一種路燈智能節能控制系統及智能路燈的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種路燈智能節能控制系統，包括：控制中心、路燈子站系統以及路燈終端；路燈終端包括測試儀，光照傳感器以及智能處理器；路燈終端配置有無線通信模塊，路燈子站系統包括網絡協調器以及GPRS模塊；控制中心包括控制計算機和無線通信設備，無線通信設備包括與路燈子站系統連接的GPRS模塊。本實用新型利用雷達測速儀和紅外測距裝置來檢測車輛速度和位置，并以此為依據來控制車輛前方路燈工作狀態的轉換，使得車輛行駛前方的路燈逐盞變亮，而車輛行駛過后，路燈隨之轉到較暗的工作狀態，這樣既能保證行車安全，又達到了節能的目的。
【專利說明】
一種路燈智能節能控制系統及智能路燈
技術領域
[0001]本實用新型涉及智能控制技術領域，具體涉及到一種路燈智能節能控制系統及智能路燈。
【背景技術】
[0002]隨著社會經濟的不斷發展，城市規模不斷擴大，隨之快速發展的還有城市路燈照明系統的規模。這就造成了照明費用支出在政府財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夠減少大約的交通事故率。隨著《節能法》的頒布，節能減排已經被我國列為可持續發展的重要內容之一。如何能夠在保證照明的前提下，通過對照明系統的改進來達到能源節約的目的，已經越來越受到全世界的關注。因此設計出一種自動化程度高、運行可靠、使用而維護方便、高效節能的照明控制系統顯得尤為重要。
[0003]目前，我國城市路燈大多都采用“全夜燈恒照度”的照明方式，控制方式也比較簡單，一般采用光控與時控相結合的控制方式，該控制方式只能進行統一的集中控制。現有路燈控制方式主要存在著以下兩方面的問題:第一，系統不能自動監控路燈的運行狀態，其管理維護只能采用人工巡邏的方式，隨著路燈系統規模的擴大，這種巡邏方式無疑會浪費越來越多的人力、物力，而且存在著嚴重的滯后性;第二，目前所采用的“全夜燈，恒照度”的照明方式雖然能夠滿足夜間照明的需求，但也造成了資源的浪費。后半夜居民大都在休息，路上的車輛和行人非常的少，而此時所有的路燈仍處于正常的工作狀態，對電能造成了很大的浪費。
[0004]據統計，我國路燈照明投資的總額逐年快速增長，僅在電能消耗方面就已經超過一千億元。雖然我國各種能源比較豐富，電力行業有了很大發展，但是與發達國家相比我國的能源利用率及人均用電均低于世界平均水平。面對能源的日益置乏，節能減排日益受到國際重視，設計一套完善的路燈照明管理體系及智能控制方式顯得尤為重要。照明系統節能的重點應該放在后半夜車流量較少的時間段，通過智能控制合理調節路燈的照明狀態，把這部分的電能節省下來，將是一筆很大的財富。
[0005]西方發達國家很早就開始重視照明工程中能源浪費的問題，也提出并嘗試許多方法來解決這一問題。最近，國際上提出了一種“在保證照明效果下點著燈節電”的節能新思想，這才是科學合理的節能理念，任何道路照明節能系統的設計都應該遵循這一重要思想；歐洲國家在道路照明方面采取了一系列的措施，如:在光源上，提倡釆用節能光源代替傳統光源;在照明器件上，對鎮流器和燈具都提出了更高的要求，對于不滿足要求的產品強行使其退出市場。日本在節能方面建立了新的能效標準，并修改了節能法。日本鼓勵制造商對燈具進彳丁改進，提尚節能效率，并規定在一定時間內制造商需要將燈具的能源效率提尚到一定的目標值，把不能滿足要求的生產廠家名字公布于眾。國外在節能照明方面主要做了以下幾方面的工作:
[0006]1.推廣綠色能源，在能源材料和使用規范上出臺了一系列標準，提高全民的節能意識;2.提高照明器件的性能，通過改進來提高照明燈具的功率因數;3.實行獎勵機制，鼓勵民眾自覺節能、節電。
[0007]國內對照明節能問題的重視比較晚，但是其發展速度很快。“中國綠色照明”對我國的照明節能研究提出了新的要求，要求在保證合理有效照明的情況下，通過采用節能光源，研發新的控制方法，達到照明節能的目標。目前我國大多數城市路燈采用的照明節能途徑，主要有以下三種:
[0008]1.路燈智能控制器
[0009]目前國內較為先進的路燈智能控制器主要是全自動經瑋度路燈控制器，該控制器采用液晶屏幕顯示，小巧精致，經濟實用，能夠根據使用地經瑋度和當前日期自動計算出該地日出、日落時間來控制路燈開關，不需人工調節。該控制器有種控制方式:全夜燈、半夜燈(半夜關閉路燈、兩段燈(半夜關閉路燈，早晨啟路燈)，并滿足手動節日全夜燈功能。主要應用在市政單位路燈照明控制、大型亮化的工程、大型油田的照明控制、公司單位的照明控制。
[0010]這種智能控制器存在了一定的缺陷，系統只能按照日出、曰落時間的計算結果來開啟或者關閉路燈，當遇到一些陰天、下雨等惡劣天氣需要開啟路燈開時，控制器不能滿足正常的照明需要。“全夜燈，恒照度”的照明方式雖然滿足了照明的需要，但是造成了很大的浪費，半夜燈及兩段燈雖然可以節約電能，但是同時也是夜間行車的危險性提高了，以降低安全性為代價的路燈節能方式是不可取的。
[0011]2.采用節能型光源
[0012]近年來我國在新型節能光源研發方面有了很大的發展，新型節能光源己經幵始逐步替代原有的傳統光源。新型節能光源的優點是在要求同樣照度的情況下，新型節能光源能夠降低燈具的電能損耗，另外節能光源的使用壽命一般要比傳統光源長很多，這就在燈具的投資上節約了成本[5]。
[0013]LED作為新型節能燈已開始進入我們的視野。傳統光源存在嚴重的光損耗及二次取光問題，必須依靠光發射來解決，而新型LED釆用了點光源的形式，從根本上有效解了這個題。并且其對發射光的均勾度是可以控制的；色溫可選，能夠有效的提高照明效率，并達到節約成本的效果。發光效率高，節省電能可達70%，壽命長等優點使得LED路燈的使用將很快超越尚壓納燈。
[0014]3.各種節能控制方法的研究
[0015]我國現有的節能設備雖然在一定程度上能夠達到節能的效果，但卻不能很好的滿足人們對節能品質的要求，主要有以下幾方面:(I)采用自藕變壓器及磁飽和電壓器的降壓技術。其缺點是反映速度比較慢，而且由于其電壓會隨著用電時段和用電量的不同而出現不穩定的現象，這就會造成燈光的頻閃，以致不能自動調節亮度。(2)采用電子元器件構成的可控娃設備。該設備采用相控技術，缺點是元件容易發熱燒壞，照明質量不能得到保證，國家已經禁止使用這種可控硅產品。(3)新型LED路燈的調光技術，LED本身是二極管，可以實現快速開關，因此對于光源來說，調光比其他節能燈更容易實現，所以目前市場上出現了LED調光電源，可以對LED路燈進行調光，使路燈在深夜降低亮度從而既滿足照明又能達到節能的目的。
【實用新型內容】
[0016]本實用新型的目的是提供一種路燈智能節能控制系統。
[0017]為達上述目的，本實用新型的一個實施例中提供了一種路燈智能節能控制系統，包括:控制中心、路燈子站系統以及路燈終端；
