CN102905434A - 智能远程无线路灯监控***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能远程无线路灯监控***及方法，该***包括：至少一个路灯检测及控制装置，分别与每个路灯连接，用于检测每个路灯的状态信息并根据远程监控服务器的控制指令控制每个路灯的照明模式；至少一个无线协调器，与同一条路灯线路上的路灯检测及控制装置组成的无线传感器网络连接，用于将每个路灯检测及控制装置实时检测获得的每个路灯的状态信息传送给远程监控服务器；远程监控服务器，与所述无线协调器通信连接，用于根据每个路灯的状态信息对路灯的照明模式进行控制。本发明利用ZigBee网络实时采集各路灯的工作状态信息，并通过GPRS无线通讯与远程监控服务器进行连接，实现了对城市路灯的远程智能监控，具有广泛的应用前景。

Description

智能远程无线路灯监控***及方法

技术领域

本发明涉及一种路灯监控***，尤其是一种智能远程无线路灯监控***及方法。

背景技术

目前，能源问题已成为制约世界经济可持续发展的一个重大问题。如何高效地实现节能减排、开发可再生能源已成为全球关注的焦点。同时，随着城市化进程的推进，城市道路、夜景照明已成为城市文化的代表。在推进城市亮化工程的过程中，城市道路照明、灯饰工程等逐渐受到重视，路灯照明的节能减排及智能控制亦成为大势所趋。

目前，国内城市的城市路灯监控管理水平还非常低，通常是采用群控、组控及人工巡检的方式，这样不仅费时费力，还不能及时排除路灯故障，给城市照明***的管理和维护带来很大的困难。

在城市路灯管理中，有一个“亮灯率”的重要指标，该指标是主管部门对路灯管理单位进行考核的重要依据。传统技术采用线路负载电流或功率来评估亮灯率。由于线路电压的波动、光源伏安特性非线性以及灯具老化带来的一些不确定因素等，传统的评估方法很不准确。

很多城市的路灯控制***还停留在手动控制状态，不仅费时费力，而且还往往不能保证路灯100%地光亮，有时天已经亮了而灯还在全亮，不能实现智能化自动控制，浪费了电源和路灯的使用寿命。

随着数字通信和计算机技术的发展，无线技术的网络化、标准化要求逐渐出现在人们面前，ZigBee技术便是其中之一。ZigBee技术是依据IEEE 802.15.4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通信。

随着我国城市化建设的深入，大中型城市开始了智能化管理，各国纷纷加入智能城市、智慧城市的行列。在能源紧缺的社会中需要有与其配套的高效环保的智能化照明控制***，要求在对照明设备信息的获取和控制方式上做到远程化、智能化。现代智能公路的照明设计已不仅是某条道路或公路的照明设计，而是整个城市的路灯监控。各道路路灯可分别采用单独回路供电，这样可以根据不同需要，对各处的路灯实行单独控制，节约电能。

因此，亟需开发一种能满足智能化远程监控的路灯控制***，以满足智能城市建设及节能环保的要求。

发明内容

本发明的目的是：提供一种智能远程无线路灯监控***，通过无线网络方便实时地监控路灯的工作状态。

本发明的另一目的是：提供一种智能远程无线路灯监控方法，通过采集路灯的状态信息给路灯的照明模式进行实时控制。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种智能远程无线路灯监控***，包括：

至少一个路灯检测及控制装置，分别与每个路灯连接，用于检测每个路灯的状态信息并根据远程监控服务器的控制指令控制每个路灯的照明模式；

至少一个无线协调器，与同一条路灯线路上的路灯检测及控制装置组成的无线传感器网络连接，用于将每个路灯检测及控制装置实时检测获得的每个路灯的状态信息传送给远程监控服务器；

远程监控服务器，与所述无线协调器通信连接，用于根据每个路灯的状态信息对路灯的照明模式进行控制。

优选地，所述路灯检测及控制装置包括ZigBee控制器，所述ZigBee控制器的输入端连接有一光敏传感器，输出端连接有用于控制路灯的照明模式的调光驱动电路。

优选地，所述无线协调器包括主控器、GPRS模块及ZigBee模块，其中：

ZigBee模块，与同一条路灯线路上的路灯检测及控制装置组成的无线传感器网络连接，用于接收来自路灯检测及控制装置检测获得的路灯的状态信息并下传来自远程监控服务器的控制指令给路灯检测及控制装置；

