一種節能的路燈亮度隨需動態調節系統及控制方法

2023-07-13 19:21:21 2

專利名稱：一種節能的路燈亮度隨需動態調節系統及控制方法
技術領域：
本發明涉及一種路燈的節能及遠程集中監控技術。
背景技術：
據統計，2006年我國總發電量為28 344億kWh，其中照明用電佔到全社會用電總量的 12%左右，而城市道路公共照明用電量佔到整個照明用電的30%左右，2006年我國道路照明 用電量已超過1000億kWh 。目前路燈的控制系統主要採用時控和光控的方法。光控，利用光敏傳感器採樣周圍光照強 度，通過控制電路來點亮或熄滅路燈。若周圍光照強度低於某一閥值，則點亮路燈，高於某 一閥值，則熄滅路燈。時控，不同區域所處緯度不同，所以晝夜長短不一。時控就是利用當 地一年四季晝夜的長短來粗略的控制路燈的亮滅時間。眾所周知，午夜過後路上行人車輛大大減少，採用上述兩種控制方式都依然需要點亮路燈，維持一定的亮度。儘管近年來有所改 進，那就是在午夜過後隔盞開燈、單邊開燈、調低路燈亮度。隨著技術的發展，微控制器、 公用數據信道(有線Internet/WLAN/GPRS/CDMA/GSM等)、電力線載波傳輸等技術的發展， 使得現代路燈節能系統可以實現遙測、遙控，但是主要還是基於上述兩種控制方式及人工控 制方式，無法實現亮度的隨需調節。未能從根本上解決路燈的節能問題，造成嚴重的浪費。發明內容本發明的目的在於克服已有技術存在的不足，提供一種節能的路燈亮度隨需動態調節系統 及控制方法。本發明是這樣實現的本系統由燈上設備、街道級控制中心組成。燈上設備和街道級控制中心之間由數據通信 模塊連接。燈上設備光源、亮度調節模塊、微控制器、車輛/行人探測模塊、數據通信模塊。亮度 調節模塊、車輛/行人探測模塊、數據通信模塊均與微控制器連接。光源和亮度調節模塊連接。街道級控制中心運算平臺及運行在其上面的控制算法、數據通信模塊，數據通信模塊 與運算平臺連接，本部分的數據通信模塊和燈上設備的數據通信模塊連接。上述系統及控制方法，可以實現在沒有分叉的街道上路燈亮度隨需動態調節。若需要增加遠程集中計費/運行監測/控制功能，需同時在燈上設備增加電流/電壓測量模塊、在街道級控制中心增加公用數字通信信道接口、增加包含運行資料庫/GIS系統/監測軟體 的計算機和公用數字通信信道接口的城市級伺服器。城市級伺服器的計算機和公用數字通信 信道接口連接，公用數字通信信道接口和街道級控制中心的公用數字通信信道接口連接。若需要增加交通流量統計和疏導功能，需同時在部分燈上設備增加顯示模塊、在街道級 控制中心增加公用數字通信信道接口、增加包含運行資料庫/GIS系統/交通流量統計及疏導軟 件的計算機和公用數字通信信道接口的城市級伺服器。城市級伺服器的計算機和公用數字通 信信道接口連接，公用數字通信信道接口和街道級控制中心的公用數字通信信道接口連接。若需要增加緊急情況報警功能，需同時在燈上設備增加緊急情況報警按鈕、在街道級控 制中心增加公用數字通信信道接口、增加包含運行資料庫/GIS系統/緊急情況報警軟體的計算 機和公用數字通信信道接口的城市級伺服器。城市級伺服器的計算機和公用數字通信信道接 口連接，公用數字通信信道接口和街道級控制中心的公用數字通信信道接口連接。上述三種衍生功能需要增加的軟體和硬體模塊重疊部分可以合併。例如，在同時需要上 述三種功能時，只需要一個城市級伺服器即可。本發明之系統，主要有兩種工作模式恆亮模式和亮度隨需動態調節模式。針對某些交 通繁忙時段，比如午夜12點之前，系統採用恆亮模式。此時，與普通的路燈系統一樣，所有 路燈均打開，保持恆定亮度。