摘要：智能道路照明控制系统通过集中器与基站通信，获取时间和位置信息，接收服务器针对该位置的全年入夜时间表，精确控制交通道路灯光的开关时间，结合来车检测和路灯使用数据分析，智能化控制路灯的开关和亮度，保障夜间行人行车安全，提升城市照明智能化和节能化。
关键词：智能道路照明；节点控制器；集中器；基站定位；后台软件；SAAS云平台
1 目前城市交通道路照明情况
对于任何一个城市来说，交通道路照明系统无疑是不可或缺的重要基础设施。交通道路照明系统在营造城市宜居环境的同时，也消耗着大量的电力能源。根据资料显示,现在中国用于照明的年用电量达3216亿度,大概占全国总发电量的13%,而高速公路照明(指景观照明与功能照明的统称)的年用电量约占全国总发电量的7%~8% [1]。
目前我国大部分城市路灯系统普遍采用的是定时或者人工控制的方式。这种控制方式不能根据电网波动、照度需求及照明时段等情况进行实时调整，节能效果差，城市路灯照明的电能利用率还不到65%，电能浪费相当严重。从表1可以看出，2014年我国污染物排放量大得惊人，通过节约可观的电能，就可以有效的减少火力发电厂对大气CO、SO、NO和粉尘、灰渣的排放量，减少污染，保护环境。
表1 2014年全国主要污染物排放量
2 系统构成
为了提高现有路灯的节能率，通过物联网和云计算技术[2]，对照明系统进行升级，实现路灯集中管控智能化。如图1所示，智慧路灯系统由集中器、节点控制器、后台管理软件和传感器四部分组成。
图1 智能道路照明系统构成图
2.2.1 集中器和节点控制器组网原理
集中器内有上行通讯的3G模块和下行通讯的电力载波模块。通过3G模块，集中器与移动通讯基站通讯，获取时间和位置信息，并接入以太网，与拥有固定IP地址的服务器连接，接收服务器的控制命令，并将集中器位置信息以及线下路灯数据上传给服务器。
集中器安装在路灯变电柜的低压端，通过继电器控制低压柜的总开关，控制整条道路路灯的总开关。每盏路灯安装一个节点控制器，集中器和节点控制器直接通过电力线载波通信。每个路灯节点控制器有个独一无二的编号，对应云端地图上的相应坐标的路灯。
集中器通过3G通信模块，获取基站的基准时间，并测量不同基站的下行导频信号，得到不同基站下行导频的TOA（Time of Arrival，到达时刻）或TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差) [3]，根据该测量结果并结合基站的坐标，采用三角公式估计算法（见图2），计算出集中器所在的位置。集中器获取基准时间和所在位置信息后，通过3G模块接入互联网，把基准时间位置信息发给后台服务器，服务器将收到的集中器时间和位置信息与服务器的时间经纬表对比，确定该集中器线下路灯的最佳开关灯时间，节约电能。
图2 基站定位三角公式估计算法
2.2.2 后台软件
后台软件部署在SAAS云服务器上，云服务器具有固定的IP地址，通过添加集中器的ID号，在软件WEB页面实现对集中器及线下节点控制器的查询和控制。如图3 所示，后台软件有以下6大模块功能：
图3 智能道路照明后台软件总体功能图
1）系统管理模块
有用户管理、工作模式管理以及区域管理三个功能。用户管理，可以设定管理员登录账号及其管理权限、短信中心号码、手机号码，方便管理其辖区内的路灯，以及接收报警信息；工作模式管理，可以调节集中器的任务执行优先级；区域管理，按照实际管辖路段范围，设置不同的集中器区域，可以新建或修改集中器区域，设定区域名称、地址信息，根据路灯分布实际情况，可将集中器下的节点控制器进行分组操作管理。
2）控制任务模块
设定集中器区域、节点控制器分组及其定时开关任务、上电、断电、调光等操作[4]。
3）运行状态模块
查询集中器和线下节点控制器终端设备的状态，包括电压、电流、功率等信息[5]。
4）故障报警模块
自动显示当前故障设备的报警信息。
5）地图显示模块
地图显示(Google Map卫星定位)集中器和节点控制器位置[6]。
6）数据分析与统计模块
为用户提供历史查询、设备操作日志以及电表数据分析功能，并监控平台下所有终端的亮灯比率。
2.2.3 传感器
传感器有光亮度感应器和来车视频检测设备，安装在道路路口指示杆上，通过光亮度感应器测出当前天色的亮度，以及来车视频检测设备检测到来车的信号，结合服务器发给集中器的定时策略，三者当中集中器的任务执行优先级最高的是光亮度感应器的亮度数据，一旦天色亮度低于设定值，将发送开灯命令给线下的路灯[7]。
集中器的任务执行优先级第二的是定时策略，服务器根据集中器从移动通讯基站获取的时间和位置信息计算出该集中器的定时策略；在定时策略中，深夜后，路上的车辆会很少，集中器会调低线下路灯的亮度，凌晨时分甚至关闭路灯，从而启动来车视频检测设备，根据来车数据来决定是否开灯或者调整路灯的亮度。
图4 光亮度感应器和来车视频检测设备的示例图
3 产生的社会经济效益
3.1 有效降低城市照明能耗
本智能道路照明控制系统可以针对不同地方、不同时间（季节）获得精确的入夜时间，在最正确的时间开关路灯，并且有定时策略针对晚上不同时间段的照明亮度需求自动调节路灯的亮度，加上光亮度感应器和来车视频检测设备的应用，能够最大限度地降低城市照明能耗。
3.2 系统智能化，节约大量的人力资源
智能道路照明控制系统能够覆盖整个城市的路灯，实行集中精确控制和监控，自动查询线下路灯的电压、电流和功率等数据，一旦监测有异常，实时发送异常路灯的位置和故障信息到相关管理人的手机，不需要人员路面巡查，节约大量人力资源。
4 结束语
随着国内城市的飞速发展，建立城市道路照明智能控制系统是城市和行业进步的需要，对提高整个城市照明的亮灯率、节约能源、保障人身安全等起到有效的作用，创造了更好的经济效益和带来良好的社会效应。
参考文献
[1] 唐晓栋. 降低路灯照明用电量. 科技展望 , 2016 (19)
[2] 马玉波,张培剑.基于物联网的智能城市(照明)管理系统[J].信息技术与信息化,2014(1)：49-52,58.
[3] 彭刚，曹元大，孙利民. 无线传感器网络世界同步协议[J]. 四川：计算机应用，2005,25（6）
[4] 杨凯，吴兆之.基于物联网技术的智能照明系统.电动工具 , 2016 (5) :26-30
[5] CJJ/T261-2017.城市照明合同能源管理技术规程.中国建筑工业出版社， 2017
[6] 张立新,杨程.一种基于物联网技术的智能路灯监控系统设计[J].宁夏工程技术,2014,13(3):234-237.
[7] 陈名松，黄增盛，周信玲，王伟光，董适. 基于车辆检测设计与实现的公路照明节能系统，电视技术 , 2017 , 41(4-5) :67-71
论文作者:曹继东1,2,邓院昌1
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/25
标签：集中器论文; 路灯论文; 基站论文; 节点论文; 控制器论文; 时间论文; 道路论文; 《基层建设》2019年第7期论文;