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摘 要：针对路灯运行状态、信息难以反馈和难以进行合理控制等问题，本文将无线传感器网络层次拓扑模型应用于城市路灯照明管理系统，完成整体优化控制。利用模糊控制原理对路面信号进行模糊化处理，将晶闸管相控斩波和自耦降压技术整合进行路灯的软启动和慢斜坡控制，实现智能路灯控制器节点自动调压节能，最终实现城市路灯的节能控制和智能化、网络化管理。
关键词：路灯 节能 模糊控制
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（b）-0005-02
An Energy-saving Control System to Street Lamp Based on Sensor Networks
Li Xiaoguang Xiao Pingping
（Information College of Guanghua College of Changchun University，Jilin Changchun，130033）
Abstract：For the problems that the street running state and information was difficult to feedback and reasonable control，we apply the topology model to the street lighting management system，and complete the optimization control in this paper.Using the fuzzy control theory to handle the road signals，the intelligent lighting region controller integrates the thyristor chopper with the autotransformer technology，carries out the soft start and slow slope control to the street light，and realizes automatic voltage and energy saving.At finally，the system can realize the energy-saving control and intelligent，networked management of city street lamp.
Key Words：Lamp；Energy saving；Fuzzy control
路灯是我国经济发展和国家建设中必需的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例巨大。据统计，2009年全国用电总量为36430亿kW·h。而城市公共照明（主要是道路照明）大约占总用电量的10%左右，约为3643亿kW·h。
由于道路照明控制过于简单，存在路灯运行状态、信息难以反馈和难以进行合理控制等问题，造成了区域不平衡供电和过度供电的现象（电压过高或“全夜灯”现象），每年将造成几百亿度的电能浪费，还极大地影响用电设备和灯具的使用寿命，造成了巨大的经济损失[1]。尤其吉林省路灯过度供电的现象尤为严重，路灯供电电压平均在230～240 V之间，而且均为“全夜灯”，给吉林省能源和经济造成了极大的浪费。本项目所开发的基于传感网的智能路灯节能控制系统是具有节能控制功能的道路照明管理系统，能对区域内的路灯进行自动状态监测、照明控制及管理，自动调整路灯在不同时间、不同交通流量下的耗电量，可解决路灯区域不平衡供电和过度供电造成的电能极大浪费和烧毁灯具的难题。
1 总体方案设计
本文所构建的基于无线传感器网络的路灯节能控制系统由路灯管理中心平台、路灯区域控制器、传感器节点组成[2]。路灯管理中心平台负责所有信息的汇总、统计、分析和处理，实现对区域控制器节点的控制；路灯区域控制器（即分簇结构中的簇头节点）负责所辖路段路灯亮度的节能控制、解析执行管理中心指令和采集、上报运行数据。传感器节点负责某段区域路灯的控制和状态检测。传感器节点、路灯区域控制器和路灯管理中心之间采用Zigbee协议进行数据传输，传感器节点与所辖区域内各路灯之间采用电力线载波通信方式进行数据传输。其系统结构图如图1所示。
2 硬件设计
2.1 传感器节点
传感器节点由四个部分组成：数据采集模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块[3]。如图2所示。
数据采集模块由光敏、声音传感器进行所辖区域内光照、声音信息的采集，并将采集的信号通过信号调理电路变为其变为适合传输的数字信号，传送给微处理器模块[4]；微处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理数据采集模块采集的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，实现信息交换控制和数据收发[5]；电源模块为传感器节点提供运行所需的能量，采用微型化、高容量的电池。
2.2 路灯区域控制器
路灯区域控制器的工作原理是光敏传感器采集到所辖区域道路上的光照信号通过输入智能控制器，实现所辖路段路灯的开启和关闭[6]。道路上的人车流量通过声音传感器输入智能控制器，通过模糊控制算法进行实时处理后，利用晶闸管的移相控制原理，根据时间和车流量对三相交流调压电路中晶闸管的导通角进行控制，进而改变照明电路的输出电压，达到平衡供电，实现节能控制的目的[7]。控制原理[8]如图3所示。