到了交通閒時，例如午夜之後到黎明，就進入亮度隨需動態調 節模式，在這種模式下，沒有車輛經過時，路燈維持較低的亮度， 一旦車輛/行人探測模塊檢 測到車輛/行人經過，燈上設備通過數據通信模塊傳送信息給街道級控制中心，經過控制算法 的運算，街道級控制中心給車輛行駛方向前方的一定數目的燈上設備發出調高亮度命令。在 車輛駛過之後，再發出調低亮度命令。這樣就可以保持只有車輛行駛前方的一定數目的路燈 高亮，其餘路燈回到低亮度狀態，以達到節能效果。前方高亮路燈的數目由車輛的行駛速度 決定，速度越快，數目越多。燈上設備、街道級控制中心、城市級伺服器通過數據通信模塊、公用數據通信信道連接 成一個可以互相通信的網絡化路燈硬體平臺。燈上設備的電壓/電流測量模塊測得的實時電 壓、電流及進而計算得來的能耗；街道級控制中心對所管轄燈上設備檢測到車輛/行人的頻度 統計得出的交通流量估計；緊急情況報警信息均可以通過這個網絡平臺上行到城市級伺服器。 城市級伺服器對每盞路燈的控制指令和交通疏導信息也可以通過這個網絡平臺下行到燈上設 備。本發明基於網絡化的路燈硬體平臺以一定的控制算法使得路燈亮度可以隨需調節達到節 能效果。利用其網絡，通過加裝一定的電路和軟體衍生出遠程集中計費/運行監測/控制，以及交通流量統計及疏導、緊急情況報警等功能。


圖l系統結構圖；圖2燈上設備結構圖；圖3街道級控制中心結構圖；圖4城市級伺服器結構圖；圖5燈上設備電壓/電流測量模塊說明圖；圖6燈上設備LonWorks通信模塊和街道級控制中心LonWorks通信模塊通信數據幀；圖7燈上設備通信模塊數據率選擇說明圖；圖8控制算法模型；圖9控制算法多車多方向說明圖；圖10調亮燈算法流程圖；圖11調暗燈算法流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖敘述兩個本發明的實施例。實施例l.本實施例的總體結構如附圖1所示，它包括燈上設備l、電力線信道2、街道 級控制中心3、 GPRS信道4、城市級伺服器5。 1.1燈上設備1燈上設備1作為系統最終端具有執行調光命令、交通流量統計信號採集、接收報警信號， 部分重要路口的燈上設備兼具路況及疏導信息顯示的作用。現對這些功能涉及到的具體模塊 功能、地位進行闡述。1.1.1 LED6光源採用多個大功率高亮LED6串聯組成。 l丄2 PWM亮度調節模塊7採用PWM (脈寬調製技術)來調節加在大功率高亮LED6上的電壓來實現亮度的調節。 l丄3 電壓/電流測量模塊8電壓/電流測量模塊8實時測量LED6所消耗的電壓和電流。微控制器通過電壓和電流計 算能耗，用於計費。如附圖5所示，在給LED6供電的電源迴路18中串接阻值為/ 的電阻 19，並用A/D晶片同時採樣電阻19兩端相對於地的電壓。設採樣周期為7;,在第/次採樣時得到電阻19兩端電壓為n,.，F2,.，則可得LED6消耗的電流為(n, -F2,.)/i , LED6上電壓為F2i，可得此時LED6的功率為f =^x/,.=F2iX(n,—K2》/7 。由於採樣周期一般很短，例如採樣率為lMsample/sec時，採樣周期7; =l//s ，在T,內LED6消耗的功率可以認為是恆定的，得在第/周期內消耗的能耗為^;Sx7;，對每次採樣期間能耗求和就得到總能耗-『=;K 。l丄4 微控制器ll微控制器ll主要負責PWM亮度調節模塊7的控制、電壓/電流測量模塊8結果的讀取和 能耗的計算、接收超聲波車輛/行人探測模塊13產生的中斷信號、LonWorks通信模塊10的 控制、接收緊急情況報警按鈕9產生的中斷信號、交通疏導信息在LED顯示屏14上的顯示 等。