智慧照明及亮化工程控制系統(tǒng)探究

智慧照明及亮化工程控制系統(tǒng)探究浙江省杭州市310000摘要：近年來，在新型智慧城市建設(shè)期間，傳統(tǒng)亮化工程存在智能化程度低電能損耗大、維護困難、控制手段單一的問題，難以滿足城市公共照明需求。基于此，為持續(xù)提升城市公共照明管理水平，本文對智慧照明及亮化工程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、開發(fā)設(shè)計策略進行深層次探究，為我國智慧城市的建設(shè)發(fā)展提供思路。關(guān)鍵詞：智慧照明；亮化工程；控制系統(tǒng)；開發(fā)設(shè)計一、智慧照明及亮化工程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)智慧照明及亮化工程控制系統(tǒng)架構(gòu)由終端層、感知層、硬件層、通信層、控制層以及應(yīng)用層組成，各層次分工明確，相鄰層間保持緊密的耦合關(guān)系，共同構(gòu)成穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。其中，終端層由路燈、室內(nèi)等、景觀燈等城市照明節(jié)點組成負責(zé)執(zhí)行云服務(wù)器或后臺管理系統(tǒng)傳達的控制指令，調(diào)整燈具運行負荷與照明亮度。感知層由所安裝的溫度傳感器、攝像頭、能耗計量器、光傳感器等信息傳感裝置組成，負責(zé)感知照明終端節(jié)點的實時運行狀態(tài)與周邊環(huán)境，采集環(huán)境溫度、光源亮度、自然光亮度等要素信息，向控制中心反饋現(xiàn)場監(jiān)測信號與拍攝的圖像視頻資料。硬件層由集中控制模塊、配電箱與通訊模塊等硬件設(shè)備組成，向控制系統(tǒng)提供多元化的使用功能，如使用通訊模塊將現(xiàn)場監(jiān)測信號經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳至集中控制器。通信層由GPRS廣域網(wǎng)和ZigBee區(qū)域網(wǎng)組成，負責(zé)將現(xiàn)場監(jiān)測信息上傳至應(yīng)用層，再將控制層下達的控制指令傳達至硬件層?？刂茖佑捎媱澘刂?、最優(yōu)化控制、模糊推理控制、場景控制等模塊組成，基于程序運行準則對上傳數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測信號進行邏輯分析處理，準確判斷智慧照明及亮化工程實時運行狀況，在用戶界面以圖表曲線形式集中顯示。同時，根據(jù)城市照明需求評估結(jié)構(gòu)，輔助人工或智能制定控制決策，下達具體的控制指令。應(yīng)用層由GIS地理信息系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析決策系統(tǒng)等高附加值模塊系統(tǒng)加以組成，負責(zé)開展數(shù)據(jù)加工、聚類分析、有用數(shù)據(jù)提取等操作。2、功能配置結(jié)構(gòu)參考國內(nèi)外成熟的智慧照明及亮化工程控制系統(tǒng)案例來看，為滿足實際的城市公共智慧照明需求，需要在控制系統(tǒng)中開發(fā)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、智能調(diào)光、自動報警等使用功能。其中，數(shù)據(jù)采集功能負責(zé)持續(xù)對終端設(shè)備與周邊環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，監(jiān)測要素包括光照強度、電流值、路燈電壓、光源亮度、車流量與人流量等。數(shù)據(jù)傳輸功能負責(zé)將所采集信息數(shù)據(jù)上傳至后臺管理系統(tǒng)與移動終端設(shè)備，以及將所制定控制指令傳輸至終端設(shè)備。數(shù)據(jù)分析功能通過數(shù)據(jù)邏輯運算結(jié)果來判斷系統(tǒng)實時運行狀況，如將設(shè)備電流電壓量測值與額定值對比分析，如果出現(xiàn)超限問題，表明設(shè)備或系統(tǒng)存在運行故障，根據(jù)分析結(jié)果來判斷故障類型。智能調(diào)光功能依托控制系統(tǒng)的全局節(jié)點獨立控制方式，由管理中心根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果制定控制指令，調(diào)整終端設(shè)備的運行狀態(tài)及方式，如調(diào)整路燈運行負荷、光源亮度、照明模式。此外，為保持智慧照明及亮化工程穩(wěn)定運行，提高維護管理效率，還需在控制系統(tǒng)中開發(fā)故障自動報警、歷史數(shù)據(jù)查詢、故障診斷等使用功能。如此，在系統(tǒng)運行期間檢測到異常狀況或異常數(shù)據(jù)時，基于程序準則自動開展故障診斷工作向用戶發(fā)送報警信號，準確判斷故障類型、產(chǎn)生原因與鎖定故障點位，為設(shè)備檢修計劃的制定提供輔助決策。