基于无线传感技术的LED路灯节能控制系统设计

我国的城市照明伴随着我国城市化进程的加速，得到了快速的发展。但是，城市照明发展中的能源需求和消耗也在不断加大。总体上看，绿色照明工作还存在高能耗、高污染、低效率等问题。

据调查，我国当前的路灯以低效照明为主，电能利用率低。

针对照明中存在的污染严重、电能浪费、能耗密度高、照明效能低等问题，研究路灯节能控制系统，推动路灯照明节能节电，将对绿色照明的全面发展起到积极的推进作用。

1 当前路灯照明系统存在的不足

现代社会，成为城市魅力名片和窗口的路灯照明，缔造了辉煌绚丽的城市文明，也带来了一些问题。能源耗费已经成为制约当前路灯系统发展的关键所在。

1.1 电压波动大---运行浪费

由于电网负荷的变化随着时段的不同而不同，因此，相应的电压波动也较大。在行人和车辆较多的上半夜，电压较低，亮度较暗;而下半夜则异常明亮，这是由于电网负荷的变化而导致电压上升所致。较大的电压波动增加了电、热的转换比值，降低了灯具的效率，造成电能的浪费。

1.2 线路损耗大---线路浪费

路灯的供电线路较长，功率低，因此线路损耗较大;同时，一般220 V单相电压供电的路灯，三相不平衡情况较为严重，因此将造成过大的零序电流，零点位移，从而加大了电路的损耗。

1.3 管理方式粗放---间接浪费

当前，路灯照明的线路控制都较为简单，不能监视、记录和统计操作结果，设备异常的发现依赖于人工巡视。发现故障不及时，处理故障的效率也不高，最终导致了人力和物力的浪费。

为了解决路灯系统存在的问题，具有节能、环保、长寿等优点的LED路灯受到了低碳社会的高度重视。研究和开发LED路灯节能控制系统，提高资源利用率，节省能耗，成为了路灯节能的重中之重。

2 基于无线传感技术的LED路灯节能控制系统

基于无线传感技术的LED路灯节能控制系统可以对LED路灯的开关状态进行实时的监控，同时检测和收集LED路灯的各个参数信息。LED路灯的各类参数信息(开关状态，电流、电压、亮度、温度等)经由LED路灯周边的无线传感节点实时的传输到监控中心。系统据此设计维修计划并发出警报，通知进行故障处理，节约了人力成本，提高了故障处理的效率，实现了路灯管理的智能化。

基于无线传感技术的LED路灯节能控制系统具有以下优势：①无线方式组网，不需要布线，扩展灵活，且不占用空间;②容易被采用，实施快捷方便，不影响道路环境;③监管高效便捷，设备故障处理效率高，降低了路灯的能耗。

基于无线传感技术的LED路灯节能控制系统提高了能源利用率、节约了一定的能源成本。在帮助照明系统节省大量用电量的同时，延长了照明灯具的使用寿命。

3 系统总体设计

基于无线传感技术的LED路灯节能控制系统主要由监控中心、子网控制器和LED路灯监控器三个部分组成。系统构成如图1所示。

图1 基于无线传感技术的LED路灯节能控制系统构成

3.1 LED路灯监控器

LED路灯监控器的心脏是单片机，它负责数据的处理，是监控器的数据中心。电压、电流、温度传感器采集电流、电压、温度值，继电器则控制LED路灯的状态，然后将信息输送到单片机，单片机和Zigbee射频模块通信，向子网控制器报送LED路灯的各类参数，接受子网控制器的监控命令。LED路灯监控器对开关状态及采集、亮度调节、电流、温度、电压采集等进行控制。LED路灯监控器分为外挂式和模块式，满足不同的使用需求。LED路灯监控器如图2所示。

图2 LED路灯监控器

3.2 子网控制器的设计

子网控制器位于监控中心和LED路灯监控器之间，分别以不同的方式与系统中心和路灯监控器通信。它运用Zigbee通讯协议，下达系统中心的命令，同时反馈LED路灯监控器的监控情况。子网控制器负责处理本子网内的所有事务，包括监控LED路灯监控器运行状态和控制信号、处理报警等。

单片机、GPRS/3G和Zigbee射频模块组成了子网控制器。单片机是子网控制器的核心。单片机接收监控中心的各类命令，上报LED路灯监控器的参数值。同时，它通过Zigbee射频模块来发送监控命令。

3.3 监控中心

监控中心的主要功能是对LED路灯监控器进行监控和远程数据访问，包括配置参数，发送监控命令、收集LED路灯的状态等。LED路灯照明时间和开关的设定可以随着路段日照情况和人车流量的变化而变化，既满足了照明的需要，也节约了能耗。监控中心的功能由以下几个模块来实现：

数据管理模块。数据管理模块主要进行数据的应用管理，是整个系统的核心。数据管理模块对系统的运行和配置数据进行管理，包括路灯监控器数据的管理、系统运行状态数据和其它配置数据的管理等。

主界面模块。主界面模块主要由监控管理、数据显示和控制面板等组成。将数据以图形化的方式形象直观地展示出来，为用户提供整个LED路灯的实时监控。同时，用户可根据自己的需求来配置和管理系统。

数据库模块。数据库模块主要负责系统的数据存储和操作。系统可以根据需要随时调用和回放数据库中存储的历史数据，为其他模块的功能执行和分析提供支撑。

用户管理模块。用户管理模块主要负责系统中用户账户的管理，包括账户的注册、登入和修改，不同用户权限的设定和授权，严格控制用户对系统的修改，实现系统运行的安全和稳定。

通信管理模块。通信管理模块主要负责通信接口的配置和管理，保证数据的通信。它是软件系统的对外接口，通过与底层中心控制的数据交互，最终实现用户对底层硬件的控制。

4 结语

基于无线传感技术的LED路灯节能控制系统提高了路灯管理和故障处理的效率，降低了路灯的能耗，节省了电力，延长了照明灯具的使用寿命，节约了能源成本和照明费用，为城市的照明做出了贡献。