GPRS模块，与所述远程监控服务器无线连接；

主控器，分别与所述ZigBee模块及GPRS模块连接。

优选地，所述ZigBee模块的输入端还连接有光敏传感器，输出端连接有用于控制路灯的照明模式的调光驱动电路。

较佳地，所述调光驱动电路为PID控制的BUCK型电流控制电路。

较佳地，所述远程监控服务器还通信连接有监控客户端。

较佳地，所述监控客户端为与远程监控服务器无线通讯连接的无线移动终端。

一种智能远程无线路灯监控方法，包括以下步骤：

利用光敏传感器检测各个路灯照明的状态信息，并通过无线网络将各路灯的状态信息发送给远程监控服务器；

远程监控服务器通过无线网络发送控制指令给各路灯的调光驱动电路以控制各路灯的照明模式。

较佳地，所述调光驱动电路为基于PID控制的BUCK型电流控制电路。

较佳地，所述无线网络基于ZigBee网络与GPRS网络的结合。

本发明的有益效果是：本发明智能远程无线路灯监控***及方法，利用ZigBee网络实时采集各路灯的工作状态信息，并通过GPRS无线通讯与远程监控服务器进行连接，实现了远程的智能监控，便于实时检测到路灯的故障状况，并通过对路灯状态信息的采集，便于优化路灯的照明模式，以达到节约能源的目的，真正实现了路灯的智能监控及远程监控的结合，可靠性高，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明智能远程无线路灯监控***的结构示意图；

图2是本发明路灯检测及控制装置的原理方框图；

图3是本发明无线协调器的原理方框图；

图4是本发明智能远程无线路灯监控***数据传输过程示意图；

图5是本发明智能远程无线路灯监控***优选实施例的结构框图；

图6是本发明中基于PID控制的BUCK型电流控制电路模型图；

图7是斜坡补偿及电感电流波形图；

图8是闭环***模型图

图9是无补偿时***开环传递函数波特图；

图10是PID控制调节电路图；

图11是PID补偿网络传递函数波特图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的描述，本发明以对LED路灯控制为例，但本发明的实施方式不限于此。

本发明智能远程无线路灯监控***，突破了现有的路灯定时、有线及群控等的局限性，采用两级节能的控制理念。第一级，通过LED路灯调光驱动电路，大大降低路灯的能源消耗，实现城市照明的节能降耗；第二级，采用基于ZigBee和GPRS无线通讯技术的远程监控***，并利用智能的监控及控制策略，实现对城市路灯***的远程智能监控，实时排除故障路灯，保障路灯的“亮灯率”，杜绝白天时的错误亮灯，从而实现第二次节能。

参照图1,一种智能远程无线路灯监控***，包括：

至少一个路灯检测及控制装置10，分别与每个路灯连接，用于检测每个路灯的状态信息并根据远程监控服务器30的控制指令控制每个路灯的照明模式；

至少一个无线协调器20，与同一条路灯线路上的路灯检测及控制装置10组成的无线传感器网络连接，用于将每个路灯检测及控制装置10实时检测获得的每个路灯的状态信息传送给远程监控服务器30；

远程监控服务器30，与所述无线协调器20通信连接，用于根据每个路灯的状态信息对路灯的照明模式进行控制。远程监控服务器还可以根据收集到的各个路灯的状态信息来计算、统计、查询各街道的亮灯率。

参照图2，所述路灯检测及控制装置10包括ZigBee控制器11，所述ZigBee控制器11的输入端连接有一光敏传感器12，输出端连接有用于控制路灯的照明模式的调光驱动电路13。

需要说明的是，ZigBee技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。ZigBee网络中的节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。这样，路灯检测及控制装置10既可以作为ZigBee网络中的单个节点，亦可成为中转其他路灯检测及控制装置10检测到的路灯的状态信息的中继节点，从而扩大整个ZigBee网络的规模。由于ZigBee网络通常有效的传输距离在100米以内，而同一线路上相邻两路灯之间的距离一般不会超过50米，需要传输的控制指令和状态信息业很少，因此，ZigBee技术完全可以满足路灯单灯控制的需要，并且通过路灯检测及控制装置10的接力传输形成的ZigBee网络可以对同一线路上的任意处路灯进行检测和控制。ZigBee网络的自组网技术也满足了数据传输的可靠性要求。

在具体实际应用中，本监控***所监控的路灯为LED路灯，由于LED作为高效半导体照明光源，具有长寿命、节能环保、色彩丰富、微型化等优点，其逐步替代传统的荧光灯、白炽灯，成为21世纪最具有发展前景的节能、环保型照明产品。故本发明以LED路灯为例，来进行说明。

