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        基于物聯網的路燈節能管理系統


        一、 概述

        路燈是與人們日常生活緊密相關的市政公共設施,既關系到夜間行人和交通的安全,又承擔著美化市政、降低社會犯罪率的重任,確保按時、按需點亮每一盞燈,并能有效地節省路燈的用電電量、延長燈泡的壽命、降低維護和管理的成本是現代效能型社會追求的目標。

        目前,全國大部分城市的照明控制和管理仍采用傳統的模式,道路路燈和城市夜景亮化的開關由每臺箱變或配電柜獨立時鐘控制,無法做到精確的統一性控制和管理,除了部分實現了路燈變壓器的監測外,大部分路燈設施均靠人工巡檢的傳統管理模式,從而造成路燈電纜、燈具等城市路燈設施失竊和人為損壞嚴重,與“分時間、分路段、分情景”的科學亮燈模式的管理目標相去甚遠;特別是集中亮燈時電流、電壓的瞬間劇烈變化對專用變壓器和燈具造成的巨大沖擊,時常造成設備的損害,大大縮短了設備的使用壽命,增加了城市照明的維護成本。

        在這樣的背景下,我們借鑒了國內和國際上最新的自動控制和節能管理技術,集多年自動化系統產品研發和工程實施的經驗,依據路燈節能與管理要求,采用了先進的嵌入式控制器技術、GPRS/CDMA/GSM 網絡數據傳輸技術、網絡監控和管理技術,成功開發了基于物聯網技術的無線傳感器網絡(WSN)路燈節能管控系統。

        無線傳感器網絡在路燈監控方面應用的產品還不多見,其特點非常適合路燈的監控要求,將無線傳感器網絡的節點與路燈檢測、調光、控制集成在一起,實現對每個路燈的單獨控制,通過無線傳感器網絡的自組網實現對所有路燈的遠程節能監控。因此WSN路燈節能和控制系統實現了路燈全面智能化,實現了“分時”、“分路段”、“分情景”的合理光源分布;各種節能手段的綜合運用,實現了路燈精確管理,可實現30%以上的路燈節能效果,對于提高能源利用效率,緩解能源緊張狀況具有重要意義。

        二、系統結構

        系統由三部分組成:計算機路燈控制和管理中心,路燈監控終端及RTU。

        計算機路燈控制和管理中心通過 GSM/GPRS/CDMA方式與分布在各地的路燈監控終端通信,實現區域或城市的路燈控制;路燈監控終端作為一個路段路燈控制和管理單元,并通過WSN無線通信方式與每一個路燈節能控制器通信,實現路段的路燈控制;RTU控制和監視每一個路燈的亮、滅并與路燈監控終端和路燈監控管理系統構成路燈監控和節能監控系統,實現控制、監測和管理的功能,結構原理如圖1所示。

        三、 系統功能

        1、路燈監控和管理中心

        路燈監控管理系統是以Linux操作系統平臺為基礎,以數據庫為核心,以路燈監控和管理應用軟件包為工具,以 GPRS/CDMA/GSM 或其他傳輸方式為遠程數據通信網絡,集監視、控制、管理功能為一體的一個分布型網絡結構的計算機監控和管理系統。實時數據庫管理系統具有快速的響應速度,能很好地滿足路燈系統實時性的要求,其完善的數據庫定義、查詢工具和良好的用戶界面,使用戶能夠靈活方便地對數據庫進行離線或在線的修改、擴展和定義。系統具有友好的人機界面和完善的圖形數據處理功能,方式靈活、簡單。地理信息(GIS)圖形處理系統使操作人員可以在屏幕上實現圖形的縮放、平移、導航及各種監視、操作、修改和定義功能。 整個系統具備的功能如下:

        1. 具備五遙(遙控、遙訊、遙調、遙視、遙測)功能。
        2. 系統同時兼容回路控制和單燈控制。
        3. 單燈控制可實現路燈壽命預測,精確計算亮燈率。回路控制估算亮燈率。
        4. 可測量單燈或回路的電壓、電流、功率因素,有功功率。
        5. 系統具有電纜防盜,路燈故障通過手機和監控中心的報警功能。能生成故障碼,方便維修。
        6. 有監測道路車流量的功能的擴展接口。
        7. 可在現場或通過監控中心設置單桿調光率或回路調光率。
        8. 軟件能做節能量分析并提供相關報表。
        9. 中心軟件留有公眾熱線整合報修接口,可匯總故障報修狀況,可生成維修工單及維修結果確認單。可生成最佳的維護策略或維護路線。
        10. 可生成維修明細。報告耗材(路燈、電容、鎮流器等)庫存狀態。有綜合管理等辦公自動化功能,實現總公司對分公司的通過互聯網的實時管理。
        11. 具備通過視頻和負荷監控實現指揮及維修調度功能,可聯動對應的管理攝像機。
        12. 詳細記錄開關燈時間,方便節能量計算。
        13. 控制系統失效時,能無條件保障照明。
        14. 對白天意外亮燈、晚上意外熄燈、遠程控制器故障、配電箱門開關不正常,電壓電流超限和供電線路停電可報警。
        15. 單燈和回路終端盒獨立運行,現場控制,提高開關燈的可靠性。

