LED路灯智能控制技术分析及趋势预测
随着时代的发展，城市现代化建设步伐不断加快，对城市道路照明的需求也不断增加，而能源的供需矛盾也越来越突出；同时，全球气候变暖，节能减排和绿色环保成为了全球社会的共识。在这样的背景之下，LED路灯——采用LED这种固态冷光源，以其环保无污染、耗电少、光效高、寿命长等特点，得到了社会的认可。 这几年，在全球社会的共同努力下，LED照明产业迅速发展，技术日趋成熟，LED路灯在光效、散热等各方面的性能都得到了很大的提升。与传统路灯相比，LED路灯不仅仅具有光效高、耗电少等特点，可控、易控也是LED路灯不容置疑的一大特性。在“第七届中国道路照明论坛”上，就有专家指出：LED路灯和高压钠灯相比，除了在节能方面的优势，在控制功能上也具有很大的优势，路灯智能化是未来的最大优势。 目前，市面上虽然也出现了不少LED路灯智能控制系统，但在实际工程应用中依旧以时控、光控居多，并且这些智能控制系统质量参差不齐、规格千变万化，与LED路灯的兼容性不足，一般都是LED灯具厂商给自己的灯具定制的系统，或者是灯具厂商与控制技术厂商之间紧密合作的成果，这就无形中阻碍了智能控制技术的推广和应用。 本文主要从LED路灯对智能控制的需求出发，针对现有的智能控制技术，从系统架构、远程通信方式和节点通信方式等角度分析，指出各自利弊，对LED路灯智能控制技术的未来发展趋势作出了预测，并提出了建议。 一、LED路灯智能控制的要求 随着社会文明的不断发展，路灯已不再局限于街道照明，而是发展为表现城市景观、体现城市形象的重要标志。并且，随着道路照明范围的扩大，道路照明管理部门的管理工作量也加大。想要及时发现和维修故障路灯，仅靠检修车的上路巡灯是很难做得到的，而远程的实时监测就成为路灯管理的一大帮手，可以通过对LED路灯电流、温度、通信状况等参数的采集和分析，判断其是否处于正常工作状态，也可以让路灯上的采集模块主动上报异常信息。再者，路灯在安装设计时，虽然为道路交通流量较大时的照明提供了保障，但在交通流量少的时候，LED路灯的照明往往超出了照明需求，造成了电能的浪费。因此，LED需要调光，也需要有效的实时监测技术。 二、现有的智能控制技术 1.从LED路灯智能控制系统架构方面来看，目前市面上所具有的系统已大体形成了一种模式：监控中心软件、集中控制器和控制节点(如图1)。 其中，控制节点一般由信号传输模块、数据处理MCU和外围电路组成，在每一盏LED路灯上都需要安装控制节点。当系统需要对LED灯具进行控制时，信号传输模块负责接收上层指令，并交由MCU处理，对LED路灯实施控制；当LED灯具主动上传电流故障等信息时，由MCU将信息发送给信号传输模块，然后由信号传输模块将信息提交给集中控制器。 集中控制器通常由两个信号传输模块、一个MCU、LCD屏以及键盘等组成，负责完成定时调光、数据采集等工作。其中，一个信号传输模块负责与下层控制节点上的信号传输模块通信，另一个信号传输模块负责与上层监控中心软件通信；MCU负责处理两个通信模块传输的信号、处理键盘的按键事件并通过LCD屏输出。 监控中心软件通过远程无线方式与一个或多个集中控制器通讯，路灯管理工作人员通过对该软件的操作，可以控制LED路灯的开关、调节路灯亮度、检测路灯的温度、电流等信息，也可获得LED路灯的异常报警信息，并且该软件一般具有控制操作报表、路灯状态信息报表等报表的自动生成功能，便于集中管理。 2.从远程无线通信方式角度来看，即集中控制器与监控中心软件的通信，现在比较主流的是GPRS技术。不仅在路灯控制技术上，GPRS在很多场合被用来作为远程通信的传输方式。GPRS是一种移动数据业务，与以往的连续在频道传输的方式不同，是以封包式来传输，用户需要承担的费用是以传输的数据流量来计算，与传统的控制系统中采用的GSM短信方式相比较，运营成本要低很多。 再者，监控中心软件作为整个智能控制系统的服务器端，在与集中控制器的GPRS模块通信时，需要一个能被GPRS唯一识别的IP地址，这可以通过以下两种方式实现： 一是给监控中心主机提供公网的IP地址，通过在路由器端开放某个特定的端口实现。如果该软件采用的是C/S架构，在实际的工程应用中，公网IP的运行成本相对来说还是比较高的，比较难实现；如果该软件采用B/S架构，则需要专用的服务器，并且要有专人维护，现在的维护工作一般由控制设备厂商来完成，而使用方只需要用特定的用户名和密码登陆到网页，即可完成对LED路灯的监控工作。 二是采用移动的VPN数据卡，即每个集中控制器都装有一张VPN数据卡，监控中心主机也使用VPN数据卡，连接到定制的APN(Access Point Name，接入点名称)，从而与集中控制器组成GPRS局域网。