徐東輝

（遼寧地質工程職業(yè)學院機電系，遼寧丹東118008）

【機械與電子工程】

遠程路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設計

徐東輝

（遼寧地質工程職業(yè)學院機電系，遼寧丹東118008）

為解決緯度算法與實際需要不符、相鄰路燈開關燈長時間不同步的問題，以及如何使系統(tǒng)適度、合理報警等問題，對行業(yè)內已應用的控制系統(tǒng)在控制方式、算法、效果等方面進行了橫向比較。通過修正經緯度算法,增加了手動調節(jié)功能，精確得出日出日落時間，滿足路燈控制的實際需求。同時，采取減少校時并發(fā)通信數(shù)量的方法，使各路燈站點分時、分批校時，減少了通信延遲，提高了網絡校時的精度。此外，下置的數(shù)據增加校驗步驟，保證校時數(shù)據的正確性，解決了相鄰路燈開關長時間不同步的問題。實際應用結果表明，路燈監(jiān)控系統(tǒng)的各項功能符合實際需要，路燈管理水平顯著提高。

網絡控制；DTU；路燈管理

目前國內路燈控制基本采用鐘控、光控〔1〕、網絡控制〔2〕、單燈控制及人工控制等方式。國內的路燈監(jiān)控系統(tǒng)基本是基于網絡監(jiān)控，再輔以其他控制方式，通信通常使用DTU、ZigBee、WiFi、電力載波、以太網等進行通訊，可以對整條道路或部分道路上的路燈進行監(jiān)控。

現(xiàn)有路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，使用經緯度算法進行鐘控的比較多，這種算法雖然可以對當?shù)氐娜粘鋈章鋾r間精確計算，但是由于有的系統(tǒng)并沒有考慮到地形的影響、大氣層對日光的散射作用，以及人的光感差異，致使路燈系統(tǒng)雖然按時開關燈，但并未滿足市民的實際需求。

在系統(tǒng)報警方面，對不同的報警沒有區(qū)別對待，某些系統(tǒng)沒有考慮到故障報警的軟件自動修復，致使監(jiān)控人員增加了很多不必要的工作，在一定程度上降低了監(jiān)控人員的工作效率。

相鄰路燈開關燈時間不一致的問題，是現(xiàn)在路燈監(jiān)控系統(tǒng)中實際存在的問題，常見的解決方法是多次校時，甚至一日一校時，但是這個問題還是沒有根本解決，雖然路燈監(jiān)控室值班人員可以對路燈控制器一一手動校時，但是程序上的問題，還是應該在程序設計上做進一步的完善。

本系統(tǒng)通過對其他系統(tǒng)進行學習，走訪路燈班監(jiān)控人員，針對現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題，主要在以下幾個方面進行了改進。

（1）路燈開關燈時間在現(xiàn)有經緯度算法的基礎上，增加了網絡人性化調節(jié)，以適應不同地理環(huán)境、大氣層對日光的影響，以及不同人群的不同光照度需要。

（2）系統(tǒng)能自動提供故障自診斷、適度的故障自修復及報警。

（3）改進的站點時間自動校時功能，可以自動解決路燈開關燈時間不一致的老問題。

此外，早在1992年的《城市道路照明設施管理規(guī)定》（建設部1992第21號令）中，就首次提出了亮燈率指標的要求：“城市建設行政主管部門必需對道路照明設施管理機構建立嚴格的檢查和考核制度，及時督促更換和修復破損的照明設施，使亮燈率不低于95%?！苯陙碚骷壪嚓P部門對亮燈率的要求也越來越細、越來越高。因此，保證亮燈率達標已經成為路燈監(jiān)控系統(tǒng)的一項重要任務。

對于解決亮燈率達標的問題，單燈控制是個最簡單的解決方法，由于其直接對單個路燈進行監(jiān)控，因此能對亮燈率精確反饋，能很好地解決亮燈率達標的問題，但由于控制器需要數(shù)量較大，現(xiàn)階段控制器成本還較高，會導致初期投入資金較多的問題，因此目前普及率還不高。路燈管理系統(tǒng)如何既節(jié)約成本，又實現(xiàn)較高的亮燈率，成為資金不充足的路燈管理者的一個難題。