同步信号采样电路是按照三相交流调压电路的控制规律要求，为晶闸管的移相触发电路提供同步信号；移相触发脉冲电路根据触发角指令的要求，结合同步信号，来控制三相交流调压电路中晶闸管的导通角来决定路灯输出电压的大小；智能控制器作为整套系统的核心部分，其控制方式选取的为模糊控制算法，采集的光信号与声音信号通过放大、转换后输入到控制器的微处理器中，通过模糊控制的方式将采集的数据进行处理比对，选取最优化的控制信号加以输出。可变电抗器是用来隔离高压和低压，将电抗器的高压侧与路灯相连，在电抗器中增加二次绕组作为低压侧，将二次绕组与晶闸管和具有模糊控制算法的控制系统相连。当晶闸管控制角的发生变化时，电抗器低压侧和高压侧的电压大小也随之改变，进而使得路灯的端电压发生变化，改变路灯的照明亮度，以实现路灯的软起动和调压节能。路灯区域控制器还对三相电流的不平衡情况进行监视，实现三相不平衡保护和缺相保护，通过对负载端电压的反馈、比较，实现电压检测。 3 实验结果
本测试工作的重点是围绕利用无线传感器网络，对温湿度、光照强度、电压信号等参数进行数据采集和分析。
3.1 组建网络
首先，根据设备在网络中的功能，预先对装置编制好程序。网络协调器通过串口与PC机相连，可以在串口调试助手上观察网络组建时的实验数据结果。协调器的功能是通过扫描搜索，以发现一个未用的信道来启动一个网络。
网络协调器上电后建立起ZigBee网络，路灯节能控制系统传感器节点自动加入网络。当各节点加入网络时，各节点网络指示灯均亮起，表明组网成功。在采集管理界面中将传感器节点逐渐加入到网络协调器建立的网络中，并在信息显示窗口中显示建网完成后，采集网络建立完成，各采集器数据信息最终传输到网络协调器。
3.2 上位机显示界面
为了系统调试的方便和水质监测系统可视化人机界面的可操作性，本系统在Microsoft Visual C++6.0环境下实现了系统串口通信程序，可以实现数据在计算机上的实时显示。
从图4中可以看出，上位机界面主要由操作区、曲线显示区、节点状态区三部分组成。
操作区：主要显示当前所使用的串口以及相应的状态，服务器状态、工作情况、登陆网址等信息。
曲线显示区：在曲线显示区可查看所选用的传感器模拟量变化的波形。
节点状态区：实时显示当前网络中各传感器所采集到的温度、光强、气体、路灯的数据信息。
4 结语
本项目构建的基于无线传感器网络的智能路灯节能控制系统，能对区域内的路灯进行自动状态监测、照明控制及管理，自动调整路灯在不同时间、不同交通流量下的耗电量，可解决路灯区域不平衡供电和过度供电造成的电能极大浪费和烧毁灯具的难题。
参考文献
[1] 郝洛西，李勋栋.高效节能与城市照明[J].照明工程学报，2011，17（2）：18-22.
[2] 詹杰，吴伶锡，唐志军.基于ZigBee的智能照明控制系统设计与实现[J].电力电子技术，2007（10）：25-26.
[3] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
[4] 王亚兰.智能路灯节能控制器研究[D].武汉理工大学硕士论文，2008.
[5] 李继豪，赵瑞峰，李爱莉.基于GSM/GPRS网络的路灯监控系统[J].计算机工程与设计，2005，26（7）：1889-1949.
[6] 孙小明.城市路灯照明智能控制系统的应用及研究[J].科技情报开发与经济，2010（24）：180-182.
[7] 周海.智能路灯节能控制系统研究[D].武汉理工大学硕士论文，2009.
[8] 王晓军，徐鹏，段景春，等.基于单片机的晶闸管电子软启动器设计[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2010，29（3）：447-450.
关键词：路灯 节能 模糊控制
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（b）-0005-02
An Energy-saving Control System to Street Lamp Based on Sensor Networks
Li Xiaoguang Xiao Pingping
（Information College of Guanghua College of Changchun University，Jilin Changchun，130033）
Abstract：For the problems that the street running state and information was difficult to feedback and reasonable control，we apply the topology model to the street lighting management system，and complete the optimization control in this paper.Using the fuzzy control theory to handle the road signals，the intelligent lighting region controller integrates the thyristor chopper with the autotransformer technology，carries out the soft start and slow slope control to the street light，and realizes automatic voltage and energy saving.At finally，the system can realize the energy-saving control and intelligent，networked management of city street lamp.
Key Words：Lamp；Energy saving；Fuzzy control
路灯是我国经济发展和国家建设中必需的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例巨大。据统计，2009年全国用电总量为36430亿kW·h。而城市公共照明（主要是道路照明）大约占总用电量的10%左右，约为3643亿kW·h。