相对于前一种公网IP的方式，这种方式由于外部网络没有访问权限，可以大大提高系统的安全性，但同时带来更大的运营成本问题，因为需要移动运营商为控制设备厂商专门建一个服务器，通过服务器转发VPN数据卡之间的信息。对于一些道路照明工程应用比较多的公司，这种方式还是可行的。 3.从控制节点所使用的信号传输方式来看，目前在一些智能控制系统中使用ZigBee、电力线载波和RS485等方式，与以往在每盏路灯上都安装GSM或者GPRS模块的方式相比，节省了运行成本，并且现在使用的这些通信模块在价格上相对于GSM或GPRS模块要占很大优势。 ZigBee是一种短距离、低功耗、低速率的双向无线通讯技术。它采用2.4G的ISM（工业、医疗、科学）频段通信，无需任何通信费用。其优点是安装方便，无需另外布线；组网方式灵活，即使其中某一个节点损坏，其他节点会很快自动形成一个新的网络。缺点是容易受到外界环境的影响，天气状况不佳、大型障碍物阻挡、其他通信基站等都会影响ZigBee信号的传输； 电力线载波是利用给LED路灯供电的两根电线传输控制信号的一种技术，每个控制节点上的信号传输模块具有调制和解调功能。这种传输方式的优点是直接使用电线作为信号传输介质，无需另外布线；缺点是对电网和周围器件的EMC要求比较高，因为监控信号与电力线上的50/60Hz电力信号一起传输，并且其中还带有其他电子器件，比如开关电源的干扰信号，如果信噪比过小，解调电路将很难正确解调出监控信号；传输距离的限制也是电力线载波方式的一个缺点，距离过远将导致信号波形的严重失真，解调电路也无法正确解调出监控信号。 RS485。这种传输方式的优点是信号传输准确率高；传输距离远，在距离超出RS485本身的传输距离限制时，只要加上中继器即可；缺点是需要另外铺设线路，这在新的工程应用中尚可行，但如果是旧的道路工程改造，将会产生非常大的施工量；即使铺设了专用线路，某段线路损坏将会导致整个网络的瘫痪，这会给后续的维护工作增加很多负担。 三、LED路灯智能控制技术的未来 综合上述现有技术来看，LED路灯智能控制技术还需要继续完善。 1.从规范化角度，每个LED路灯厂商生产的灯具规格不一，智能控制设备的规格也不一，如果智能设备厂商能够制定对灯具的控制范围和接口标准，灯具厂商也就可以根据智能设备接口标准给自己的灯具预留控制接口。这样，智能化系统的选择空间和使用自由度将提高，给推广带来了方便。 2.通常路灯由政府指定的部门统一管理，如果该管理部门安装了许多不同厂家的智能控制系统，使用不同厂家的监控中心软件，这样，日常的管理和维护就显得相当繁琐。如果业界可以做出一些专门针对LED路灯智能控制的标准，根据一些常用的操作，例如调光、检测、设置定时调光时间段等，在集中控制器上预留统一的通信接口，使集中控制器与监控中心软件之间有固定的通信协议，类似于现在工业控制中经常用到的Modbus协议。在监控中心，就可以根据不同控制设备厂家给出的通信接口，完成监控中心软件的设计，对所有的集中控制器统一管理，这对路灯的日常维护和管理意义重大。并且，今后城市的发展趋势是统一化管理，路灯作为城市的一部分，将与其他公共设施例如水电、安防等一起被纳入管理范围之内，如果没有统一的标准，统一化管理将很难实现。 3.根据环境光调光这种方式在以往的道路照明中也有过应用，但一般是在每盏灯具上安装光感器件，灯具与灯具之间不需要通信，只需要根据光感设备自动调节自身亮度输出。这种方式难以达到调光的一致性，并且受灰尘等影响很大。但光控方式的确有它自身的优点，例如在天气状况突变的情况下，能够及时调整亮度，起到了很好的应急作用。因此，今后可以考虑在某些特定的地方安装光感设备，这些光感设备与集中控制器通信，将采集到的环境光值上报给集中控制器，集中控制器根据环境光的值和自身设定的程序，适度改变LED路灯的输出亮度。 4.此外，电缆防盗一直是道路照明维护的一大难题。目前所具有的智能控制系统，虽然有些可以实现亮灯时的防盗报警，但在路灯没有通电的情况下，就无法实现电缆防盗功能。因此，在今后的智能控制系统中，应该根据以往电缆防盗专用系统的经验，将电缆全天候防盗功能融入进去。 5.对于控制节点所使用的信号传输方式，则需要分应用场合考虑，比如新能源型LED路灯、即风光互补路灯等，由于无需电力线传输电能，只能选用ZigBee等无线方式传输信号；在道路状况欠佳，大型障碍物比较多的情况下，使用电力线载波方式可以避开ZigBee跨障能力不足的缺陷。当然，随着科学技术的发展，ZigBee技术本身的通信距离增加、抗干扰能力增强，使其可以在更多的场合中应用。并且，电力线载波技术也在进步，如现今已有的自适应载波模块，该模块在通信时可以避开电力线上的干扰信号所使用的频段，选择适合自己传输的频率范围传输信号。
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