[0018]路燈終端包括用于測算車輛與路燈間距的測試儀，檢測光照強度的光照傳感器以及接收測試儀和光照傳感器信號的智能處理器;路燈終端配置有用于連接同一路燈子站系統內所有路燈終端的無線通信模塊，該無線通信模塊還用于將接收到的信號發送至路燈子站系統；
[0019]路燈子站系統包括用于與系統內所有路燈終端通信連接的網絡協調器以及通過GPRS網絡與控制中心通信連接的GPRS模塊；
[0020]控制中心包括控制計算機和無線通信設備，無線通信設備包括與路燈子站系統連接的GPRS模塊。
[0021 ]優選的，測試儀包括紅外線測距裝置和雷達測速儀。
[0022]優選的，路燈終端還包括用于檢測路燈電流電壓的電壓檢測傳感器和電流檢測傳感器。
[0023]優選的，智能處理器通過驅動電路控制路燈。
[0024]優選的，光照傳感器通過A/D轉換器轉換信號后與智能處理器連接。
[0025]優選的，無線通信模塊為FR)完整功能設備。
[0026]優選的，路燈終端還包括計時模塊。
[0027]優選的，控制中心連接有多個路燈子站系統，路燈子站系統連接多個路燈終端。
[0028]本實用新型基于上述路燈智能節能控制系統，提供了一種智能路燈，包括路燈和路燈智能節能控制系統，路燈智能節能控制系統包括:控制中心、路燈子站系統以及路燈終端；
[0029]路燈終端包括用于測算車輛與路燈間距的測試儀，檢測光照強度的光照傳感器以及接收測試儀和光照傳感器信號的智能處理器;路燈終端配置有用于連接同一路燈子站系統內所有路燈終端的無線通信模塊，該無線通信模塊還用于將接收到的信號發送至路燈子站系統；
[0030]路燈子站系統包括用于與系統內所有路燈終端通信連接的網絡協調器以及通過GPRS網絡與控制中心通信連接的GPRS模塊；
[0031]控制中心包括控制計算機和無線通信設備，無線通信設備包括與路燈子站系統連接的GPRS模塊。
[0032]綜上所述，本實用新型具有以下優點:
[0033]本實用新型利用雷達測速儀和紅外測距裝置來檢測車輛速度和位置，并以此為依據來控制車輛前方路燈工作狀態的轉換，使得車輛行駛前方的路燈逐盞變亮，而車輛行駛過后，路燈隨之轉到較暗的工作狀態，這樣既能保證行車安全，又達到了節能的目的。
[0034]此外，本實用新型在通信方面，利用了ZigBee和GPRS相結合的通訊方式，短距離通信ZigBee技術來實現子站內部的通信，ZigBee子站與控制中心釆用GPRS通信;使得局域網內具有良好穩定的通信效果，整體費用較低。
【附圖說明】
[0035]圖1為本實用新型的網絡連接框架示意圖；
[0036]圖2為路燈終端的控制流程圖；
[0037]圖3為本實用新型一個實施例中終端分布圖；
[0038]圖4為本實用新型另一個實施例中雷達測速儀安裝分布情況示意圖。
【具體實施方式】
[0039]本實用新型提供了一種路燈智能節能控制系統，包括控制中心、路燈子站系統以及路燈終端。路燈終端包括用于測算車輛與路燈間距的測試儀，測試儀包括紅外線測距裝置和雷達測速儀;檢測光照強度的光照傳感器以及接收測試儀和光照傳感器信號的智能處理器，智能處理器通過驅動電路控制路燈;光照傳感器通過A/D轉換器轉換信號后與智能處理器連接。路燈終端還包括用于檢測路燈電流電壓的電壓檢測傳感器和電流檢測傳感器。路燈終端配置有用于連接同一路燈子站系統內所有路燈終端的無線通信模塊，該無線通信模塊還用于將接收到的信號發送至路燈子站系統;無線通信模塊為FFD完整功能設備。
[0040]路燈終端還包括計時模塊，可以用于生成時鐘信號。控制中心連接有多個路燈子站系統，路燈子站系統連接多個路燈終端。
