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路灯节能智能控制系统设计与研究一前言1：研究目的和意义随着随着我国城市化水平的不断提高,城市的路灯照明系统的不断扩大,节约电能、提高路灯系统管理水平,已经是急需解决的课题。目前各大城市的路灯能源利用率普遍不高。路灯电费和管理费用是政府的一项巨大的财政支出。传统的路灯节能系统存在着智能化程度低、通讯稳定程度差、路面照度分布不均等问题。寻找一种在社会效益、经济效益上均显著的管理监控系统是城市道路照明发展的必然方向。从路灯节能控制系统的成本、可靠性、信息化、应用前景等方面考虑,采用ZigBee无线自组织无线网络技术无疑可以实现路灯节能控制系统的智能化、信息化、可靠性高、低成本的目标。2：前人研究情况根据前人的研究以及结论证明此研究设计的可行性和合理性，以下是前人的一些研究结论和成果，在此作为引证。2.1针对传统照明系统布线麻烦、节能效果差等缺点,设计了以MSP430F2618为微处理器,以CC2520为射频芯片的低功耗节点硬件平台;并结合TI公司的Z2Stack协议栈,开发了基于ZigBee技术的智能照明系统。系统中的智能灯光节点能够根据外界光强自适应调整自身灯光亮度,周期性采集室内光强、温度等环境信息,并及时响应用户的控制命令。测试结果表明,该系统可达到智能控制和节约能源的目的,具有一定的应用价值。（来源《基于ZigBee技术的智能照明系统设计》徐勇1栾晓明1王丹2中图分类号:TP393.1文献标识码:A）2.2对当前LED路灯照明与传统路灯照明进行了比较,将ZigBee技术应用于LED路灯照明系统,组建了ZigBee无线传感器网络.详细设计了该系统的硬件电路及软件.经对比,此系统比传统系统在节省布线,降低成本方面有显著的优势.（来源《基于ZigBee的智能型LED路灯照明系统设计》郭佑民,刘娟,孟凡刚,金乾坤中图分类号:TP273文献标志码）2.3设计基于ZigBee技术的路灯无线控制系统.详细介绍了系统的网络拓扑实现和硬件节点的设计方案,给出了相应的软硬件设计和组网算法,实现了路灯的无线网络控制.试验结果表明，在单协调器单节点组网时，组网用时20s,对l6个信道进行扫描节点的接入平均用时为150s.在室内10m左右距离的数据传输速率为250kbps；室外30～75m距离速率为40kbps,300m速率为20kbps.系统在发射状态下耗电为25.7mA，接收时为29.3mA，休眠状态下仅为2.5μA.（来源《基于ZigBee技术的路灯无线网络控制系统设计》王东东，郭文成中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1671－024X（2009）01－0084－05）2.4路灯控制器的硬件设计、软件设计,采用的网络拓扑、控制策略、应用配置文件,并在Chipcon公司的CC2430平台上进行测试。在实际工程中成功地应用了所提出的应用方案,实现了路灯节能控制系统的智能化、信息化、高可靠性、低成本的目标,取得了明显的节能控制成效。（来源《基于ZigBee网络的路灯节能控制系统》林方键,胥布工中图分类号:TP27文献标识码:A）二选题背景1：课题来源科研项目2：目的与意义随着我国城市化水平的不断提高，城市的路灯照明系统也不断扩大，路灯照明是城市基础设施的组成部分，在城市的交通安全、社会治安、人民生活和市容风貌中居于举足轻重的地位，发挥着不可替代的作用，而且标志着城市实力和成熟的程度。目前中国照明用电占总发电量的12%左右，由于传统的路灯节能系统存在着智能化程度低、通讯稳定程度差、路面照亮缝补不均等问题，仍以低效照明为主，各大城市路灯能源利用率普片不高，让路灯的电费和管理费用成为政府一项巨大的财政支出。伴随我国城市现代化建设的突飞猛进，城市路灯照明虽取得了一些辉煌成果，成为一项蓬勃发展的公用事业，然而中国电力供应不足和用电效率低下的状况依然比较严重，而且在今后相当长的一段时间内将继续存在，致使能源紧张和城建规模化发展形成了很大的矛盾，所以节约电能、提高路灯系统管理水平，已经是急需要解决的课题。