從滿足控制要求和降低系統(tǒng)建設成本兩方面進行綜合考慮，本系統(tǒng)現(xiàn)階段主要采用DTU模塊及移動專網進行通信?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)的通信采用DTU組網，服務器端的網絡采用移動專網，建網費用由中國移動承擔。這樣系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)路燈遠程實時監(jiān)控，以及節(jié)能的需要，但僅靠現(xiàn)場控制系統(tǒng)少量的傳感器對亮燈率進行精確及時的反饋，還存在明顯的不足。通過人工巡燈，再輔以國產無人機巡燈，能對路燈亮燈率精確反饋方面的不足進行很大的改善，使系統(tǒng)亮燈率達到96%以上，在既降低成本又達到較高亮燈率方面算是一種有益的嘗試。

1 具體方案的設計[3-4]

1.1 確定路燈的控制要求

通過走訪當?shù)芈窡艄芾聿块T，確定路燈控制系統(tǒng)的具體控制要求。

（1）每個現(xiàn)場控制柜能自動或手動控制6路路燈的開關。

（2）路燈監(jiān)控系統(tǒng)能按時段以不同的預設報警電壓、電流上下限報警值，其預設值要求可修改、可保存，不同時段能調用不同的報警電壓、電流上下限值。

（3）要求路燈控制系統(tǒng)既能通過網絡手、自動控制；也能現(xiàn)場手動控制，并且還能由現(xiàn)場手動控制后自動切換到時段控制，一方面便于維修人員現(xiàn)場維護，另一方面能避免因維修人員的馬虎而使系統(tǒng)運行異常。

（4）在遠程監(jiān)控電腦中各站點的路燈電壓、電流數(shù)據，現(xiàn)場路燈的工作狀態(tài)，要能實時查看。

（5）有路燈站點地圖及站點導航。

（6）能自動提供故障自診斷及報警。

（7）各站點路燈電壓、電流值能24小時自動保存，查閱時要能查閱一年的數(shù)據。

1.2 方案的橫向比較

對國內路燈控制系統(tǒng)的先進經驗進行借鑒，在《城市路燈無線監(jiān)控系統(tǒng)》《基于GPRS的路燈監(jiān)控系統(tǒng)》《基于無線通信的城市路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)》《智能路燈控制系統(tǒng)》《城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)》《城市道路照明系統(tǒng)》等項目的論文中借鑒其先進的算法和設計經驗，以完善本控制方案。

2 方案的具體實施

2.1 確定系統(tǒng)的網絡通信服務商與通信系統(tǒng)結構

通過與DTU及組態(tài)軟件的技術支持人員溝通，以及筆者的工程實踐，本項目的網絡通信部分采用中國移動網絡制式GPRS DTU和中國移動的移動專網，網絡通信的無線及有線部分都是在中國移動的網絡內部進行，其通信效果與域名解析、電信固定IP、聯(lián)通固定IP相比，移動專網的通信效果最好。本次系統(tǒng)的網絡通信結構見圖1。

圖1 遠程路燈監(jiān)控系統(tǒng)的網絡結構

中心監(jiān)控管理子系統(tǒng)由上位機組態(tài)軟件和服務器電腦組成；數(shù)據傳輸部分由GPRS DTU和中國移動專網組成；前端測控子系統(tǒng)由現(xiàn)場控制柜中以可編程控制器為主的控制系統(tǒng)組成。

2.2 根據路燈系統(tǒng)的控制要求確定如下控制功能

（1）按時段控制路燈開關

即使用者可以通過上位機電腦對路燈進行管理，根據當?shù)氐膶嶋H情況，分多個時段按需設置路燈亮滅時間、及亮燈路數(shù)。比如：交通高峰期（晚上20:00—22:00），交通正常期（晚上22: 00—01:00）和交通低谷（凌晨01:00—天亮），用戶可以根據交通狀況設置多個時間段，在不同的時間段設置不同的控制方案，以實現(xiàn)既節(jié)約電能又保證足夠光照度的目的。