[0041]路燈子站系統包括用于與系統內所有路燈終端通信連接的網絡協調器以及通過GPRS網絡與控制中心通信連接的GPRS模塊。控制中心包括控制計算機和無線通信設備，無線通信設備包括與路燈子站系統連接的GPRS模塊。
[0042]本實用新型的工作原理和過程如下:
[0043]ZigBee設備類型有兩種:全功能設備FFD(Full Funct1n Device)和精簡功能設備RFD(Reduced Funct1n Deveice) JFD具備全功能協議桟及充足的系統資源，可以容納子網中所有節點的設備信息。FFD既可以作為網絡協調器實現網絡的組織修復功能，又能夠作為路由實現路由組織功能。RFD只能接收信號，并執行相應的控制命令，構成最簡單的ZigBee終端設備，可以自動尋找路由，根據需要傳送數據或進入休眠狀態。由于功能上的區另IJ，精簡功能設備RFD只能FFD與通信，而各個RFD之間無法進行直接通信。
[0044]如圖1所示，本實用新型的無線通訊釆用三級通信控制模式:控制中心、路燈子站系統和路燈終端。控制中心負責整個系統內所有的路燈子站系統的管理和運行，向每個路燈子站發送控制指令，并接收來自子站的數據信息。每個子站系統負責管理該子站范圍內的路燈終端，向路燈終端發送控制命令，并釆集各路燈終端的電流、電壓參數對路燈的運行情況進行實時監控。每個路燈終端節點由電力變壓器和一個控制箱組成，負責接收子站網絡協調器及相關路由的控制命令，控制其所在路燈的工作情況。
[0045]系統的控制中心可以設在城市路燈管理部門，由主控計算機、IXD顯示器、無線通信設備構成，其中主控計算機的主要作用是對整個系統進行監控，控制中心的主要功能是實現對路燈系統的遙控、遙測功能。每個路燈終端節點都有一個智能處理器，能夠實現電流、電壓參數的釆集、實現數據的無線收發功能，這些終端節點的功能是執行來自控制中心和其他路由器的指令，路燈終端節點的智能處理器能夠實時在線的檢測各種參數，并執行上層網絡發送的控制命令。控制中心與各子站之間通過GPRS進行通信，子站內的通信則通過ZigBee模塊來實現，以節約成本，本路燈終端系統采用網狀網的連接方式，以保證系統的穩定性。
[0046]每一個路燈子站包含一個網絡協調器、若干個路由節點CRU及若干個FFD節點，每個路燈節點的處理器ZigBee和設備即CPU。網絡協調器負責建立網絡和管理網絡，并負責各個子站與控制中心的通信，控制子網內的網絡電源開關狀態。在實際的路燈照明系統中，選擇在道路的十字路口建立一個ZigBee子站，每個子站控制以十字路口為中心的四條道路上的路燈，并負責與控制中心進行通信。子站協調器將該子站區域內的路燈情況，如是否有故障路燈，故障路燈的具體位置等信息直接傳送給控制中心的GPRS接收器，這樣在控制中心的上就可以看到故障路燈的詳細信息，方便管理維護。
[0047]本系統中由于要求每一個路燈節點既能夠接受來自其他節點的信息，又要能夠發送信息給其他的路燈節點，因此系統應選用全功能的FFD設備，以滿足系統的通信需求。
[0048]ZigBee通過無線通信組成星狀、樹狀或者網狀網網絡拓撲。路燈節能系統的覆蓋面積較大，而星狀網絡覆蓋面積很小，顯然在此節能系統中不適合使用星狀網絡。樹狀網絡，由于道路是直線延伸的，因此并沒有太多的分叉子節點網絡就縮減成了鏈狀結構。在樹狀網絡中，節點之間的信息傳遞是以接力方式進行傳輸的，以達到遠距離傳輸的目的。對于長鏈型的樹狀網絡存在著一個很明顯的缺點，即節點的傳輸負載量不平衡，即在靠近ZigBee網絡協調器即子站的路由節點會承擔較多的數據傳輸量，隨著道路長度的延伸，節點若承受太大的載荷會降低整個系統的可靠性。在網狀網中，所有的節點都是全功能設備，所有節點之間都是對等的，每個節點都可以與其范圍之內的所有節點進行通信，因此網狀網雖然具有自愈性高、抗干擾能力強的特點，也滿足了覆蓋面積較大的要求，在工程中應用也比較多。在此路燈節能控制系統中選用網狀網拓撲結構可以完全滿足系統的通信要求，并使系統穩定可靠。