ZigBee控制器11采用ZigBee芯片CC2530，光敏传感器12采集LED路灯的亮度，判断LED路灯工作是否异常，并通过ZigBee芯片CC2530将路灯的状态信息实时发送至无线协调器20。ZigBee芯片CC2530接收来自远程监控服务器30的控制指令，通过调光驱动电路13改变LED路灯控制口输出的PWM波来改变路灯的亮度，从而控制LED路灯的照明模式。

参照图3,所述无线协调器20包括主控器21、GPRS模块23及ZigBee模块22，其中：

ZigBee模块22采用ZigBee芯片CC2530，与同一条路灯线路上的路灯检测及控制装置10组成的无线传感器网络连接，用于接收来自路灯检测及控制装置10检测获得的路灯的状态信息并下传来自远程监控服务器30的控制指令给路灯检测及控制装置10；

GPRS模块23采用SIMCOM公司生产SIM300模块，与所述远程监控服务器30经因特网连接；

主控器21采用双串口单片机STC 12LE5A60S2，分别与所述ZigBee模块22及GPRS模块23连接。主控器21一方面经ZigBee模块22接收来自ZigBee网络的各LED路灯的状态信息，并将所接收的状态信息经GPRS模块23传递给与因特网连接的远程监控服务器30；另一方面，GPRS模块23接收来自远程监控服务器30的控制指令，并经ZigBee模块22传递至ZigBee网络，各路灯所处的路灯检测及控制装置10通过内部的ZigBee控制器11接收控制指令，并触发调光驱动电路13控制LED路灯的照明模式。

整个监控***的数据传输过程如图4所示。参照图5，每个路灯都作为Zigbee网络中的一个路由节点或终端设备节点，通过Zigbee网络将自身的状况实时的发送到Zigbee网络中的无线协调器20中，再通过GPRS网络将数据发送到远程的远程监控服务器30进行路灯状况的实时显示。通过远程监控服务器30上的程序自动控制整个LED路灯***。

优选地，无线协调器20内的ZigBee模块22的输入端还连接有光敏传感器12，输出端连接有用于控制路灯的照明模式的调光驱动电路13。这样，无线协调器20安装在LED路灯上，亦可以单独采集LED路灯的亮度状态信息并对LED路灯的照明模式进行控制。

在实际应用中，与因特网连接的远程监控服务器30还可以连接有监控客户端，这样通过监控客户端可以查看远程监控服务器30接收到的LED路灯的状态信息，判断各处LED路灯是否正常工作，并可以通过监控客户端远程控制LED路灯的照明模式，所述监控客户端可为PC机，亦可以无线移动终端，如手机、PDA等。

本发明智能远程无线路灯监控方法，包括以下步骤：

利用光敏传感器检测各个路灯照明的状态信息，并通过无线网络将各路灯的状态信息发送给远程监控服务器；

远程监控服务器通过无线网络发送控制指令给各路灯的调光驱动电路以控制各路灯的照明模式。

这样，用户不仅可以方便的通过远程监控服务器查询各路灯照明的状态信息，还可以通过远程监控服务器自动控制或者手动控制各路灯的照明模式。

优选地，所述调光驱动电路为基于PID控制的BUCK型电流控制电路，所述无线网络基于ZigBee网络与GPRS网络的结合。

传统的LED路灯的调光驱动电路皆采用纯硬件的控制方式，仅仅通过PWM控制MOSFET的开关来达到目的。本发明中调光驱动电路13优选为基于PID控制的BUCK型电流控制电路，运用软、硬件方法，在现有PWM控制的基础上，通过精确检测导通角，做到精确无级调整，具有启动电压低、转换效率高的特点。

图6是本发明中基于PID控制的BUCK型电流控制电路的模型图，参照图6，根据PID控制原理，可列出如下公式：

$G_{\mathrm{CM}}=\frac{R_3}{R_1+R_2}---\left(1\right)$

$V_{\mathrm{CP}}=K_P\·[(V_{\mathrm{ref}}-V_{\mathrm{Rs}})+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{T_s}(V_{\mathrm{ref}}-V_{\mathrm{Rs}})\mathrm{dt}+T_d\frac{d(V_{\mathrm{ref}}-V_{\mathrm{Rs}})}{\mathrm{dt}}]---\left(2\right)$

当微分环节为零时，在一个开关周期内，当***处于稳态时，检测电阻的电流的稳态误差为零，可得出如下公式:

$\frac{K_P}{T_i}\·{\∫}_0^{T_s}(V_{\mathrm{ref}}-V_{\mathrm{Rs}})\mathrm{dt}=0---\left(3\right)$

$\frac{K_P}{T_i}\·\{{\∫}_0^{{\mathrm{DT}}_s}(V_{\mathrm{ref}}-V_{\mathrm{Rs}})\mathrm{dt}+{\∫}_{{\mathrm{DT}}_s}^{T_s}(V_{\mathrm{ref}}-0)\mathrm{dt}\}=0---\left(4\right)$

由公式（3）和公式（4）化简可得:

$\frac{K_P}{T_i}\·{\∫}_0^{{\mathrm{DT}}_s}{V}_{\mathrm{Rs}}\mathrm{dt}=T_s{V}_{\mathrm{ref}}---\left(5\right)$

由公式（5）可以看出，电流控制的时间处在开关导通的区间，即可以通过控制开关管导通时的电流来完成一个周期的电流控制。下面来阐述基于PID的峰值电流控制电路的设计：

如图7所示的斜坡补偿及电感控制电流i_C(t)的电流波形图,当电路中加入斜坡补偿后，在开关管开通时电感峰值电流值i_L(t)不再等于控制电流i_C(t)，两者差值为m_adT_S。其中m_a为加入补偿电流波形的斜率。在[0，dT_S]及[dT_S，T_S]区间内，i_L(t)的峰值与其平均值的差值为m₁dT_S/2与m₂d^/T_S/2。其中m₁=(V_S-V_F-V)/2，m₂=(V-V_F)/2，V_S为输入电压，V_F为LED等效的电压源，V为输出电压。可得电感电流纹波的平均值：（m₁d²T_S+m₂d^/2T_S）/2。

所以电感电流的平均值为：

${<i_L\left(t\right)>}_{T_s}={<i_c\left(t\right)>}_{T_s}-m_a{\mathrm{dT}}_s-\frac{m_1{d}^2{T}_s}{2}-\frac{m_2{d}^{\&prime;2}{T}_s}{2}---\left(6\right)$

对下列变量引入小信号扰动：

${<i_L\left(t\right)>}_{T_s}=I_L+{\hat{i}}_L\left(t\right)$ ${<i_c\left(t\right)>}_{T_s}=I_c+{\hat{i}}_c\left(t\right)$ $d\left(t\right)=D+\hat{d}\left(t\right)$

$m_1=M_1+{\hat{m}}_1\left(t\right)$ $m_2=M_2+{\hat{m}}_2\left(t\right)---\left(7\right)$

将公式(7)代入公式(6)可得出公式（8）：

${\hat{i}}_L\left(t\right)={\hat{i}}_c\left(t\right)-(M_a{T}_s-{\mathrm{DM}}_1{T}_s-D^{\&prime;}{M}_2{T}_s)\hat{d}\left(t\right)-\frac{{\hat{m}}_1\left(t\right)D^2{T}_s}{2}-\frac{{\hat{m}}_2\left(t\right)d^{\&prime;2}{T}_s}{2}---\left(8\right)$

化简得：

${\hat{i}}_L\left(t\right)={\hat{i}}_c\left(t\right)-M_a{T}_s\hat{d}\left(t\right)-\frac{{\hat{m}}_1\left(t\right)D^2{T}_s}{2}-\frac{{\hat{m}}_2\left(t\right)D^{\&prime;2}{T}_s}{2}---\left(9\right)$

由公式（9）可得：

$\hat{d}\left(t\right)=\frac{1}{M_a{T}_s}({\hat{i}}_c\left(t\right)-{\hat{i}}_L\left(t\right)-\frac{{\hat{m}}_1\left(t\right)D^2{T}_s}{2}-\frac{{\hat{m}}_2\left(t\right)D^{\&prime;2}{T}_s}{2})---\left(10\right)$

因为控制电路中的参数变量都是以电压的形式作为控制参数，所以可将iL(t)及iC(t)分别表示为:

$i_L\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{Rs}}\left(t\right)}{R_s}---\left(11\right)$

$i_c\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{R_s}---\left(12\right)$

由公式(11)和公式(12)的定义，可将公式（10）线性化表示为:

$\hat{d}\left(t\right)=k_m[{\hat{v}}_{\mathrm{ref}}\left(t\right)-{\hat{v}}_{\mathrm{Rs}}\left(t\right)-k_s{\hat{v}}_s\left(t\right)-k_v\hat{v}\left(t\right)]---\left(13\right)$