二、智慧照明及亮化工程控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1、無線通信組網(wǎng)技術(shù)1.1ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采取樹狀或是網(wǎng)狀的拓撲結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)體系由信息終端、路由、協(xié)調(diào)器三部分組成，信息終端持續(xù)采集系統(tǒng)運行期間產(chǎn)生的實時信息數(shù)據(jù)，路由起到增加網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點數(shù)量的作用，協(xié)調(diào)器負責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)以及分配地址。與其他通信組網(wǎng)技術(shù)相比，ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)容量大、休眠-喚醒響應(yīng)速度快、運行功耗低的優(yōu)勢，響應(yīng)速度達到毫秒級。然而，這一網(wǎng)絡(luò)存在無法直接接入因特網(wǎng)等技術(shù)局限性，在智慧照明亮化工程控制系統(tǒng)中多用于中近距離數(shù)據(jù)傳輸。1.2GPRS通信技術(shù)GPRS通信屬于一種無線分組交換技術(shù)，負責(zé)提供廣域端到端無線IP連接服務(wù)。與早期的GSM系統(tǒng)相比，GPRS通信網(wǎng)絡(luò)新增網(wǎng)關(guān)支持以及服務(wù)支持節(jié)點，具備多元化通信功能，可以滿足不同應(yīng)用場景下的通信傳輸需求，如外部分組交換網(wǎng)數(shù)據(jù)通信使用功能。根據(jù)實際應(yīng)用情況來看，GPRS通信網(wǎng)絡(luò)自控制系統(tǒng)的感知層獲取現(xiàn)場監(jiān)測信號，基于GPRS通信協(xié)議依次向GSM基站與SGSN系統(tǒng)傳輸，經(jīng)過GPRS骨干網(wǎng)與GGSN保持通信狀態(tài)，將所傳輸信息數(shù)據(jù)經(jīng)過處理好后提交至因特網(wǎng)制定端號口，最終發(fā)送至云服務(wù)器。與其他通信技術(shù)相比，GPRS技術(shù)相對較為落后，數(shù)據(jù)傳輸速度較低，但硬件結(jié)構(gòu)配置簡單，前期建設(shè)成本低廉，適用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量較少的小型智慧照明及亮化工程。在智慧照明工程投運使用期間，可選擇配置4G通信模塊或5G通信模塊來替代GPRS通信模塊，以提升數(shù)據(jù)傳輸速度。2、云技術(shù)在早期智慧照明及亮化工程中，普遍選擇在物理服務(wù)器基礎(chǔ)上構(gòu)建虛擬服務(wù)器，將系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)存儲在物理硬盤上，組建一支規(guī)模龐大的技術(shù)團隊負責(zé)開展部署操作等工作，系統(tǒng)實際運行成本較為高昂，缺乏有效的安全措施，硬盤可靠性較差，且定期支付額外成本用于升級硬件，存在明顯的技術(shù)局限性。與此同時隨著智慧照明及亮化工程組網(wǎng)規(guī)模的擴大，如果仍舊采取傳統(tǒng)的物理服務(wù)器組網(wǎng)方式，將大幅提高控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計與運營成本，且數(shù)據(jù)處理能力提升幅度有限，難以滿足實際的控制需要。因此，需要在智慧照明及亮化工程控制系統(tǒng)中應(yīng)用云技術(shù)，由集群方式構(gòu)建虛擬服務(wù)器來替代物理服務(wù)器，采取冗余存儲與集群計算方式，將數(shù)據(jù)處理任務(wù)進行分解處理，同時由多臺服務(wù)器處理數(shù)據(jù)信息，再將多個處理結(jié)果聚合處理，在高效完成數(shù)據(jù)處理與存儲任務(wù)的同時，使用大量的低配機器獲取與超級計算機相似的使用性能。例如，在智慧照明系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化調(diào)度應(yīng)用場景中，基于云平臺的異步漸進動態(tài)遷移算法以及自適應(yīng)優(yōu)化分配算法，在短時間內(nèi)獲取計算結(jié)果，制定與下達節(jié)能優(yōu)化調(diào)度指令。與傳統(tǒng)服務(wù)器相比，云服務(wù)器具有云盤數(shù)據(jù)存儲可靠、可自動宕機遷移、具備木馬查殺與DDos防護多項安全防護功能、自動配置與隨時升級硬件結(jié)構(gòu)、運維成本低廉、兼容擴展性強等優(yōu)勢。3、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸擴展構(gòu)成的互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)體系，組合應(yīng)用到射頻識別、紅外感應(yīng)、GPS定位等多項技術(shù)，控制系統(tǒng)中的信息傳感裝置與終端照明裝置保持互聯(lián)互通與信息交換狀態(tài)，具備基礎(chǔ)照明設(shè)施智能識別、監(jiān)控、遠程控制、軟啟動、自動保護等多元化使用功能。在智慧照明及亮化工程控制系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心優(yōu)勢在于，通過系統(tǒng)內(nèi)配置的信息傳感裝置，自動感應(yīng)外部環(huán)境變化情況，智能評估照明需求，根據(jù)實際運行情況與自身狀態(tài)自動切換至特定的工作方案，維持智慧照明系統(tǒng)最佳運行狀態(tài)，無需調(diào)度人員開展大量的狀態(tài)設(shè)定操作。