l丄5超聲波車輛/行人探測模塊13本模塊基本作用就是探測馬路寬度內物體。馬路寬度作為系統參數在安裝時設定。本模 塊採用超聲反射式測距。將超聲發射和接收探頭安裝在路燈燈柱的一定高度，然後測量距離 路邊最近的物體的距離。若探測結果小於馬路寬度，這樣可認為有車輛/行人經過。在實際應用中也可選擇紅外雷射等作為探測手段。1.1.6 LonWorks通信模塊10LonWorks通信模塊10負責燈上設備l和街道級控制中心3之間信息可靠、高效、快速 的傳遞。數據通信模塊有很多種實施方案，尤其以電力線為信道的數據通信技術(如低層可 以採用電力載波技術的LonWorks協議)，短距離無線數據通信技術(如ZigBee)這兩種技術 適合本系統，它們都不用鋪設有線信道，可以顯著降低成本，利於對舊系統的改造。燈上設備1和街道級控制中心3之間信息的傳遞通過如附圖6所示數據幀的方式進行， 上行和下行數據幀可以根據具^i^功能進行相應變化。由於控制算法依據街道級控制中心3收到每個燈上設備1檢測到車輛/行人的時間來工作， 所以不管具體選用什麼方案作為數據通信模塊，數據率的選擇一定要足夠高，否則會打亂這 個事件順序。例如，以電力線為信道的設備往往有很多節點掛在同一物理信道上，在同一時 刻只能有一個節點佔用信道，為了避免衝突，往往具有載波偵聽/衝突監測功能，在數據率不 夠高的情況下這會帶來問題。如附圖7所示，假設相鄰路燈燈柱之間的距離為S，燈上設備傳輸一個數據幀的時間為L在^時刻，#1燈上設備1-1將檢測到車輛/行人上行數據幀發出， 在^時刻#2燈上設備1-2準備將信號發出，而此時#1燈上設備1-1的上行數據幀還沒有傳完， 所以#2燈上設備1-2隨機等待一定時間後重發，在^時刻，#3燈上設備1-3準備將信號發出， 但是此時#1燈上設備1-1正佔用信道，#3燈上設備1-3也進入隨機等待， 一旦#1燈上設備1-1的上行數據幀發送完畢，#2燈上設備1-2和#3燈上設備1-3由於等待的時間是隨機的， 所以可能造成#3燈上設備1-3比#2燈上設備1-2更早佔用信道，從而造成錯誤。所以在實施 過程中要求選擇數據率較高的傳輸方案，以滿足傳輸一幀上行數據幀的時間f〈S/v的關係 式，滿足這個關係式後也就不需要載波偵聽/衝突監測的模式了。 1.1.7 緊急情況報警按鈕9在路燈燈柱一定高度安裝緊急情況報警按鈕9，在緊急情況下，例如發生車禍時，只需 要傷者按動按鈕，就給微控制器ll發出中斷信號，燈上設備l、街道級控制中心3將事故信 號傳至城市級伺服器5，根據發送報警信號的街道級控制中心3編號和燈上設備1編號，緊急情況報警軟體很容易得到事故發生的準確位置，便於緊急救援。 U.8 EEPROM及系統參數配置接口 12EEPROM存儲馬路寬度、燈上設備編號等系統參數。在安裝時通過系統參數配置接口 12 將上述參數存進EEPROM。 1.2街道級控制中心3街道級控制中心3在整個系統中起著中間層的作用，它包含LonWorks通信模塊10、運 算平臺15、 GPRS數據機16。對下，每個街道級控制中心3負責一條街道的所有燈上設 備1的控制。根據每個燈上設備1發來的信息，運算平臺15進行相應的控制算法運算，將控 制命令通過LonWorks通信模塊10發送到每個燈上設備1的LonWorks通信模塊10上。對上， 街道級控制中心3將路燈電流/電壓/能耗信息、緊急情況報警信息、統計得到的路況信息等信 息通過GPRS信道4發送到城市級伺服器5。同時，負責接收城市級伺服器5發過來的控制倍息。GPRS數據機16。