[0049]每一個路燈上都配備一個芯片，由于全部采用了FFD設備，所以每個路燈都可以看做是一個路由節點，整個子站內的路燈組成網狀網的拓撲結構，網關節點即網絡協調器通過GPRS與控制中心進行通信，每個協調器負責其所在的子網的建立和管理。
[0050]參考圖3，本路燈節能系統的每個子站所具有的終端節點數為200左右，以路燈的標準間距離50米為例，那么一個子網的覆距尚大概為:10000m左右，S卩10Km，能夠滿足實際的控制需求。
[0051]本系統根據雷達測速儀提供的車輛速度信號來控制路燈的亮度變化，使車輛行駛前方的路燈隨著車輛的前進變亮，而車輛行駛后方的路燈隨之逐盞變暗，這樣既能滿足車輛行駛的安全性也達到了節能的目的。因此雷達測速儀在本節能系統中起著至關重要的作用。
[0052]為了達到控制系統的準確性，提高控制精度，在道路上安裝的雷達測速儀越多則控制系統的實時性就越好。然而考慮到系統的成本問題又不宜安裝太多的雷達測速儀，綜合以上兩方面來考慮，將雷達測速儀的間距設為1000m。即在距離路口兩百米的地方裝第一個雷達測速儀，之后每隔一千米再另外裝一臺，具體的工程實踐中依實際情況而定，距離可以做適當的增減。雷達測速儀安裝分布情況示意圖如圖4所示。
[0053]車輛在行駛過程中不可能一直按照直線路程來行駛，因此在十字路口處增加相應的設備來輔助判斷車輛的行駛方向顯得尤為重要。在雙向六車道的路口處，所有的行駛車輛都要提前選擇車道，以保證交通的順暢及行車的安全性。可以利用不同車道與路燈之間的相對距離來判斷車輛的行駛方向。
[0054]如圖2所示，智能路燈節能控制系統的硬件主要由智能控制器和PffM調光驅動電路組成。ZigBee芯片CC2430具有工業級的、8倍于標準8051的內核，因此在系統中可以直接用作系統的微處理器。系統的硬件主要由光照傳感器、雷達測速儀、信號變送器、智能處理器、驅動電路以及A/D、D/A轉換器組成。
[0055]硬件系統的工作原理:光照傳感器測得的光信號經變送器送入A/D轉換器，來控制路燈的開關狀態。雷達測速儀將測得的速度信號通過模糊控制算法實時處理，來控制LED路燈的亮度變化，從而達到節能的目的。
[0056]由于LED光源相對于傳統路燈具有響應快、方便控制的特點，能夠支持調光，且調光方式比較簡舉，可在0-100%之間任意調光，因此可以在特定的條件下通過調節LED路燈的亮度，既能夠保證道路照明的需要又可以達到節能的目的。比如在后半夜，道路上行駛車輛非常少的情況下可以使用智能調光，即沒有車輛行駛的時候路燈工作在較低的亮度狀態，當檢測到車輛信號的時候，使路燈工作在較亮的工作狀態，以達到照明的需要。
[0057]例如本系統將一天劃分為5段，分別針對不同的道路車流量情況及照明需求對路燈做出相應的控制，具體如下:
[0058](I)從白天到黃昏階段，一般情況這個時間段內道路上不需要人工照明，因此這個階段的路燈處于關閉狀態，輸出調節為0%。
[0059](2)黃昏階段開始開啟路燈，要經過大概五個小時的車流量高峰期，在這個時間段內由于車輛和行人較多，因此路燈處于100%的輸出，以保證道路交通的安全。