据调查，中国小型城市在21:00后，大中城市在24:00后，道路上几乎空无一人，即便是北京、上海、广州这样的繁华都市，凌晨2:00以后，道路上也已罕见行人、车辆，从这一时段直至次日清晨为低交通流量，在道路上仍然保持较高照度显然是浪费资源，没有必要。3：要解决的问题为了节约路灯的耗电量，我们设计成这样一个模式:在繁忙的时段，控制路灯保持较强的照度，接近午夜时分，开始自动调光，在后半夜车稀人少时，则控制路灯保持较低照度的照明，那么它就可以在调光的同时也大幅度降低了电耗，节约了有功电耗，这样就可以在大力发展建设“两型社会”的同时也能让路灯亮起来，让城市亮起来，亮得更科学，亮得省电省钱。所以我们作这个路灯节能智能控制的研究，旨在认识当前路灯的缺陷的同时，也尝试着对其进行改善，设计出一个科学合理的方案达到节能的目的。无线传感器网络技术是近年来新兴的无线网络技术，无线传感器网络集成了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等技术，ZigBee技术作为无线传感器技术中的一种也随之发展起来，鉴于ZigBee技术其自身的特点，能更好的满足信息收集的要求。4：国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向无线通信技术经过近年来的不断发展已经日益成熟，一种基于ZigBee技术的无线网络节点技术成为未来工业设备控制、环保监测、电力控制、智能楼宇、医疗保健等应用领域的新亮点，一改传统基于GPRS技术的高成本无线控制方案，新型的低成本、低功耗、安全稳定、高抗干扰性的ZigBee技术解决包括无线数据采集、无线工业控制等问题，将成为未来无线控制技术的主流并将会应用得非常广泛。ZigBee技术应用前景十分广阔，全球的OEM厂商们都在积极地推出医疗、海事安全、自动化家居、恒温装置、安全监控、消费电子和仪器等设备的无线网络的ZigBee尖端科技产品，ZigBee技术必将成为一种全球应用广泛的无线控制技术。由于基于Zigbee的路灯控制系统没有地面控制箱和控制线路，避免了恶意破坏，而且，整个控制系统的各个模块具有高集成度，高可靠性和低功耗，低成本，体积小等优点，维护保养十分方便，只需更换相应节点即可，避免了传统控制线路本身带来许多麻烦，从而大大减少了设备购置成本，建设安装成本和系统维护成本。在一般情况下，使用芯片自身的信号发射强度，信号可靠的传递距离为40-100米，路灯的间距一般都在20-30米，而且路灯之间没有障碍物，不会对无线信号造成阻挡。这使得在路灯管理中非常适合使用Zigbee技术，而ZigBee技术以其低功耗、通信可靠、网络容量大等特点为路灯自动控制领域提供了较合适的解决方案，所以基于Zigbee的路灯智能控制系统也会受到越来越广泛的应用。实现ZigBee路灯管理节能即通过高科技手段对某范围内每一盏路灯的照明的效果，时间，地点，亮度进行有效的调节和控制，达到实施有效照明，降低能源浪费的有效模式，产品节能模式通过更换低功耗的照明灯具实现节能。4：研究指导思想及技术基础4.1指导思想从用电的浪费中入手实施节电,兼顾用电与节电需求间的平衡,实现两者的和谐统一。智能照明节能控制系统节电的设计思想针对路灯照明中的浪费情况,泰州市前进机电制造有限公司研制生产的“智能照明节能控制系统”产品,采取在保证用电需求的前提下,点着灯帮用户节电的设计思路,从路灯照明的供电源头，直至使用各个环节中存在的浪费现象,以及优化路灯照明光源使用分布和方便路灯管理、控制的角度,对路灯照明的节电提供完整而系统的解决方案。4.2技术基础总体设计部分基于ZigBee技术，ZigBee技术是无线网络技术的其中之一.ZigBee技术是依据IEEE802.15.4标准的一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,主要应用在短距离范围内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间,在数千个微小的传感器之间相互协调实现信.ZigBee采用了2003年发布的IEEE802.15.4协议标准作为其物理层和媒体接入(MAC)层的标准协议.2001年8月成立的ZigBee技术联盟为不同厂家生产的设备提供了统一的解决方案,解决其相互间的兼容性问题.ZigBee技术的网络层由ZigBee技术联盟制定,应用层则由用户根据自己的应用需要对其开发利用.