主要作為街道級控制中心3和城市級伺服器5的GPRS信道4的 軟硬體接口。可以根據技術發展和需要選擇合適的信道，例如GPRS、 CDMA、 WLAN、有 線Internet等及相應數據機。1.3城市級伺服器5作為主控伺服器來使用。整個城市只有一個。通過GPRS數據機16接收街道級控制 中心3通過GPRS信道4傳送過來的數據。通過運行在計算機17上的資料庫和GIS系統，根 據街道級控制中心3和燈上設備1的編號，將每個燈上設備1映射到實際地圖上，方便直觀 的監控。通過加裝路燈計費/實時監測/控制軟體、交通流量統計和疏導軟體、緊急情況報警軟 件可以在地圖上直觀的實現衍生功能。1.4亮度隨需動態調節控制方法1.4.1控制算法模型本算法的控制模型為基於速度的模型。在亮度隨需動態調節模式，只需要用戶前方足夠 數目的燈提供合適的亮度就不會影響用戶的使用。這樣既能滿足用戶要求又達到節能的目的。 車輛/行人的速度越快，前方高亮的燈就需要越多，我們的控制算法就以速度為模型基礎。因 為測速雷達等速度傳感器的價格比較昂貴，我們沒有直接採用速度作為控制變量，而是利用 每個燈上設備檢測到車輛/行人的時間值作為控制變量來實現速度模型，在算法實現中將對本 算法進行詳細說明。本算法的結構模型。凡是沒有分叉的道路均可以抽象成直線模型。每個路燈燈杆安裝一 套燈上設備l，並在安裝時依次編號。每個街道級控制中心負責一條可以抽象成直線的道路， 整個城市的街道級控制中心3統一編號，處於不同街道級控制中心管轄區域的燈上設備1編 號可以重複。當有燈上設備1的超聲波車輛/行人探測模塊13檢測到在馬路寬度『內有物體時，燈上 設備1便發一載有檢測到車輛/行人的上行數據幀到街道級控制中心3，街道級控制中心3將 這個燈上設備1上行數據幀到達時間的記錄刷新。街道級控制中心3就依據其管轄的所有燈 上設備1檢測到車輛/行人的最新的到達時間來實現亮度隨需動態調節。1.4.2控制算法實現為了達到速度越快，前方高亮燈的數目越多，需要將高亮燈數目和速度關聯，本算法間 接的將高亮燈數目及方向和燈上設備檢測到車輛/行人的最新時間關聯起來，達到了所需目 的，同時使得系統結構簡單，價格低廉。為了簡化算法，我們允許在車輛方向後向也高亮少量的燈。假設當前檢測到車輛/行人的燈上設備為第''號，我們採用線性函數來決定在當前車輛/行人位置前方和後方高亮燈的數 目formula see original document page 9(3) 式中各項含義^在燈上設備1編號遞減方向需要高亮燈的數目；丄。在燈上設備1編號遞增方向需要高亮燈的數目；^決定了最少的高亮燈數目；^決定了在同等時間間隔下高亮 燈的數目；C決定了高亮燈的最多數目。現結合上述公式(1)、 (2)、 (3)和附圖8詳述本算法。假設當前時刻為f[2]， #2燈上設 備1-2檢測到車輛/行人，忽略上行數據幀傳輸及處理延遲(燈上設備1傳輸數據幀到街道級控制中心3的傳輸及處理延時為固定值，相鄰燈上設備時間差會消去這個固定值)，街道級控 制中心3將#2燈上設備1-2檢測到車輛/行人的最新時間刷新為Z[2]，此時，街道級控制中心3存儲的#1燈上設備1-1檢測到車輛/行人的時間Z[l]為最新的，車輛/行人還沒有經過#3燈上 設備l-3，所以#3燈上設備1-3檢測到車輛/行人的時間還沒有更新，為上一次檢測到車輛/行 人車輛的時間/[3]。在上述情景中，a&(/[2]-41])口 "&(Z[2]—《3])，所以丄。口 ^。所以在 燈上設備編號遞增的方向高亮燈的數目要遠遠大於在遞減方向上高亮燈的數目。