三、智慧照明及亮化工程控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計1、硬件電路設(shè)計控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計要點如下：第一，明確設(shè)計思路。考慮到智慧照明及亮化工程運行期間普遍存在調(diào)光精度不佳、路燈亮度調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢的問題，致使照明系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的能源損耗。因此，需要在硬件電路框架中配置路燈節(jié)點控制器、ZigBee協(xié)調(diào)器、GPRS模塊、集中控制器。在控制系統(tǒng)運行過程中，由路燈節(jié)點控制器完成現(xiàn)場監(jiān)測信號采任務(wù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)依次傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器、集中控制器與GPRS模塊，最終反饋至后臺管理中心，在用戶界面上集中顯示，為調(diào)度控制計劃及執(zhí)行的制定提供信息依據(jù)。第二，路燈節(jié)點控制器設(shè)計。為實現(xiàn)運行參數(shù)量測值實時上傳、電源轉(zhuǎn)換、現(xiàn)場監(jiān)測信號采集等使用功能，路燈節(jié)點控制器硬件電路框架以微處理器為核心，分布功率采集、光強采集、電源轉(zhuǎn)換、車流量感應(yīng)、路燈關(guān)閉等外圍電路。以光強采集電路設(shè)計為例，以光強傳感器為電路核心，傳感器與時鐘信號線及數(shù)據(jù)線連接，傳感器采集光照強度監(jiān)測值，經(jīng)由IIC總線傳輸至微處理器，電路的數(shù)據(jù)信號引腳與時鐘信號引腳分別與微處理器的一處I/O引腳連接，提前在下位機程序內(nèi)定義IIC讀寫時鐘。第三，ZigBee協(xié)調(diào)器電路設(shè)計。將微處理器作為電路框架核心，與集中控制器電路連接多處引腳，設(shè)計仿真器接口電路，在微處理器內(nèi)存通電下載ZigBee協(xié)議。如此可以起到協(xié)調(diào)器自動組網(wǎng)和聯(lián)通路燈節(jié)點控制器以及集中控制器的作用。第四，集中控制器電路設(shè)計。配置STM32微處理器作為集中控制器的處理芯片，在芯片中設(shè)置一定數(shù)量的USART串口，通過串口與電源電路、FFLASH電路、仿真電路、啟動模式控制電路等外圍電路保持連接，以聯(lián)通GPRS網(wǎng)絡(luò)以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)。第五,GPRS模塊電路設(shè)計。GPRS模塊電路框架由處理芯片和電源電路、SIM卡電路、復(fù)位啟動電路、RS232電路四處外圍電路組成，負責(zé)實現(xiàn)無線遠程數(shù)據(jù)傳輸作用，經(jīng)過端口向后臺管理中心上傳現(xiàn)場監(jiān)測信號與環(huán)境數(shù)據(jù)。2、軟件開發(fā)智慧照明及亮化工程控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)由GIS地理信息系統(tǒng)模塊、終端控制模塊、燈具實時監(jiān)控模塊、故障診斷專家系統(tǒng)模塊、云服務(wù)器、智慧照明系統(tǒng)APP、統(tǒng)計決策支持模塊等部分組成。以終端控制模塊設(shè)計為例，同時設(shè)置直接控制、場景控制、時控計劃控制三種方式。其中，直接控制是通過上位機對轄區(qū)內(nèi)路燈節(jié)點控制器下達控制指令，以調(diào)整照明單元或單獨照明燈具亮度的控制方式。場景控制是提前在系統(tǒng)程序中預(yù)設(shè)不同工作方案，控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境信息與監(jiān)測信號，判斷所處環(huán)境狀況與照明需求，以若干路燈節(jié)點控制器為一個組合，自動調(diào)整組合內(nèi)各燈具的照明亮度、照明方式與運行負荷，切換至不同的工作方案。時控計劃控制是提前在系統(tǒng)中提交未來一定時間段或特定時間段的調(diào)光方案，系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測信號與信息處理結(jié)果，判斷是否滿足預(yù)設(shè)調(diào)光計劃的觸發(fā)條件，如在日落時間切換照明模式，實現(xiàn)日出滅燈與日落滅燈的智慧照明控制目標(biāo)。結(jié)語：綜上所述，為加快新型智慧城市的建設(shè)步伐，實現(xiàn)綠色節(jié)能智慧照明發(fā)展目標(biāo)。因此，相關(guān)單位需要將智慧照明亮化工程研究與建設(shè)工作提上日程，依托云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)，構(gòu)建起新一代的智慧照明控制系統(tǒng)，為市民提供優(yōu)質(zhì)完善的城市公共服務(wù)。參考文獻：王晶?城市景觀照明控制系統(tǒng)的建設(shè)思路[J].中國照明電器,2019,0(7):35-3