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智能路灯控制系统发展浅析

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2020年4月19日
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智能路灯控制系统发展浅析
一、照明控制系统发展历程
        光作为绝大多数生物的基础需求，已经历漫长的发展过程，从自然界取火、蜡烛、煤油灯、白炽灯、节能灯，到如今LED光源的使用，人类对光的需求越来越多样化。传统的照明控制主要针对光强和光分布进行控制，达到舒适或节能的目的，照明控制方法主要经历了四个阶段：
        第一，分组控制。当前广泛使用的控制方法，经过线束的方式，将若干个灯具并联在一个或几个开关回路，进行控制;
        第二，区域控制。在教室、宾馆、停车场等公共区域，人们将声控、光感、人体红外等传感开关串接至传统的分组控制回路，使用率较低时关闭某些回路，以达到节能的目的。
        第三，集中控制。国内某些省份的路灯配电系统、隧道照明系统，以及广泛使用的景观照明及舞台照明控制等采用了集中控制，特点是采用了数字通讯或控制系统。
        第四，智能控制。如正在起步阶段的智能家居、智能楼宇、智慧城市等项目，均包括智能照明控制的应用，特点是基于物联网技术。
        另外，在特种照明行业，利用生物的光生物特性，创造有利的光环境为人类生产生活服务，当前已经广泛用于植物生长、渔业、防治病虫害等，控制参数不但仅局限于光强和光分布，已扩展至颜色、波长等，也需定制专用的照明控制系统。
        随着LED光源技术的发展，因其亮度、色温、颜色、控制响应速度等在控制方面有独特的优势，搭乘物联网技术发展的顺风车，针对LED光源的照明控制系统近几年正蓬勃地发展。
        二、智能路灯控制系统发展现状
        由于政策大力扶持，加之市场广阔、利润相对较高等因素，市政领域LED照明成为各大LED应用厂商竞相逐鹿的阵地。为避免同质化竞争，提升产品附加值和影响力，研究和发展智能路灯控制系统就成为她们的首选之一。经过几年的发展，全国已经有数十家专门研发路灯控制系统的公司，国内外各大LED照明厂商也纷纷大力开展照明控制系统的研发，并在全国各地建成许多示范基地。
        1.系统功能需求挖掘
        作为控制领域的新生产物，路灯控制系统的功能需求还在不断挖掘中，当前主要以节能、便捷管理为主，已形成普遍共识的功能需求有：
        路灯控制：采用全体、分组或单灯的方式进行路灯的远程开、关和调光控制;
        情景控制：能够设定路灯工作情景、控制策略，实现无人值守工作;
        数据采集：对每盏路灯工作状态、报警、工作电压、电流、累计电量等进行采集并上传至服务器;
        路灯管理：对路灯反馈数据进行统计分析，产生维护报警和数据报表，报警内容能够及时通知相关维护人员;
        地理信息系统(GIS)：利用商用或免费的地理信息系统，实现路灯等相关设备的实时定位，提高可操作性。
        另外，与大量客户接触后，部分客户提出的需求如下：
        配电箱控制：当前部分省市对配电箱采用了“三遥”控制，起到了示范作用。有客户要求在路灯控制系统中加入配电箱电源远程控制及电力参数监测功能，或将已有的配电箱控制系统集成至路灯系统中;
        电缆失窃及偷电报警：某些地区电缆盗窃和偷电情况非常严重，客户提出能够加入电缆失窃和偷电报警功能;
        照度检测及控制：检测环境光亮度，进行自动调光;
        活动检测：分时段经过人体红外传感、图像模式识别等方式识别是否有人员活动，分区域调节亮度;
        扩展摄像头功能：用于监控路灯运行状态及有无人员破坏等。
        未来可能产生和引导用户使用的功能需求主要来自网络规模和技术融合，如：
        功能领域扩展：由于照明控制系统的终端节点数量大、分布广，一旦形成规模后，能够用于城市环境监测、交通管理、治安等;
