談城市照明控制

談城市照明控制

鄭州市市政工程勘測設計研究院    魏文信

一．室外照明控制

1. 室外照明控制的發展

室外照明是城市重要的基礎設施，我國室外照明控制技術經過近三十年的發展，從過去簡單的無線電臺技術發展到今天的網絡通信技術，從早期的遙控、遙測、遙信等“三遙”系統逐步演變到“遙控、遙測、遙信、遙視、遙調”的“五遙”系統。室外照明控制已經融入互聯網和移動通信網，通過GPRS通用分組無線服務技術，使室外照明控制進入新的蓬勃發展時期。

2.照明控制分類

①單燈控制：對每盞照明燈進行控制，多用在路燈減光控制；

②分組控制：以照明燈所接同一線路為一組，或并聯若干照明線路為為一組進行控制。多用在路燈、隧道燈、橋梁燈等控制；

③區域控制：以功能區域內照明燈為一區域進行照明控制。多用在景觀照明、園林照明、廣場照明、體育場館照明等照明控制；

④集中控制：把若干分組控制、區域控制的照明燈(如路燈、景觀燈等)進行統一控制。

⑤智能控制：集中控制+“internet、GSM、GPRS”無線通信技術，實現 “五遙”，即目前最先進的智能照明控制。

3.室外照明控制方式

手動控制：人工通過調節電位器或開關將控制信號直接傳送給調光電器?？蛇B續調光。應用廣泛；

電力載波控制：控制信號由載波發射器發出，經電源線傳輸到載波接收器，轉變為相應的信號再送給控制電器，改變燈功率，實現調光，主要用在路燈等長線路照明控制。

時鐘控制，燈接通電源時，計時器開始計時，到某一設定時間輸出一定值信號，改變燈功率。主要用在路燈定時調光；

光電控制：根據光電感應，按白天和夜晚亮度變化，輸出一定值信號給調光電器?？啥üβ收{光，用于室外照明、室內照明、工礦照明、農業照明等；

遠紅外感應控制：根據檢測到的人體遠紅外變化輸出一定值信號給調光電器?？啥üβ收{光（單級調光）。用在超市、倉庫、加油站、停車場等。

自動控制：按照預先設定的程序，實現燈光定時開啟控制、調光控制、節能控制。主要應用在大中型照明工程及要求有燈光變化的景觀、廣告照明工程。

經緯度控制：綜合采用電力電子技術、計算機技術、通訊技術等多種高科技技術，按照一年四季太陽升落的時間及各地所處的經緯度，自動模擬當地的日照規律，實現對照明設備的自動控制。主要用在區域照明、城市照明等大規模照明工程。

互聯網(Internet)：因特網，又叫做國際互聯網，是網絡與網絡連成的龐大網絡。它是由使用公用語言互相通信的計算機連接而成的全球網絡，連接到任何一個節點上，計算機就連入Internet網上了。

移動互聯網：將移動通信和互聯網二者結合起來，成為一體。廣義移動互聯網指用戶可以使用手機、筆記本等移動終端通過協議接入互聯網；狹義移動互聯網是指用戶使用手機終端通過無線通信的方式訪問采用了WAP技術的網站，應用于GSM、CDMA、TDMA、3G等多種網絡。

物聯網：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。       

WAP：為無線應用協議，是一項全球性的網絡通信協議。WAP使移動Internet 有了一個通行的標準，其目標是將Internet的豐富信息及先進的業務引入到移動電話等無線終端之中。

GSM: GSM是全球移動通信系統(Global System for Mobile communications) 的簡稱，源于歐洲的無線通信技術, 是當前應用較為廣泛的移動電話標準。當前我們用的移動和聯通的網絡就是GSM制式。

CDMA：是指一種擴頻多址數字式通信技術，多路信號只占用一條信道，極大提高帶寬使用率，應用于800MHz和1.9GHz的超高頻(UHF)移動電話系統。為給4G系統讓出頻率，包括中國等多國已決定放棄CDMA。

GPRS：GPRS是通用分組無線服務技術的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務，屬于第二代移動通信中的數據傳輸技術。GPRS是GSM的延續。用在照明控制系統，可對照明設備和設施進行無線“三遙”控制。

Zigbee：是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。它由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個Zigbee網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75m無限擴展其通信。質量優于載波通信。

智能照明控制：應用計算機技術和通信網絡技術，對大中型和重要的照明工程如城市照明等進行智能化控制。傳輸方式有無線、有線和無線、有線混合三種基本方式。以各智能控制系統作為獨立的系統，采用國際標準的通信接口和協議，納入局域網、城市網的系統或樓控網系統中。監控中心電腦、手機可以通過互聯網、移動互聯網、電力載波等與監控終端實現無線通信，實現室外照明的“五遙”監控。