        2、路燈監控終端

        1)特點
        l GPRS/CDMA/GSM 移動網絡通信連接,支持手機短信功能,實時發送多種報警信息
        l 高性能嵌入式微處理器技術,先進的電能測量計量專用芯片,大容量存儲器技術
        l 通訊距離:50-200米
        l 自診斷和自恢復功能
        l 斷電數據保持功能
        l 遠程或就地自動調壓實現路燈的亮燈、暗燈的節能控制
        l 無線路由節點通信連接功能,實現與單燈節能控制器的通信
        l 可選的就地彩色LCD圖形顯示和操作鍵盤功能

        2)結構

        采用戶外機箱安裝結構,可以直接安裝在戶外路燈變壓器的安裝平臺上和電桿柱上,也可以直接安裝在路燈配電控制箱內。由測控通信模塊、圖形顯示和通信控制器(選件)GPRS/CDMA模塊、無線線路由節點通信模塊,電源模塊、接線端子和機箱組成。

        3)功能

        數據記錄功能
        l 可以按分鐘、小時、天、周、月記錄和保存各種連續記錄數據和最大最小值數據
        狀態監視功能
        l 開關量輸入可以監視路燈的開關以及節能控制器的狀態
        控制輸出功能
        l 開關量輸出可以控制路燈開關和節能控制器等
        通信功能
        l GPRS/CDMA/GSM 網絡通信實現遠方數據招喚傳送、定時傳送、越限報警/變位傳送和遠程控制命令傳送功能
        短信息報警
        l 檢測到報警事件時,將主動發送短信息給預先指定的手機。
        l 圖形顯示和通信控制器后,可以實現路段內路燈就地的圖形、數據、狀態、報警顯示,操作和維修工程師可以在就地通過圖形顯示器和鍵盤對路段內的路燈進行操作控制,檢驗和維護工作。

        四、 特點及技術優勢

        傳統路燈管理系統通過鋪設控制電纜或者采用電力載波的形式進行路燈控制。其構成框圖如下所示

        傳統路燈管理系統結構原理圖

        1、技術比較
        l 傳統路燈管理系統達到控制目的需要對控制回路進行線路,無線傳感器網絡路燈管理系統全部采用無線方式,不需要敷設線路。
        l 傳統路燈管理系統很難實現單燈控制,無線傳感器網絡路燈管理即可以實現回路控制也可以實現單燈控制。
        l 傳統路燈管理系統可以定時按照程序控制開關,無線傳感器網絡路燈管理即可以實現按照程序進行控制,也可以根據室外照度控制。

        2、經濟比較
        1、傳統路燈管理系統建設費用高、建設周期長、日常維護費用大。傳統路燈管理系統建設費用高以一個2000個路燈系統,20個回路控制的建設為例,傳統路燈控制系統的直接建設成本約為60萬。采用無線傳感器網絡路燈管理系統的直接建設成本約為30-50萬

        2、采用無線傳感器網絡路燈管理系統節能效果好

        (1) 提高亮燈率:系統投運后可以隨時發現路燈運行中出現的問題,隨時處理,提高亮燈率。
        (2) 節約能源,減少電費支出:在系統投入使用后,可在深夜行人稀少和交通量減少的情況下,執行“隔一亮一”、“隔二亮一”、“隔三亮一”的照明方式,既給夜間出行的行人帶來主便又能節約大量的電費支出。在實現單控后,最少節能40%。
        (3) 延長燈具壽命:采用路燈智能控制終升高的情況下。據測試,正常電壓(220V)情況下,鈉燈電壓為100V,電壓升高后(230V-240V),鈉燈電壓可升至120V-150V;正常電壓環境下降壓節能運行后,鈉燈電壓一般為85V,電壓升高環境下,鈉燈電壓可保持在100V左右。從理論和實際使用環境,采用調壓控制節能可以延長路燈使用壽命。
        (4) 節約人力、物力,提高管理水平:由于可實時監控每盞路燈、每個路段及亮化工程點工作狀態,計算機可以及時對故障進行匯總,寫入數據庫,以便次日進行維修;利用動態實時模擬顯示屏,監視全區路燈,值班員在中央控制室就可以概覽路燈現場運行情況,從而減少巡燈的維護成本和減輕巡檢人員工作強度,大大提高工作效率。另外,在惡劣天氣時,根據各路燈控制智能終端采集的數據情況加以分析,采取相應緊急措施,避免交通事故的發生。
        (5) 對于太陽能LED路燈,除了通常具備路燈電流、電壓檢測功能外,還能夠檢測電池的充放電電流、電壓、電池的容量,特別是還可以檢測LED燈頭的溫度,這對保證LED的照度、延長LED的使用壽命具有十分重要的意義。

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