其中：

$k_m=\frac{1}{M_a{T}_s{R}_s};$ $k_s=\frac{D^2}{2{\mathrm{LR}}_s};$ $k_v=\frac{(1-2D)}{2{\mathrm{LR}}_s}$

根据上述分析，可得到基于PID控制的BUCK型电流控制电路的小信号闭环***模型如图8所示。

由图8可得各参数变量的频域表达式：

开环传递函数为：

$T\left(s\right)=\frac{G_c{K}_m{G}_m{G}_{\mathrm{vd}}H\left(s\right)}{1+K_v{K}_m{G}_m{G}_{\mathrm{vd}}\left(s\right)}---\left(14\right)$

输出电压为：

$\hat{v}={\hat{v}}_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{KG}}_c{G}_m\left(s\right)G_{\mathrm{vd}}\left(s\right)}{1+T\left(s\right)}+{\hat{v}}_s\&CenterDot;\frac{G_{\mathrm{vs}}\left(s\right)}{1+T\left(s\right)}+{\hat{i}}_{\mathrm{lond}}\&CenterDot;\frac{Z_{\mathrm{out}}\left(s\right)}{1+T\left(s\right)}---\left(15\right)$

传递函数G_VS(S)：

$\frac{\hat{v}\left(s\right)}{{\hat{v}}_s\left(s\right)}{|}_{{\hat{v}}_{\mathrm{ref}}=0}=\frac{G_{\mathrm{vs}}-K_s{K}_m{G}_m{G}_{\mathrm{vd}}}{1+K_v{K}_m{G}_m{G}_{\mathrm{vd}}+K_m{G}_c{G}_m{G}_{\mathrm{vd}}H\left(s\right)}---\left(16\right)$

闭环传递函数：

$\frac{\hat{v}\left(s\right)}{{\hat{v}}_{\mathrm{ref}}\left(s\right)}{|}_{\begin{array}{c}{\hat{v}}_s=0\\ {\hat{i}}_{\mathrm{lond}}=0\end{array}}=\frac{1}{H\left(s\right)}\frac{T\left(s\right)}{1+T\left(s\right)}---\left(17\right)$

根据斩波降压电路的直流电压输出，可知峰值电流型Buck变换器中输入电压V_S=100V，设输出LED负载电压V_o=35V，开关频率f=100KHz，负载电流I=350mA，电感电流纹波峰-峰值I_pp=70mA,L=2mH，检测电阻R_S=0.8欧,开关管S₁选用N沟道功率MOSFET IRF840AS，开通电阻R_on=0.85Ω,I_D=6.0A。控制电路的设计步骤如下：

(1)确定H(s)

电路中检测电阻R_S=0.8Ω，额定电流为350mA，所以V_sen=0.36V，取V_ref=V_sen=0.36V，所以H(s)=V_ref/V_sen=1。

(2)确定传递函数民G_vd(S)

$D=\frac{V_{\mathrm{LED}}+R_{\mathrm{LED}}\&CenterDot;I}{V_s}=0.35---\left(18\right)$

$G_m=\frac{1}{M_a{T}_S}---\left(19\right)$

$G_{\mathrm{vd}}=\frac{{\hat{v}}_{\mathrm{sen}}\left(s\right)}{\hat{d}\left(s\right)}=\frac{{\mathrm{DR}}_{\mathrm{LED}}{R}_s\mathrm{LCs}+{2R}_{\mathrm{LED}}({\mathrm{DV}}_s-V_{\mathrm{LED}})}{s^2{R}_s\mathrm{LC}+(L-2{\mathrm{DR}}_{\mathrm{LED}}{R}_{s}C+R_{\mathrm{LED}}{R}_{s}C)s+D(R_{\mathrm{LED}}+2{\mathrm{DR}}_{\mathrm{LED}}+{\mathrm{DR}}_s)}---\left(20\right)$

(3)计算无PID控制补偿时***开环传递函数T(S)

无PID控制补偿时，传递函数G_C(s)=1，代入公式(16)，得到无PID控制补偿时***开环传递函数T(s)为:

$T\left(s\right)=H\left(s\right)\frac{K_m{G}_m{G}_{\mathrm{vd}}\left(s\right)}{1+K_v{K}_m{G}_m{G}_{\mathrm{vd}}\left(s\right)}=\frac{K_m{G}_m{G}_{\mathrm{vd}}\left(s\right)}{1+K_v{K}_m{G}_m{G}_{\mathrm{vd}}\left(s\right)}---\left(21\right)$