本系統(tǒng)的時段控制采用了經緯度算法，但是單純考慮日出日落時間，對于一個成熟的控制系統(tǒng)而言還是不夠的，還要考慮經緯度算法在實際應用中會遇到的不同問題，以及不同人的光感綜合設置可調的開關燈時間。比如，即使經緯度相同，但是各地還存在不同的地形和日光遮擋等因素，因此經緯度算法的運算結果除了按當?shù)貙嶋H情況加以修正，還應具有手動調整的能力，這樣才能適應市民的實際需要，比如熄燈時間比實際日出時間延遲，開燈時間比實際日落時間提前，這樣才能體現(xiàn)出照明服務于人的真正意義，依據實際需要進行路燈管理，方便市民的出行。

（2）自動提供故障自診斷、適度的故障自修復及報警

系統(tǒng)能提供站點時間異常的報警提示、站點斷電報警及電壓、電流上下限報警、站點離線報警。

其中站點時間異常時先自動校時，校時失敗時再報警，可以減少不必要的報警數(shù)量。

由于網絡監(jiān)控效果受網絡通信質量影響，所以對于各站點的通信狀態(tài)必須進行監(jiān)測，本系統(tǒng)對不能通訊的站點提供離線報警，以保證網絡通信故障能及時排除。

（3）改進的校時功能

系統(tǒng)在校時方面，采用改進的分批次自動校時的功能，各站點按時間分批進行校時，可以減少同一時刻通信的數(shù)量，避免網絡通信出現(xiàn)擁堵，避免出現(xiàn)過大的通信延遲，確保網絡校時的精確性。同時在現(xiàn)場控制器內還對校時結果進行了校驗，時間數(shù)據下載與否與現(xiàn)場控制器校時成功與否，都分步進行了校驗，以確保校時的成功。

（4）路燈電壓、電流按不同時段設置不同的報警上下限值

控制系統(tǒng)可以對單個或多個站點設置不同時段、不同相上的電壓、電流上下限保護值，并借助系統(tǒng)提供的超限報警提示，判斷各站點的工作是否正常。此參數(shù)軟件重新啟動、電腦關機后不會消失，并且在報警提示中提供實際電壓、電流檢測值和本時段的上下限預設保護值，方便用戶對數(shù)據進行比較，便于進一步分析問題。

（5）系統(tǒng)既能網絡手自動控制，也能現(xiàn)場手動控制，系統(tǒng)脫離網絡現(xiàn)場控制柜也能在短期內提供正常的服務

根據特殊天氣及維修等特殊需要，我們可以手動實現(xiàn)全夜燈和半夜燈的切換控制，其中半夜燈控制還可以自由的對任意現(xiàn)場路燈分組控制。為滿足維修需要，白天維修時現(xiàn)場可以手動切換至全夜燈控制，之后即使忘記手動關閉路燈，系統(tǒng)仍然可以自動轉入時段控制。

（6）站點數(shù)據按輕重緩急分類顯示

所有的監(jiān)控系統(tǒng)都存在一個問題，就是系統(tǒng)內的數(shù)據量較大時，一定要按輕重緩急對數(shù)據進行分類，否則主要數(shù)據如果不正常，會大大降低系統(tǒng)的整體控制效果，所以主要數(shù)據是否正常，一定要清晰的顯示出來，因此我們將站點的時段、電壓、電流、時間等關鍵信息，詳細的在單站點窗口中提供給使用者，并通過各種顏色的彩燈將站點工作狀態(tài)及時在左側導航欄中顯示出來，包括紅色燈表示故障、灰色等表示停電、黃色等表示正常照明、綠色燈表示熄燈時無故障，出現(xiàn)故障時下方報警窗口也同時提供簡要詳明的報警提示。

（7）站點地圖及站點導航

本系統(tǒng)運用百度地圖API，能提供較直觀的站點地圖，便于值班人員查找故障站點。

站點導航方面，還提供了便捷的站點設置及查看方法，通過點擊左側導航欄內的站號就可以直接進行站點查看和設置。

（8）用戶權限管理

為使路燈控制系統(tǒng)正常的工作，用戶權限管理尤為重要，本系統(tǒng)對于無權限的用戶只提供瀏覽權限，系統(tǒng)設置時必須輸入指定的用戶名及密碼，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的專人管理、專人負責。并且還可以對于用戶的登錄時間、操作進行記錄。