由于道路照明控制过于简单，存在路灯运行状态、信息难以反馈和难以进行合理控制等问题，造成了区域不平衡供电和过度供电的现象（电压过高或“全夜灯”现象），每年将造成几百亿度的电能浪费，还极大地影响用电设备和灯具的使用寿命，造成了巨大的经济损失[1]。尤其吉林省路灯过度供电的现象尤为严重，路灯供电电压平均在230～240 V之间，而且均为“全夜灯”，给吉林省能源和经济造成了极大的浪费。本项目所开发的基于传感网的智能路灯节能控制系统是具有节能控制功能的道路照明管理系统，能对区域内的路灯进行自动状态监测、照明控制及管理，自动调整路灯在不同时间、不同交通流量下的耗电量，可解决路灯区域不平衡供电和过度供电造成的电能极大浪费和烧毁灯具的难题。
1 总体方案设计
本文所构建的基于无线传感器网络的路灯节能控制系统由路灯管理中心平台、路灯区域控制器、传感器节点组成[2]。路灯管理中心平台负责所有信息的汇总、统计、分析和处理，实现对区域控制器节点的控制；路灯区域控制器（即分簇结构中的簇头节点）负责所辖路段路灯亮度的节能控制、解析执行管理中心指令和采集、上报运行数据。传感器节点负责某段区域路灯的控制和状态检测。传感器节点、路灯区域控制器和路灯管理中心之间采用Zigbee协议进行数据传输，传感器节点与所辖区域内各路灯之间采用电力线载波通信方式进行数据传输。其系统结构图如图1所示。
2 硬件设计
2.1 传感器节点
传感器节点由四个部分组成：数据采集模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块[3]。如图2所示。
数据采集模块由光敏、声音传感器进行所辖区域内光照、声音信息的采集，并将采集的信号通过信号调理电路变为其变为适合传输的数字信号，传送给微处理器模块[4]；微处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理数据采集模块采集的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，实现信息交换控制和数据收发[5]；电源模块为传感器节点提供运行所需的能量，采用微型化、高容量的电池。
2.2 路灯区域控制器
路灯区域控制器的工作原理是光敏传感器采集到所辖区域道路上的光照信号通过输入智能控制器，实现所辖路段路灯的开启和关闭[6]。道路上的人车流量通过声音传感器输入智能控制器，通过模糊控制算法进行实时处理后，利用晶闸管的移相控制原理，根据时间和车流量对三相交流调压电路中晶闸管的导通角进行控制，进而改变照明电路的输出电压，达到平衡供电，实现节能控制的目的[7]。控制原理[8]如图3所示。
同步信号采样电路是按照三相交流调压电路的控制规律要求，为晶闸管的移相触发电路提供同步信号；移相触发脉冲电路根据触发角指令的要求，结合同步信号，来控制三相交流调压电路中晶闸管的导通角来决定路灯输出电压的大小；智能控制器作为整套系统的核心部分，其控制方式选取的为模糊控制算法，采集的光信号与声音信号通过放大、转换后输入到控制器的微处理器中，通过模糊控制的方式将采集的数据进行处理比对，选取最优化的控制信号加以输出。可变电抗器是用来隔离高压和低压，将电抗器的高压侧与路灯相连，在电抗器中增加二次绕组作为低压侧，将二次绕组与晶闸管和具有模糊控制算法的控制系统相连。当晶闸管控制角的发生变化时，电抗器低压侧和高压侧的电压大小也随之改变，进而使得路灯的端电压发生变化，改变路灯的照明亮度，以实现路灯的软起动和调压节能。路灯区域控制器还对三相电流的不平衡情况进行监视，实现三相不平衡保护和缺相保护，通过对负载端电压的反馈、比较，实现电压检测。 3 实验结果
本测试工作的重点是围绕利用无线传感器网络，对温湿度、光照强度、电压信号等参数进行数据采集和分析。
3.1 组建网络
首先，根据设备在网络中的功能，预先对装置编制好程序。网络协调器通过串口与PC机相连，可以在串口调试助手上观察网络组建时的实验数据结果。协调器的功能是通过扫描搜索，以发现一个未用的信道来启动一个网络。
网络协调器上电后建立起ZigBee网络，路灯节能控制系统传感器节点自动加入网络。当各节点加入网络时，各节点网络指示灯均亮起，表明组网成功。在采集管理界面中将传感器节点逐渐加入到网络协调器建立的网络中，并在信息显示窗口中显示建网完成后，采集网络建立完成，各采集器数据信息最终传输到网络协调器。
3.2 上位机显示界面
为了系统调试的方便和水质监测系统可视化人机界面的可操作性，本系统在Microsoft Visual C++6.0环境下实现了系统串口通信程序，可以实现数据在计算机上的实时显示。
从图4中可以看出，上位机界面主要由操作区、曲线显示区、节点状态区三部分组成。
操作区：主要显示当前所使用的串口以及相应的状态，服务器状态、工作情况、登陆网址等信息。
曲线显示区：在曲线显示区可查看所选用的传感器模拟量变化的波形。
节点状态区：实时显示当前网络中各传感器所采集到的温度、光强、气体、路灯的数据信息。
4 结语
本项目构建的基于无线传感器网络的智能路灯节能控制系统，能对区域内的路灯进行自动状态监测、照明控制及管理，自动调整路灯在不同时间、不同交通流量下的耗电量，可解决路灯区域不平衡供电和过度供电造成的电能极大浪费和烧毁灯具的难题。
参考文献
[1] 郝洛西，李勋栋.高效节能与城市照明[J].照明工程学报，2011，17（2）：18-22.
[2] 詹杰，吴伶锡，唐志军.基于ZigBee的智能照明控制系统设计与实现[J].电力电子技术，2007（10）：25-26.
[3] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
[4] 王亚兰.智能路灯节能控制器研究[D].武汉理工大学硕士论文，2008.
[5] 李继豪，赵瑞峰，李爱莉.基于GSM/GPRS网络的路灯监控系统[J].计算机工程与设计，2005，26（7）：1889-1949.
[6] 孙小明.城市路灯照明智能控制系统的应用及研究[J].科技情报开发与经济，2010（24）：180-182.
[7] 周海.智能路灯节能控制系统研究[D].武汉理工大学硕士论文，2009.
[8] 王晓军，徐鹏，段景春，等.基于单片机的晶闸管电子软启动器设计[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2010，29（3）：447-450.