$T_0=\frac{{2G}_m{K}_m}{R_{\mathrm{LED}}({\mathrm{DV}}_s-V_{\mathrm{LED}})}=3.27---\left(22\right)$

无PID控制补偿时，如图9所示，由公式(21)可求得，函数穿越频率为88763rad/sec，f=1.4x10⁴Hz，相位裕量为T(jw)=35°。

PID控制补偿设计

控制补偿电路的设计是开关变换器瞬态设计的重要组成部分。超前(PD)控制补偿器用来改善相位裕量和增大反馈环的带宽，抑制高频扰动，滞后(PI)控制补偿器用来增大低频环增益，抑制低频扰动，使稳态误差更小。PID控制补偿器集合了超前(PD)补偿器和滞后(PI)补偿器的优点，低频时，增大低频环增益，实现输出电压低频分量的精确调节;高频时，改善相位裕量。PID控制补偿器与PI控制补偿器相比，除了同样具有提高***的稳态性能的优点外，还在提高***动态性能方面，具有更大的优越性。故在电流内环内增加一个PID校正控制网络，使其能减小电流波动，精确控制LED的电流，具有良好的负载调节特性。

PID控制调节电路图如图10所示。

PID控制补偿器的传递函数为:

$G_C=\frac{1+s{R}_3{C}_2}{s{C}_2}\&CenterDot;\frac{1+s{R}_2{C}_1}{R_1+R_2+s{R}_1{R}_2{C}_1}---\left(23\right)$

加入控制补偿器后的传递函数的穿越频率f_C是开关频率的十分之一，即:

f_C=0.1f_S=10kHz。

由图10可知，***在10KHz的幅频特性上的幅值为-4.95，相位裕量为41度。假设控制补偿后相位裕量为60度，零极点频率计算公式为：

补偿后，***开环传递函数为：

$T_v\left(s\right)=G_c\left(s\right)T\left(s\right)=T_c\frac{(1+\frac{s}{w_z})(1+\frac{w_L}{s})(1+\frac{s}{w})}{(1+\frac{s}{w_P})(1+\frac{s}{{\mathrm{Qw}}_o}+{\left(\frac{s}{w_o}\right)}^2)}---\left(26\right)$

有公式（24）至（26）可推知：

$G_c\left(s\right)=\frac{4.73(1+\frac{s}{16838})(1+\frac{234491}{s})}{1+\frac{s}{367831}}---\left(27\right)$

可计算T_V=21.39。

加入PID控制后的***开环传递函数T_V(s)为:

$T_v\left(s\right)=\frac{21.39\&times;(1+\frac{s}{16838})(1+\frac{234491}{s})(1+\frac{s}{169256})}{(1+\frac{s}{367831})(1+\frac{s}{67000}+{\left(\frac{s}{47482}\right)}^2)}---\left(28\right)$

在传递函数中引入倒置零点，是为了改善开环传递函数的低频特性。但不会不影响***的中高频特性。增益穿越频率越高，***动态响应时间越短，高频极点用于抑制高频扰动。

PID控制电路参数：

峰值电流型Buck变换器的PID补偿器如图10所示，由公式（23）及公式（26），可求得Buck变换器的PID补偿器电路参数R₁、C₁、R₂、C₂、R₃：

G_CM=R₃/(R₁+R₂)=4.73

ω_z=1/(R₂C₁)=16838rad/sec，R₂=13KΩ，C₁=4.5nF

ω_L=1/(R₃C₂)=6283rad/sec，R₃=66KΩ，C₂=2.5nF

ω_p=(R₁+R₂)/(R₁R₂C₁)=234491rad/sec，R₁=1KΩ

PID控制补偿网络传递函数的波特图如图11所示，本发明基于PID控制的Buck型电流控制电路应用PID算法的峰值电流控制PWM电路进行了反馈，从而使得LED驱动电路具有较好的稳定性，对负载扰动和输入电压的扰动的抑制能力强，通过峰值电流控制PWM，使得***的动态响应快，并简化了补偿电路、使得增益带宽变大，并易于均流。

在实际应用中，本发明智能远程无线路灯监控***具有如下功能：照明控制功能、照明监测功能、应急调度功能及生产管理功能。下面对各功能进行具体说明：

1、照明控制功能

照明控制功能包括：可以自动或手动控制实现全夜灯、半夜灯、景观灯和广告灯的开灯和关灯，包括群控、组控及单独控制；采用时控、光控、震动控制、应急控制相结合的路灯控制方案，当调度失控时，终端可以独立运行，完成开、关灯；根据需要，可将终端可分为不同功能组，以实现群控和组控等多样化控制；可实现隔一盏灯开/关灯、隔数盏灯开/关灯、单灯调光等控制策略；能实现对路灯、景观灯、广告灯的监控。