（9）站點工作電壓、電流值的自動保存與查閱

可以通過監(jiān)控電腦提供工作歷史數(shù)據，通過數(shù)據查找問題、分析問題、解決問題。

2.3 根據控制要求確定系統(tǒng)總體硬件配置

在控制系統(tǒng)圖紙設計之前，先要確定控制系統(tǒng)的硬件配置。首先少量設備的開發(fā)，從開發(fā)周期、工作穩(wěn)定性與后續(xù)的擴展性、便于維護、成本等角度綜合衡量，PLC為首選方案。接下來國外品牌PLC與國內品牌相比較，國內品牌在功能和穩(wěn)定性上已有長足進步，已能勝任此類控制任務。

隨后，PLC的選型也以系統(tǒng)需求為依據，確定輸入輸出點數(shù)。這里選用海為經濟型PLC，其輸入輸出各8點，通信口有2個，符合系統(tǒng)現(xiàn)有的輸入、輸出、通信及留有余量的要求，且維護方便。

2.4 路燈控制系統(tǒng)電氣原理圖

見圖2控制系統(tǒng)電氣原理圖。

圖2 控制系統(tǒng)電氣原理圖

2.5 程序流程設計

（1）設計可編程序控制器程序流程圖，見圖3。

圖3 可編程控制器程序流程圖

可編程控制器在前端測控子系統(tǒng)即現(xiàn)場路燈控制柜中，其程序是依流程圖中的流程對本站點路燈進行具體的控制，并實時地采集主電路電流、電壓數(shù)據，將站點的工作數(shù)據通過網絡傳輸子系統(tǒng)傳輸至中心控制管理子系統(tǒng)。

（2）設計中心控制管理子系統(tǒng)流程圖（見圖4）。

圖4 中心監(jiān)控管理子系統(tǒng)程序流程圖

中心監(jiān)控管理子系統(tǒng)，主要由中心管理主機相關軟硬件組成，系統(tǒng)將依圖4流程圖實現(xiàn)站點地圖、路燈各站點集中控制、報警查詢、電量記錄查詢、報表打印和用戶管理等功能。

2.6 自動化控制編程

（1）編制PLC程序

依據用戶的控制要求及系統(tǒng)最終確定的流程圖編制PLC程序。

（2）服務器上位組態(tài)軟件（見圖5）。

居于中間的窗口為地圖窗口，左側為站點導航、上方為頂部導航欄、下方為報警信息窗口。

圖5 上位組態(tài)監(jiān)控軟件首頁

1）開關燈時間的經緯度算法及其改進。

下面是本系統(tǒng)中采用的經緯度算法[5-6]。

已知：日出日落時太陽的位置h＝-0.833°～-6°，要計算當?shù)氐牡乩砦恢?，經度Long，緯度Glat,時區(qū)Zone，UTo為上次計算的日出日落時間，第一次計算時UTo＝180°。

①先計算出從格林威治時間公元2000年1月1日到計算日天數(shù)days；

②計算從格林威治時間公元2000年1月1日到計算日的世紀數(shù)t，則

t＝（days+UTo／360）／36525；

③計算太陽的平黃徑：L=280.460+36000.770t；

④計算太陽的平近點角G＝357.528+35999.050t；

⑤計算太陽的黃道經度λ＝L+1.915×sinG+0.020 ×sin(2G)；

⑥計算地球的傾角ε＝23.4393-0.0130t；

⑦計算太陽的偏差δ＝arcsin(sinε×sinλ)；

⑧計算格林威治時間的太陽時間角GHA：

GHA=UTo-180-1.915×sinG-0.020×sin(2G) +2.466×sin(2λ)-0.053×sin(4λ)；

⑨計算修正值e：e=arcos{[sinh-sin(Glat)sin(δ)] /cos(Glat)cos(δ)}；

⑩計算新的日出日落時間UT＝UTO-（GHA+Long± e）；

其中“+”表示計算日出時間，“-”表示計算日落時間。

本系統(tǒng)通過上述算法，初步繪制本地開關燈曲線，再將本地歷年的黎明、黃昏的觀測時間描點，采用曲線擬合法再次對經緯度算法進行修正，并將最終計算值按不同的日期存入配方庫，然后將當前日期與配方的日期進行比較，自動調用當日的路燈開關燈時間配方，并且配方中的數(shù)據還可以根據不同的照明需要手動調整，這樣就避免了經緯度算法在實際控制中因不能調整，而無法使用的問題。