表-1  LED路燈調光路燈控制器

注：本表根據品能光電技術(上海)有限公司資料繪制。

二．室外照明現有通信及控制

1.通信及控制方式

低頻段傳統數傳電臺：建發射塔，覆蓋范圍有限，申請專用頻段，抗干擾較差；

電力載波通信：借用路燈配電線路，抗干擾性差，低可靠性。無配電線路的太陽能路燈、風光互補路燈、景觀燈、廣告燈等不能采用；

互聯網：作為中心級系統(監控中心)與中間級系統(箱變等)通信平臺；

移動互聯網：作為手機與中間級通信平臺；

Zigbee網絡：為微功耗短程無線通信，組網靈活，可中繼，擴容簡單。使用2.45GHz公用ISM頻段，抗干擾強。與GPPS/CMA/WIFI/LAN可無縫對接。免執照頻段，無網絡使用費；

GPPS網絡:分組組網靈活，網絡覆蓋率高，實現單燈控制系統成本較高。

2.主要通信及控制系統

電力載波通信(PLC)方式；

Zigbee無線通信方式。

三．道路照明控制

1.“智慧路燈”控制系統   

路燈監控系統一般由監控中心、GPPS/INTERNET無線通信傳輸網絡、監控終端(如箱變)、路燈監控末端及應用軟件等組成。監控中心電腦、手機可以通過互聯網、移動互聯網與監控終端實現無線通信，監控終端與路燈監控終端實現無線或電力載波通信。這些通信方式把監控電腦或手機與路燈終端聯系起來，控制路燈的運行和管理，同時把路燈、箱變等的電壓、電流、開關狀態等上傳給監控中心。

以廣州中國科學院軟件應用技術研究所研發的“智慧路燈”為例，介紹路燈控制系統構成和原理。

智慧路燈是指通過應用先進、高效、可靠的電力線載波通信技術和無線GPRS/CDMA通信技術等，實現對路燈的遠程集中控制與管理，具有根據車流量自動調節亮度、遠程照明控制、故障主動報警、燈具線纜防盜、遠程抄表等功能，能夠大幅節省電力資源，提升公共照明管理水平，節省維護成本。

圖-1  廣州中科“智慧路燈系統示意圖”       

智慧路燈控制系統融合電力載波和3G通信、物聯網和云計算等前沿技術，具有智能感應調光、燈具防盜、故障報警、設備狀態參數監控、自動遠程抄表、電子地圖定位等功能，可有效實現節能減排和減少運維成本，實現路燈照明燈具的智能化、精細化管理。

①云控制中心：由計算機、數據庫服務器、打印機、顯示輸出設備、報警設備等組成。用戶通過操作電腦、手機等客戶終端軟件，通過3G internet網絡到集中控制器或節點控制器，對照明燈具進行管理，實現監控管理、數據統計、信息查詢、參數配置和用戶管理功能。

②集中控制器：集中控制器安裝在箱變、照明箱等處。通過互聯網接收云控制中心指令，并將路燈運行電氣參數上傳到云控制中心。通過電力載波對節點控制器下傳云控制中心指令，接收節點控制器經電力載波傳來的路燈電氣參數。

③小型節點控制器：安裝在路燈處的控制設備，監測路燈工作狀況，接收指令，驅動照明燈開關并調光，同時支持PWM調光和電壓調光。

④視頻車輛檢測器：安裝于路側的路燈桿上，將采集的交通信息采用移動通信網絡/Wi-Fi等無線通訊方式發送出去?？蔀槁窡艨刂坪驼{光、交通管理提供可視化圖像、提供實時交通狀況信息。

⑤通信系統：云控制中心的計算機或手機通過互聯網/移動通信與集中控制器進行無線通信。集中控制器至節點控制器用電力載波進行有線通信。

2.基于Zigbee技術的智能路燈控制系統

上海順舟網絡科技有限公司推出的“基于Zigbee技術的智能路燈控制系統”，是實現全程無線通信的路燈照明控制系統：

監控中心：由“計算機+互聯網/GPPS/串行口”組成，包括服務器、大屏幕投影顯示設備、路燈智能測控系統軟件及WEB服務器、打印機等設備，負責實時監控由路燈控制節點上傳的路況和周圍環境信息、查詢工作記錄和對路燈進行有效的實時控制。