2、照明监测功能

具体包括：利用各类传感器装置，定时自动或手动地巡测或选测路灯电压、电流、功率、照明度、温度、震动或开关状态等参数；采用控制终端主动报警和调度控制终端报警相结合的报警方案；自动监测***的各种故障并发出相应的语音或声光报警；在路灯终端上配置摄像头，以采集路灯周围图像信息，通过通信通道传输指令数据集图像数据；计算、统计、查询各街道亮灯率；查询、打印任意时间内的监测数据及统计数据。

各路灯终端可以分析自身的故障状况，并主动向监控中心报警，即路灯终端一旦发生故障（停电、错误亮灯、灭灯等）立即向监控中心报警；当监控中心的服务器接收到路灯终端的主动报警后，会立即在屏幕上显示故障位置、故障名称，并用语音提示操作人员故障名称、状态等信息，以保证及时处理故障。同时存入数据库，以备查询。

监控中心可以通过以下几种方式报警：

电脑声光报警，提示值班人员注意；

电话语音报警，监控室无人值守时，监控中心通过GPRS网自动拨通有关人员的电话，发出语音警示；

手机短信报警，监控室无人值守时，监控中心通过GSM无线移动电话网自动向有关人员的手机发出报警短消息。

通过直接检测或对检测的数据进行分析后，监控***可以发现如下故障：

线路漏电；

线路断路（线路损坏或盗线引起）；

接触器失效；

停电或电源侧熔断器烧断；

短路故障；

过/欠电压；

过/欠电流

节点通讯失败。

3、应急调度功能

应急调度功能具体包括：根据光照度提前开灯、延后关灯的应急控制功能；具有任意选定、分组或全体停止运行或恢复运行控制功能；应急启动摄像，拍摄现场图片，实现现场监控；可分组设计广告灯、景观灯的开、关灯时间。

4、生产管理功能

生产管理功能具体包括：

部门及人员管理；部门及人员工作、职责管理；***运行维护管理；设备运行维护管理。

***根据管理员、操作员、其他人员的职责范围分级，分别设定密码及操作权限，防止人为原因造成的事故，确保***安全可靠运行。同时可以将用户的操作记录存入数据库，以备日后查询。具有最高权限的***管理员可以对***重要数据进行设置。

按不同灯型、不同区域、不同路段、不同时段，***可在线设置控制参数及光照度值，同时也可以在线调整各类节点运行参数和告警保护参数，包括：

报警值的设定：设置电流、电压等报警项的上限和下限值；

开关灯时间修正：改变***默认的开关灯时间，以适应用户需要；

节点基本配置维护：用于改变配置或初始化每个节点的配置，例如：通讯号、支路分配等数据，以保持与节点的一致性；

对采用全夜／半夜灯的节点进行全／半夜灯设置；

线路走向维护：每一点的每一支路均有各自的街区走向，此项功能即是将每一支路在其相应的节点街区图上标定其走向，使***出现的故障可以在节点街区图上定位，便于维修人员有目标的进行维修。

标准数据维护：对每一节点的电流、电压正确数据进行维护，作为计算差值并与报警值比较的依据，从而实现准确报警。此组数据的更正可以在巡测或召测中自动完成，亦可手动输入。

巡测周期：设置巡测间的时间间隔。

用户利用监控***还可以对任意时间段内所有设备的检测数据、告警数据、用户操作记录进行查询、打印、备份和整理，可以根据存储数据，统计出任意时间段内的亮灯率曲线、耗电量等报表。

主要的查询统计包括：

历史数据：可查询任意一日的数据；

前一次数据：可查询前一次的数据；

按经纬度，计算当地一年开关灯时刻表；

某日、某节点的亮灯率；

某月、某节点的亮灯率和全市总亮灯率；

各节点的路灯型号；

全夜／半夜灯设置情况。

本智能远程监控无线路灯监控***，与现有的路灯监控***相比，具有以下三方面的优势：

1、精确化

以ZigBee为代表的短距离无线通信技术与以GPRS为代表的无线移动通讯技术的结合，可实现对照明设施中的单灯（杆）进行精确控制，进而可实现对监控目标的精细化管理。