模拟路灯节能控制系统部分基于PWM脉宽调制技术，采用STC12C5A60S2完成对模拟路灯系统的控制。既能通过键盘设定系统时间、控制支路和独立控制单只路灯开关灯时间，又能自动检测环境光亮度控制开关灯，并可以自动检测交通状况自动调节路灯亮度。采用恒流源、PWM脉宽调制和故障检测电路，对路灯进行功率调控和故障判断，从而实现对路灯的节能控制。三方案论证1：方案的选定1.1传统路灯的控制方式传统的路灯控制方式[3]有人工控制,时控方式,电力载波控制,GSM短消息控制,CDPD(CellularDigitalPacketData)蜂窝数字分组数据等.人工方式是工作人员根据开关灯的时间表手动进行开关灯的操作,时控方式是以时间作为开关灯的唯一根据,电力载波控制易受电力线强磁场的干扰,GSM短消息控制必须通过手机,费用较高.上述五种传统的路灯控制方式存在的问题是:运行操作结果不能集中监视,记录和统计,达不到量化管理的要求,不适应城市现代化的发展.在路灯的控制方面,ZigBee技术结合传感器技术组成的网络同样解决传统控制中存在的问题:1)选用特殊的亮度传感器可以实时采集光亮强度,大大降低了特殊环境,特殊时间误开误关的几率,脱离了人工干预.2)ZigBee技术采用直接序列扩频技术,保证信号传输的可靠性,避免其他信号的干扰.3)CC2430芯片的低功耗,延时短,协议框架简单,安装方便.1.2LED路灯照明与传统的路灯照明的比较我国十一五规划明确提出了节能减排的主要目标,单位国内生产总值能消耗比十五期末降低了20%左右，主要污染排放总量减少10%。全球每年照明用电要达到2400亿度以上,如果一半的传统照明光源被LED照明光源取代可省700亿度电,相当于700亿元.在环保方面,中国每年至少要用30亿个灯和日光灯管,产生30万t很难回收的玻璃垃圾,还有2万kg的剧毒汞,环境造成巨大的污染.随着LED行业技术发展的不断成熟,加上国家政策的支持和导向,目前国内外众多传统照明巨头纷纷投入到半导体照明的开发中,根据十一五规划,未来我国将开展十大节能工程,其中绿色照明,推广高效节电照明系统将是一个重要内容.目前道路照明仍以高压钠灯或金卤灯光源为主,LED照明主要采用LED作为发光光源.LED路灯尚处于示范推广向大规模应用的过渡阶段.但是随着产品稳定性的提升和产品价格的下降,LED路灯具有非常强的成长性.相对于传统路灯,LED照明道路具有以下优势:1)扩大了照明范围,2)提高了照明均匀度,3)低能耗(相同照度下能耗仅为高压钠灯的40%,节能50%以上),4)长寿命(有效使用寿命长达70000h),5)智能控制,免维护,环保无污染等.由器和终端节点3种.其中,协调器的硬件结构框图如图1。1.3Zigbee自身的技术优势①低功耗。在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月,甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。现在，TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee节点。该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的Zigbee提供电源。②低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10),降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。③低速率。Zigbee工作在20～250kbps的较低速率,分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。④近距离。传输范围一般介于10～100m之间,在增