街道級控制 中心3在接到#2燈上設備1-2傳來檢測到車輛/行人上行數據幀後很短時間內計算出i。，^ ，再結合當前檢測到傳送車輛/行人信號的燈上設備的編號算出需要開燈的燈上設備編號，發出 下行數據幀，從而實現了在運動方向前方開較多數目的燈，在後方開很少的燈，達到亮度隨 需動態調節的效果。本算法對於多車多方向情況也具有很好的適用性。如附圖9所示，在某時刻/[2] = [3]， 這樣導致算出的i:。,A/均較大，這樣就是兩邊開燈的情景。上述公式(3)約束了最少和最多高亮燈數目。當車速很慢時formula see original document page 10和formula see original document page 10較大，導致算出的4或、較小，實際中在車輛/行人前進方向不能太少的燈，所以對最少高亮燈數目作了約束。同理，當車速很快時，對最多高亮燈數目作了約束。相比上述的調亮燈算法，調暗燈算法較為簡單。讓每一個高亮的燈延遲一段時間然後調 暗即可。在街道級控制中心3為每一個調亮的設置一個計數器，計數器的值每過一個單位時 間減l，當某個燈對應的計數器的值為O時，向其發出調暗下行數據幀。 1.4.3控制算法流程圖調亮燈算法和調暗燈算法流程圖分別見附圖10、附圖11。實施例2.僅含有實施例1中的燈上設備1 (除去LED顯示屏14)的所有部件、電力線 信道2、街道級控制中心3的LonWorks通信模塊10，運算平臺15，其工作原理和步驟與實 施例l中對應部分相同，可以實現一條街道的亮度隨需動態調節功能。
權利要求
1. 一種節能的路燈亮度隨需動態調節系統，其特徵在於該系統由燈上設備(1)、數據通信信道(2)、街道級控制中心(3)、公用數據通信信道(4)、城市級伺服器(5)組成，燈上設備(1)和街道級控制中心(3)之間由數據通信模塊(10)通過數據通信信道(2)連接，街道級控制中心(3)和城市級伺服器(5)由公用數據信道接口(16)通過公用數據通信信道(4)連接，燈上設備(1)由光源(6)、亮度調節模塊(7)、電壓/電流測量模塊(8)、緊急情況報警按鈕(9)、數據通信模塊(10)、微控制器(11)、EEPROM及系統參數配置接口(12)、車輛/行人探測模塊(13)、顯示模塊(14)組成，街道級控制中心(3)由數據通信模塊(10)、運算平臺(15)、公用數據通信信道接口(16)組成，城市級伺服器(5)由計算機(17)和公用數據通信信道接口(16)組成。
2、 根據權利要求1所說的一種節能的路燈亮度隨需動態調節系統的控制方法，其特徵 在於，為了節能，建立了高亮燈數目隨運動速度變化的模型，其運行步驟如下a. 凡是沒有分叉的道路均可以抽象成直線模型，每個路燈燈杆安裝一套燈上設備(1)， 並在安裝時依次編號，每個街道級控制中心(3)負責一條可以抽象成直線的道路；b. 當有燈上設備(1)的車輛/行人探測模塊(13)檢測到在馬路寬度『內有物體時，燈 上設備(1)的數據通信模塊(10)便發出一載有檢測到車輛/行人的上行數據幀到街道級控 制中心(3)，街道級控制中心(3)將這個燈上設備(1)上行數據幀到達時間的記錄刷新；c. 街道級控制中心(3)根據燈上設備(1)檢測到車輛/行人的時間值，對車輛/行人運 動方向兩邊高亮燈數目進行計算，進而通過數據通信模塊(10)發出下行數據幀將相應燈上 設備(1)的燈調亮；d. 讓每一個高亮的燈延遲一段時間然後調暗即可，在街道級控制中心(3)為每一個調 亮的燈所在的燈上設備(1)設置一個計數器，計數器的值每過一個單位時間減l，當某個計 數器的值為0時，向其對應的燈上設備(1)發出調暗下行數據幀。