集中控制器：由“GPPS數傳終端+Zigbee子網協調器”組成，位于監控中心與路燈控制節點之間，實現Zigbee信號與GPRS信號的轉換。向上經互聯網/GPPS進行雙向通信，接收監控中心指令，發送路燈、開關等狀態信息。向下通過Zigbee通信協議方式同路燈控制節點進行無線通信，接收信號和發送指令。約200個路燈配置一個警鐘控制器；

路燈控制節點：Zigbee路燈監控器位于路燈處，由Zigbee無線模塊、核心控制板、人流傳感器、LED路燈等組成。通過Zigbee接收監控中心指令，進行開關控制和亮度調節；上傳路燈及開關的運行數據。

通信：路燈控制全程實現無線通信：通過互聯網/GPPS，在監控中心與集中控制器間以分組無線方式進行無線通信。通過Zigbee系統，在集中控制器與控制節點間進行無線通信。GPPS信號與Zigbee在集中控制器進行轉換。

       圖-2  上海順舟“基于Zigbee技術的智能路燈控制系統”

四．樓體景觀照明控制

以中易物聯“樓體景觀照明控制”為例，簡介單體樓體景觀照明控制：

應用層：用計算機/用手機等通過互聯網/移動互聯網向樓宇景觀照明控制中心發出指令，監控照明設設施運行狀態；

網絡層：通過互聯網/移動互聯網，把指令無線傳輸給樓宇景觀照明控制中心的的樓宇照明管理服務器等，通過GPRS無線發出照明控制信息，回傳照明設施運行信息給照明管理服務器等；

感知層：各智能照明控制器、云終端控制器ZE-ZPRS安裝在相應照明設備前端，接收通過GPRS無線傳來的照明控制信息，進行上下級通信。開啟或關閉樓宇照明設施，向網絡層傳回照明設施運行狀態信息；

設備層：根據需要設置的樓體景觀照明、廣告照明等設備和設施，其配電箱內開關根據感知層信息進行動作。

圖-3  中易物聯“樓體景觀照明控制系統”

四.景觀照明控制 

以北京嘉復欣“GF-LCS6008-NCC4路景觀照明控制器”為例(另有8路等產品)，簡介景觀照明控制：

圖-4  北京嘉復欣“景觀照明控制系統”

應用層：監控分中心計算機的指令通過互聯網發向城市照明管理云平臺，進而分組分別發向各景觀照明控制器；或用手機經移動互聯網分組發向各景觀照明控制器，監控照明設施運行狀態；

網絡層：互聯網、移動互聯網、城市照明管理云平臺，把照明指令分別無線發送到各種照明控制器，回傳設施運行信息；

感知層：為橋梁、廣場、噴泉、景觀燈等景觀照明控制器，安裝在相應景觀照明配電箱處。無線接收上級照明指令，控制景觀照明設備按程序動作，把景觀照明設備運行電氣參數回傳到城市照明管理平臺；

設備層：根據需要設置的橋梁、廣場、噴泉、景觀燈等照明設施。

五．城市照明智能控制方案

為貫徹部頒“城市照明管理規定”，應采用城市照明智能控制，改變以往城市照明多頭管理、浪費電能、處理故障遲緩、誘發交通事故等亂象，對于加強文明城市建設、改善城市治安起到促進作用。

以往城市照明監控系統種類較多，自成體系，互不兼容，阻礙先進技術的推廣應用。“CJJ/T 227-2014 城市照明自動控制系統技術規范”已經頒布，城市照明智能控制必將得到規范和提高。

城市亮照明監控系統，應采用全模塊化設計，擁有標準數據接口，兼容性良好，系統功能完善、維護管理便捷。其結構應主要由遠程控制器、燈光控制模塊等和遠程燈光控制管理軟件組成，基于互聯網、移動互聯網及GPRS無線公共網絡進行遠程控制，城市路燈和景觀燈的開/關控制均可實現遠程或者自動控制。

學習領會規范精神，參考金智慧、中易物聯、嘉復欣等知名城市照明控制廠家的產品控制系統，提出城市照明智能控制方案：

1.中心級系統

中心級系統設備一般置于城市照明控制中心，負責對全市的道路照明、橋梁隧道照明、景觀照明、廣告照明等進行智能控制和管理。

中心級系統由計算機、數據庫服務器、通信設備、顯示輸出設備、報警設備及光照度計等硬件和將計算機集成、智能控制、通信、圖像處理、地理信息、衛星定位等相關技術融合運用的相關軟件組成，應具有數據采集和處理、控制、運行管理、檢測、調度等功能。