        可见光通讯：利用LED光源的快速响应特性，能够进行可见光通讯，当前已经有多家研究机构和高等院校对此展开研究，并在一些领域产生一些应用，如果将这一技术应用用在路灯控制系统和路灯上，无疑将会产生更多的应用;
        传感器应用：传感器技术的发展，将会给照明控制系统的功能带来更大的扩展空间。
        2. 路灯控制系统常见架构
        路灯控制系统延续了物联网的架构，由应用层、网络层、感知层构成。
        其中应用层由一系列软件构成，当前多数公司采用B/S架构，也有公司采用C/S架构和组态软件。一般包括：
        数据采集和控制组件：用于连接网络层设备，获取数据或发送控制命令;
        配置组件：用于进行系统平台及数据库初始化，设备列表的导入等;
        管理组件：用户经过该组件能够操作和查看路灯等设备，执行生成列表、报警等功能。
        网络层在路灯控制系统中称为集中器，一般采用ARM内核和Linux或VxWorks等操作系统，实现路由和一些简单的控制、数据采集功能。
        感知层主要由大量照明控制器构成，用于执行灯具的调光/开关操作和采集灯具数据等功能。如若需要，也能够扩展其它传感器或执行器件，如照度仪、人体红外传感器、震动器等。
        3.路灯控制系统设备及设计需求
        在路灯控制系统中，部分设备需要重新定义和开发，如集中器和照明控制器。
        其中集中器的基本功能需求如下：
        第一，上行数据接口一般采用GPRS路由器或GPRS透传模块，同时配备网口，能够接入以太网或光端机，采用TCP/IP与应用层软件进行通讯;第二，下行数据接口根据厂家实际需求，能够接入ZigBee无线通讯、电力载波、RS485等通讯模块，与感知层设备进行通讯;第三，RS485通讯接口，用户扩展功能模块，如电表、照度传感器等;第四，数字和模块I/O若干，用于控制接触器或采用相线电路电压等;第五，轮询功能，能够定期对所管理的感知层设备进行轮询，并将轮询结果上传服务器;第六，能够脱机运行，当服务器网络故障或不存在时，能够使用本地控制策略进行感知层设备控制。
        照明控制器的基本功能需求如下：
        第一，数据接口能够为ZigBee无线通讯、电力载波或RS485等通讯;第二，具有一路或多路开关功能，用于开关后级设备(如灯具);第三，具有一路或多路调光接口，如PWM、0～10V或4～20mA电流输出等，用于后级灯具调光功能;第四，能够采集工作电流、电压、累积电量等工作参数，并根据集中器要求上传数据;第五，有过压、过流、过温等报警功能;
        另外，集中器和照明控制器均为户外使用，除要考虑其防水防尘等防护性能参数外，还要考虑高温、外壳老化、防雷、静电等相关参数的设定。使用环境必须适应路灯系统电力环境，还需满足国家对电子产品强制标准要求。
        4.路灯工程施工及系统数据库初始化
        相对于传统的路灯系统，每盏(或几盏)路灯会安装一个照明控制器，且根据网络规模，需要安装若干集中器。无线控制器一般由于安装位置对信号强度会有影响，安装在灯具内部;而电力载波或RS485等对位置要求则不是很高，能够安装至灯杆的维护窗内。一般无线集中器安装至电杆或路灯上，而其它集中器能够安装至路灯控制系统在工程施工需要增加的工作量有：
        使用环境前期评估：如电压是否稳定及谐波是否满足要求;对于电力载波还需要检测载波频率附近是否干扰，无线通讯需要查看现场同频无线干扰的情况及阻挡物的情况等;
        网络规划：根据节点分布、网络状况、配电情况等，规划集中器安装位置等;
        设备安装：照明控制器和集中器的安装，控制室设计等;
        设备检测及组网：检测设备是否安装正确，并记录网络验收及维护;检验集中器和照明控制器的接线及安装等是否符合规范，定期检测节点连通率等。
        其中组网过程，获取大量路灯节点信息并输入服务器数据库中的工作量非常大，现有的系统基本为手动或半自动完成。
        三、智能路灯控制系统当前存在问题及难点分析
        1.相关行业标准缺乏