3、 根據權利要求2所說的一種節能的路燈亮度隨需動態調節系統的控制方法，其特徵 在於，所說計算車輛/行人運動方向兩邊高亮燈數目，是根據以下公式完成的formula see original document page 2formula see original document page 3式中各項含義Zy在燈上設備(l)編號遞減方向需要高亮燈的數目，丄。在燈上設備(1)編號遞增方向需要高亮燈的數目，^決定了最少的高亮燈數目，5決定了在同等時間間隔下 高亮燈的數目，C決定了高亮燈的最多數目。
4、 根據權利要求1所說的一種節能的亮度隨需動態調節系統的控制方法，其特徵在於， 為了實現遠程集中計費/運行監測/控制個功能，採用以下步驟-電壓/電流測量模塊(8)測得電壓、電流；微控制器(11)利用電壓、電流計算能耗； 並通過數據通信模塊(10)把這些數據和本燈上設備(1)編號發送到街道級控制中心(3); 街道級控制中心(3)通過公用數據通信信道接口 (16)把接收到的電壓/電流/能耗以及燈上 設備(1)編號、本街道級控制中心(3)編號發送到城市級伺服器(5);城市級伺服器(5) 根據這些編號和數據確定燈上設備(1)的位置、能耗和運行狀態。
5、 根據權利要求1所說的一種節能的亮度隨需動態調節系統的控制方法，其特徵在於，為了實現交通流量統計及疏導的功能，採用以下步驟微控制器(11)通過數據通信模塊(10)把車輛/行人探測模塊(13)檢測到車輛/行人 的信息和本燈上設備(1)編號發送到街道級控制中心(3);街道級控制中心(3)利用檢測 到車輛/行人的頻度估算出交通流量；通過公用數據通信信道接口 (16)把估算的流量以及燈 上設備(1)編號、本街道級控制中心(3)編號發送到城市級伺服器(5);城市級伺服器(5) 根據這些編號確定燈上設備(1)的位置，實現交通流量的統計；城市級伺服器(5)把一些 路段的交通流量統計信息再傳送到這些路段附近的燈上設備(1);並在顯示模塊(14)上顯示o
6、 根據權利要求1所說的一種節能的亮度隨需動態調節系統的控制方法，其特徵在於，為了實現緊急情況報警功能，採用以下步驟微控制器(11)檢測到緊急情況報警按鈕(9)發出的中斷信號；通過數據通信模塊(10)把這個信號和本燈上設備(1)編號發送到街道級控制中心(3);街道級控制中心(3)通過 公用數據通信信道接口 (16)把這個信號以及燈上設備(1)編號、本街道級控制中心(3)編號發送到城市級伺服器(5);城市級伺服器(5)根據這些編號確定燈上設備(1)的位置，進而確定緊急情況發生的位置。
全文摘要
本發明涉及一種路燈節能及遠程集中監控領域的技術。該系統由燈上設備(1)、數據通信信道(2)、街道級控制中心(3)、公用數據通信信道(4)、城市級伺服器(5)組成。建立了高亮燈數目隨運動速度變化的模型，街道級控制中心(3)通過燈上設備(1)檢測到車輛/行人的時間值計算車輛/行人運動方向兩邊高亮的燈數目，進而控制相應的燈高亮，延遲一段時間後再控制高亮的燈調暗，達到了亮度隨需動態調節的節能效果。利用本發明網絡化的路燈硬體平臺，通過一定的電路和軟體衍生出遠程集中計費/運行監測/控制，交通流量統計及疏導、緊急情況報警等功能。
文檔編號H05B37/02GK101267703SQ20081001810
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月30日 優先權日2008年4月30日
發明者玲 仇, 瑞 周, 張少甫, 李文博, 程明明 申請人:張少甫;程明明;李文博;周 瑞;仇 玲