[0060](3)車流量高峰過后一直到天亮，在這個時間段內居民都在休息，道路上行駛的車輛非常少，因此在沒有車輛的時候使路燈工作在的30%工作狀態，有車輛行駛時，調整路燈亮度為70%，車輛行駛過后又恢復到原來的工作狀態。
[0061]本實用新型還公開了一種智能路燈，包括路燈和路燈智能節能控制系統，路燈智能節能控制系統包括:控制中心、路燈子站系統以及路燈終端；
[0062]路燈終端包括用于測算車輛與路燈間距的測試儀，檢測光照強度的光照傳感器以及接收測試儀和光照傳感器信號的智能處理器;路燈終端配置有用于連接同一路燈子站系統內所有路燈終端的無線通信模塊，該無線通信模塊還用于將接收到的信號發送至路燈子站系統；
[0063]路燈子站系統包括用于與系統內所有路燈終端通信連接的網絡協調器以及通過GPRS網絡與控制中心通信連接的GPRS模塊；
[0064]控制中心包括控制計算機和無線通信設備，無線通信設備包括與路燈子站系統連接的GPRS模塊。
【主權項】
1.一種路燈智能節能控制系統，其特征在于，包括: 控制中心、路燈子站系統以及路燈終端； 所述路燈終端包括用于測算車輛與路燈間距的測試儀，檢測光照強度的光照傳感器以及接收測試儀和光照傳感器信號的智能處理器;所述路燈終端配置有用于連接同一路燈子站系統內所有路燈終端的無線通信模塊，該無線通信模塊還用于將接收到的信號發送至路燈子站系統； 所述路燈子站系統包括用于與系統內所有路燈終端通信連接的網絡協調器以及通過GPRS網絡與控制中心通信連接的GPRS模塊； 所述控制中心包括控制計算機和無線通信設備，所述無線通信設備包括與路燈子站系統連接的GPRS模塊。2.如權利要求1所述的系統，其特征在于:所述測試儀包括紅外線測距裝置和雷達測速儀。3.如權利要求1所述的系統，其特征在于:所述路燈終端還包括用于檢測路燈電流電壓的電壓檢測傳感器和電流檢測傳感器。4.如權利要求1所述的系統，其特征在于:所述智能處理器通過驅動電路控制路燈。5.如權利要求1所述的系統，其特征在于:所述光照傳感器通過A/D轉換器轉換信號后與智能處理器連接。6.如權利要求1所述的系統，其特征在于:所述無線通信模塊為FFD完整功能設備。7.如權利要求1所述的系統，其特征在于:所述路燈終端還包括計時模塊。8.如權利要求1所述的系統，其特征在于:所述控制中心連接有多個路燈子站系統，所述路燈子站系統連接多個路燈終端。9.一種智能路燈，其特征在于:包括路燈和路燈智能節能控制系統，所述路燈智能節能控制系統包括:控制中心、路燈子站系統以及路燈終端； 所述路燈終端包括用于測算車輛與路燈間距的測試儀，檢測光照強度的光照傳感器以及接收測試儀和光照傳感器信號的智能處理器;所述路燈終端配置有用于連接同一路燈子站系統內所有路燈終端的無線通信模塊，該無線通信模塊還用于將接收到的信號發送至路燈子站系統； 所述路燈子站系統包括用于與系統內所有路燈終端通信連接的網絡協調器以及通過GPRS網絡與控制中心通信連接的GPRS模塊； 所述控制中心包括控制計算機和無線通信設備，所述無線通信設備包括與路燈子站系統連接的GPRS模塊。
【文檔編號】H05B33/08GK205430708SQ201620276141
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月6日
【發明人】張鈺笙, 李夢婷, 祁德志, 湯偉
【申請人】張鈺笙, 李夢婷, 祁德志, 湯偉