中心級系統應能控制中間控制器和終端模塊，設置參數，下達控制指令。收集中間級、終端級設備運行參數，具備單控及群控功能?？蛇M行人機界面報警或聲光報警。進行遠程的控制和管理。

照明監控系統調度端采用前、后臺機連網工作方式。前臺機作為監控工作站承擔遙測、監控、調度等工

作，后臺機平時自動備份前臺機的數據。前臺機出現故障時，可以隨時切換到后臺機工作。

具備查詢和打印功能。

用3GPRS/CDMA等方式經互聯網進行遙控，操作平臺可安裝在電腦、手機上。

有時受照明控制系統控制節點數量限制(一般約1萬個控制節點)，或因行政區劃影響等，一個城市可以分設幾個照明控制中心。建議以城市行政區為單位，屬地為主，設置照明智能控制系統。

2.中間級系統

根據照燈分布特點，對其進行合理分組：路燈、隧道燈、橋梁燈等宜按配電線路分組；景觀燈、園林燈、廣場燈、體育場館燈等宜按區域分組。各組照明燈的配電設施即是中間級系統的基本控制單位。

中間級系統設備一般置于照明箱變、照明配電箱(盤)等照明配電線路的首端。

中間級系統由中間控制器、調光器、簡單的輸入輸出設備、通信設備等硬件和嵌入式軟件組成，能夠上傳數據并接受中心級系統下發的參數和命令。

中間級系統根據需要配置控制照明燈的線路開關。把線路電氣參數實施監測并上傳中心級，把中心級指令下傳給終端級。

中間級系統宜使用單相供電，中間控制器消耗功率不大于20kVA。停電后有后備電池保持正常通信。

中間級系統至終端級系統，也可酌情采用電力載波通信。

5.中間控制器

中間控制器安裝在照明箱變、照明配電盤、照明箱等處，具有自動控制照明線路的運行狀態、采集運行數據，并有與中心級系統進行數據交換等功能。

3.終端級系統

終端級系統模塊可安裝在路燈鎮流器內，或安裝在照明設施小配電板、燈架、燈柱等處，要求防水、防盜。

由終端集中器及其所轄的終端模塊等設備組成的，能夠上傳數據并接受中心級系統下發的或中間級系統轉發的運行參數和命令，負責對照明施的運行監測與控制的系統。

終端集中器和終端模塊安裝在若干集中燈具或一只燈具處。

終端集中器具有收集和儲存終端模塊的數據，并能通過中間控制器或直接與中心級系統進行數據交換等功能的設備。

終端模塊是具有傳感或控制功能的設備組件。

對于HID路燈和景觀燈，可實現定時、光電、半夜減光等模式，實現加強治安、方便交通、節約能源目標?？蓪θ我庖槐K燈進行開關控制和調光。

對于LED路燈和景觀燈，控制中心宜僅控制其開關，終端模塊預置一般、假日、重大節日模式，進行調光或調色，達到節約能源、活躍城市夜晚燈光環境?？蓪θ我庖槐K燈或一組燈進行開關、調光調色及變化模式進行控制。

圖15-5  上海順舟“城市智能照明系統示意圖”

4.通信系統

城市照明監控通信系統可分為有線(光纜、電力線等)和無線(專用無線數據傳輸系統和借用共用信息平臺)兩種。因城市照明監控通信系統監控點多且比較分散，施工和維護費用高、難度大，采用公用無線通信成為主流和發展方向。

中心級系統至中間級系統應采用互聯網或移動互聯網，以 GPPS組發無線方式進行通信。

中間級級系統至終端級系統宜采用Zigbee無線系統，或采用電力載波系統。

設備間通信宜采用RS485接口，雙絞線(或屏蔽雙絞線)電纜傳輸，組網方便，通用性強，可遠距離通信。

7. 視頻車輛檢測

根據各地具體情況，選擇性安裝視頻車輛檢測系統。視頻車輛檢測器安裝于路側的路燈桿上，將采集的交通信息采用移動通信網絡等無線發送至中心級系統或交通管理部門，供有關部門管理和決策使用。

8.推薦城市智能照明系統

城市道路照明、景照明、廣告照明及城市智能照明的控制系統很多，各自都有很多特點，照明工作者可根據當地照明現狀、經濟發展水平、地理特征等選用合適的照明系統。

筆者推薦上海順舟網絡科技有限公司推出的“基于Zigbee技路燈術的智能控制系統”，這是一個全程無線通信的路燈照明控制系統，見“圖15-12-5  城市智能照明系統示意圖”。