2）監(jiān)控軟件用戶管理窗口，對用戶操作權限進行管理。

3）工作記錄窗口對各街道站點的路燈工作數(shù)據進行管理。

4）事件記錄窗口，對各用戶登陸后的操作進行記錄與查詢。

2.7 程序細節(jié)調整

（1）對通訊速度進行優(yōu)化，合理減少上位機與PLC通訊的點數(shù)，減少通信數(shù)據打包數(shù)量，從而提高整體通信效率。

（2）對程序進行多方面測試，問題也從多方面進行匯總。從路燈監(jiān)控人員到現(xiàn)場維修人員，再到群眾反饋，對發(fā)現(xiàn)的問題逐條修改。

3 最終研究成果。

3.1 現(xiàn)場路燈控制柜一個（見圖6）

圖6 路燈現(xiàn)場控制柜實物圖

3.2 節(jié)能效果

在采用本系統(tǒng)之前路燈使用高壓鈉燈具，現(xiàn)在已用高亮LED燈替換，在保證合格光照度的前提下，每年每燈節(jié)電約260～500kWh，節(jié)能效果十分明顯。

4 結語

經過調整和完善，本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比較，解決的問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）路燈開關燈時間可以通過網絡人性化調節(jié)。

（2）適度的故障自修復及報警。

站點時間異常時首先自動嘗試對站點時間進行校時，再次出現(xiàn)故障時再做報警處理，這樣可以減少不必要的報警數(shù)量，提高管理者的管理效率。

（3）站點時間自動校時功能，可以自動避免路燈開關燈時間長時間不一致的老問題。

用戶反饋系統(tǒng)達到了路燈日常管理的各項要求，運行穩(wěn)定，監(jiān)控效果良好。

［1］陳納新.城市路燈無線監(jiān)控系統(tǒng)探討[J].南方冶金學院學報，2003，24（4）：53-56.

［2］王成福，唐曉強.基于GPRS的路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J]. 2008，29（190）：18-21.

［3］宋成艷，李揚，梅運華.基于無線通信的城市路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].微計算機信息，2007，23（1-2）：19-20.

［4］賀一鳴，王崇貴，劉進宇.智能路燈控制系統(tǒng)設計與應用研究[J].現(xiàn)代電子技術[J]，2010，33（1）：207-210.

［5］景春國，舒冬梅，顧德英.城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)中日出日落時間算法的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代計算機，2003（5）：84-86.

［6］章君達，陸覺民，向群.城市道路照明系統(tǒng)節(jié)能控制方法的實現(xiàn)[J].能源工程，2011（4）：54-56.

（責任編輯：龍海波）

Design of remote street lamp monitoring system

XU Dong-Hui

（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Liaoning Geology Engineering Vocational College, Dandong 118008,China）

In order to improve the asynchronous lamp switching of adjacent lamps and realize the alarm function，the control mode，algorithm and results of practical control system of street lamps were studied.By revising the latitude algorithm and adding manual operation function，the times of sunrise and sunset were precisely obtained.Meanwhile，by reducing concurrent communication number，the timing of each street lamp station was conducted by time and batch，by which reducing communication delay and improving the precision of network timing.The checking procedures were increased so as to secure the data accuracy.The practical application results showed that the functions of the street lamp monitoring system meet the actual needs.

network control；DTU；street lamp management

TN915.853

A

1673-4939（2017）02-0113-07

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.02.08

2016-11-10

徐東輝（1975-），男，遼寧丹東人，實驗師，研究方向：電氣工程及其自動化。