的寿命是10 000～20 000 h。而它的环保效益更佳，发光颜色纯正，不含有紫外和红外的辐射，而且不含汞元素，没有污染，废弃物可方便回收。冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。 2 路灯节能控制系统总体结构 考虑到造价、监测范围、控制点设置、扩容方便等要求，在本次设计中采纳无线通信与电力载波通信相结合的方案。 具体的方案如下：整个监控系统由监控终端、集中控制器、路灯控制器和路灯组成。本系统的上位机即监控终端放在城市路灯管理部门，以单个配电变压器为范围安装集中控制器，在每盏路灯上安装路灯控制器方便实现单灯控制。在主控制室与集中控制器之间采纳GPRS通信，GPRS通信方式容易实现高速数据传输、长时间在线，并且可获得按流量收费的低资费方式，硬件投资少，对地域要求相对也较低。在集中控制器与路灯控制器之间则采纳电力线载波通信技术，采纳电力载波技术的最大的好处就是不需要再铺设通信电缆就可容易地实现对每盏灯的检测，减少了通道建设的费用。整个系统的结构图如图1所示。 3 通信的实现 整个系统采纳分级通信机制，一级为监控终端和集中控制器的通信，另一级为集中控制器和路灯控制器的通信。 监控终端与集中控制器之间的通信采纳GPRS。集中控制器监控和管理所在辖区所有的路灯，其和路灯控制器之间采纳电力线载波通信。集中控制器可以独立工作，根据提前设定的方案开关灯、循环地收集所辖范围各路灯控制器的相关信息，每当完成所有路灯的一次信息收集时，集中控制器将刚收集到的各路灯控制器监测路灯的信息迅速反馈给监控终端，当集中控制器收到监控终端的命令时，将监控终端下达的命令解析并通过电力线载波通信发送给路灯控制器让其执行相关的动作。路灯控制器一直处于等待模式，其循环地收集该灯柱所有灯的电流及状态信息，一旦接收到有与本机地址相符的命令就执行相应的动作并反馈执行结果给集中控制器。通过这两级通信，整个监控系统的巡检周期可以大大缩短。 3．1 路灯控制器与集中控制器通信实现 为了便于系统的软硬件模块设计、调试，以及后续的系统调试、故障分析和系统升级等，本次设计采纳了双CPU结构，两个CUP分别是PL3105(负责载波收发的相关控制)和宏晶的STCl2C5404AD(其他控制)。STCl2C5404AD单片机是一款高速、宽电压、低功耗的增强型8051内核单片机。由于设计中要求的实时性不高，这里直接采纳串口通信，PL3105的RXD，TXD直接与STCl2C5404AD的RXD，TXD连接，通过编写单片机启动程序，对其初始化设置，根据通信协议完成集中控制器发布的各项动作。电压、电流采集电路分别通过HCT218及HPT304精密微型电压互感器感应沟通的电压、电流，再通过I-V互换得出相应电压值。该路灯控制器是单灯操作，以同一变压器工作下的路灯为一局域，多个电力线载波模块连接在同一相线上，在主从通信模式下，模块分别单独工作。其硬件框图如图2所示。 3．1．1 电力线载波模块 电力线载波通信(Power Line Communication，PLC)是利用电力线载波实现信息传递的通信方式的统称。它具有诸多优点：如应用范围广、实现成本低、永久在线等。 电力线载波模块使用的PL3105芯片是专为自动抄表、智能信息家电以及远程监控系统而开发的单片系统芯片(SoC)。采纳8051指令兼容的高速微处理器，软件易于开发；内嵌的载波通信控制单元使其具备了在低压电力线上组网远程通信的强大功能；CPU通过配置寄存器来实现对载波通信的控制，接口方便；扩频通信单元具有较强的抗带内同频干扰、灵敏度高的优点。 3．1．2 路由算法的实现 路由器是网络层的互联部件，可提供比网桥更丰富、灵活的网络互连功能，是目前使用最多的网络互连部件之一。路由算法是用软件方法实现路由的功能。 由于一般的电力载波芯片的可靠通信距离在500 m左右，在实际应用中远远超过最大通信距离，所以在本次设计的路灯控制器中增加了路由协议层，并以其性能优越的物理层设计及完善的网络通信协议，保证了可靠的网络通信性能。在同一辖区电力线上的设备只要整合入了此芯片及相关通信模块就可成为能利用电力线来进行控制的智能控制产品。 路由动作包括两项基本内容：寻径和转发。寻径即判定到达目的地的最佳路径，路径信息根据使用的路由算法不同而不同。路由算法根据许多信息来填充路由表，并通过交换路由信息维护、更新其路由表，路由更新信息通常包含全部或部分路由表，通过分析来自其他路由器的新信息，该路由器就可以建立起新的网络拓扑图。在一些环境复杂且大规模的项目中，采纳动态路由算法，通过分析收到的路由更新信息来适应网络