2、节约化

节约化主要体现在：

2.1、LED路灯的调光驱动电路13集成在智能化单灯终端节点中，实现控制和管理的统一；

2.2、本发明中采用无线监控，直接免除了铺设控制线缆的费用；

2.3、实现单灯监控，可以极大提高节能效率，避免节能设备对电网造成二次污染，降低节能成本。

2.4、单灯控制将使管理者全面准确地掌控设备运行及故障情况，预防或减少各种事故所造成的损失。

3、智能化

智能化主要体现在：

3.1、在网络组建和初始化阶段，ZigBee网络能够自发现、自组织。

3.2、在网络运行阶段，ZigBee网络和GPRS网络能自检测、自调节，在一系列软硬件的配合下，能维持网络正常工作状态，实现故障预警。

3.3、智能化单灯终端节点可工作在自控工作模式和遥控工作模式两种模式下。智能化单灯终端节点可根据预先设定的时间周期（比如整点）将各种状态及检测数据上报给远程监控服务器。当智能化单灯终端节点检测到有突发故障（如供电停电、白天亮灯、晚上熄灯、各种传感器报警等）出现时，会以主动上报方式将故障信息上报给远程监控服务器。智能化单灯终端节点内部装有备用电池，当供电线路停电时，终端节点可以自动切换到由电池供电，并向监控中心发出供电停电或故障报警。远程监控服务器以一定的周期对智能化单灯终端节点状况进行巡检，如果智能化单灯终端节点长时间没有响应，可将该智能化单灯终端节点标记为故障嫌疑节点，以便管理部门进一步核查、修复。

本发明智能远程无线路灯监控***，利用ZigBee网络实时采集各路灯的工作状态信息，并通过GPRS无线通讯与远程监控服务器30进行连接，实现了远程的智能监控，便于实时检测到路灯的故障状况，并通过对路灯状态信息的采集，便于优化路灯的照明模式，以达到节约能源的目的，真正实现了路灯的智能及远程监控的结合，可靠性高，应用前景广阔。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种智能远程无线路灯监控***，其特征在于，包括：

至少一个路灯检测及控制装置，分别与每个路灯连接，用于检测每个路灯的状态信息并根据远程监控服务器的控制指令控制每个路灯的照明模式；

至少一个无线协调器，与同一条路灯线路上的路灯检测及控制装置组成的无线传感器网络连接，用于将每个路灯检测及控制装置实时检测获得的每个路灯的状态信息传送给远程监控服务器；

远程监控服务器，与所述无线协调器通信连接，用于根据每个路灯的状态信息对路灯的照明模式进行控制。

2.如权利要求1所述的智能远程无线路灯监控***，其特征在于：所述路灯检测及控制装置包括ZigBee控制器，所述ZigBee控制器的输入端连接有一光敏传感器，输出端连接有用于控制路灯的照明模式的调光驱动电路。

3.如权利要求1所述的智能远程无线路灯监控***，其特征在于：所述无线协调器包括主控器、GPRS模块及ZigBee模块，其中：

ZigBee模块，与同一条路灯线路上的路灯检测及控制装置组成的无线传感器网络连接，用于接收来自路灯检测及控制装置检测获得的路灯的状态信息并下传来自远程监控服务器的控制指令给路灯检测及控制装置；

GPRS模块，与所述远程监控服务器无线连接；

主控器，分别与所述ZigBee模块及GPRS模块连接。

4.如权利要求3所述的智能远程无线路灯监控***，其特征在于：所述ZigBee模块的输入端还连接有光敏传感器，输出端连接有用于控制路灯的照明模式的调光驱动电路。

5.如权利要求2或者4所述的智能远程无线路灯监控***，其特征在于：所述调光驱动电路为基于PID控制的BUCK型电流控制电路。

6.如权利要求1所述的智能远程无线路灯监控***，其特征在于：所述远程监控服务器还通信连接有监控客户端。

7.如权利要求6所述的智能远程无线路灯监控***，其特征在于：所述监控客户端为与远程监控服务器无线通讯连接的无线移动终端。

8.一种智能远程无线路灯监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用光敏传感器检测各个路灯照明的状态信息，并通过无线网络将各路灯的状态信息发送给远程监控服务器；

远程监控服务器通过无线网络发送控制指令给各路灯的调光驱动电路以控制各路灯的照明模式。

9.如权利要求8所述的智能远程无线路灯监控方法，其特征在于：所述调光驱动电路为基于PID控制的BUCK型电流控制电路。

10.如权利要求8所述的智能远程无线路灯监控方法，其特征在于：所述无线网络基于ZigBee网络与GPRS网络的结合。

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