        由于路灯照明控制行业发展时间不长，尚处于发展阶段，各厂家在技术实现上还是百家争鸣，无法实现互通，且产品功能和性能无法保证。当前需要规范的标准有：
        系统架构规范：定义路灯控制系统主要功能、网络总体架构和主要设备等;
        基础通讯协议：包括应用层与网络层的协议和网络层与感知层的协议;
        集中器：规范集中器输入电压、功能定义、通讯接口、防护性能、电气及机械参数等;
        照明控制器等终端设备：规范照明控制器等设备的输入电压、控制输出、接口、防护性能、电气及机械参数等。
        2.国内路灯电网施工质量和管理无法保证
        国内很多路灯电网的施工采用层层转包的方式，验收也不够规范，导致路灯控制器的使用环境比较恶劣，比如：电压波动过大，某些地区的某些时段能够高达300多伏;线材或布线不符合相关标准，容易造成短路、相线断或零线断等，导致控制器损坏;个别地区有盗割电线或私接电的情况，造成三相不平衡，电压波动过大，导致控制器损坏;电网接地不规范或路灯无接地等这些问题都给路灯控制系统的使用和推广带来很大的困难，且增加产品成本和维护成本。
        3.技术成熟度仍需提高
        主要体现在应用层软件通用化、感知层通讯稳定性和可靠性、通讯协议优化和组网便捷性等。
        4.路灯系统成本高
        (1)产品成本高
        导致当前产品成本较高的原因主要有:第一，用户需求的不确定性使得需求频繁变更，产品类型过多，开发和维护成本过高，技术风险大;第二，由于发展阶段和产业结构所限，暂未形成较优化的系统功能和架构设计，部分功能冗余或效益不高;第三，国内路灯电网质量不良导致产品保护成本过高。
        (2)施工及组网成本
        路灯控制系统的施工有一定的繁杂度，需要对施工队伍进行专门的培训。组网技术当前还不够成熟，浪费大量人力财力。
        (3)维护成本
        经过几年的发展，产品的失效率已经大大降低，但由于照明控制器数量较大，还无法满足要求，产品稳定性仍需进一步提高。另外，产品维护需动用工程车，会带来附加费用。
        5.路灯控制产业格局仍需调整和优化
        当前直接进行路灯控制系统研发的企业较多，除专门研究控制系统的公司外，许多LED照明、电源、物联网平台及通讯公司也开展相同的研究，导致重复投入和无序竞争。在市场发展引导下，这种格局必然会逐渐优化，进行分工和整合，如：
        物联网应用通用平台的建设：随着Java、C#和.Net Framework(特别是WPF和SilverLight等)等开发工具的发展和逐步完善，B/S架构的系统逐步占领了路灯控制系统应用层平台，但从长远来看，专用的C/S架构与B/S架构相结合的物联网通用平台应该会是一种趋势。通用平台的使用能够参考工业控制中的组态软件或SCADA系统，将控件、通讯组件和各种感知层器件模型化，经过简单的组态或配置就能够很容易实现用户所需的功能。
        电源与通讯组件的整合：大功率LED照明灯具电源由于恒流、使用寿命、可靠性等原因在近几年才真正的逐步完善，而系统所需要的通讯，如ZigBee无线、电力载波PLC等，虽然也经过了多年的积淀，有了一定的发展，但真正大规模应用的领域并不多。当两者都比较成熟的时候，从技术复杂度和成本的角度考虑，必然会结合在一起。当前已经有部分通讯器件公司依托成熟的电源公司开始技术的融合，但由于干扰、散热等原因，还没有完全成熟。
        四、智能路灯控制系统未来发展
        随着全世界和中国对节能、环保的要求和人类对光的需求日益复杂，LED照明对传统白炽灯、节能灯等光源的替代基本已成定局，而如何进一步发挥LED照明的优势，则依赖于照明控制技术的发展。物联网技术尚处于发展阶段，由于技术复杂、涉及行业广泛，已形成众多的技术孤岛，而照明控制也必将成为其中的孤岛之一。
        在庞大的市场需求驱动之下，以灯具厂商为中心，联合物联网通讯技术厂商、电源厂商、物联网应用层平台开发商，已经初步形成产业规模。期望国家能够尽快从全局角度理清思路，制定相关标准，融合各方面技术力量，促进路灯控制行业健康有序发展。