CN103269546B - 一种led路灯智能控制***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED路灯智能控制***，其包括：参数传感器，其用于采集LED路灯的相关参数；LED驱动器开关电路，其用于根据处理器命令控制LED驱动器打开或关闭LED路灯的电源；LED驱动器调光电路，其用于在LED路灯电源打开的情况下，根据从处理器接收到的LED路灯调节亮度值控制LED驱动器调节LED路灯的亮度；LED驱动器，其用于根据LED驱动器开关电路和LED驱动器调光电路的指令，直接控制LED灯板进行相应的动作；处理器，其用于根据所述参数传感器采集到的相关参数确定LED路灯的开关状态及调节亮度值，并将确定的开关状态及调节亮度值发送至LED驱动器开关电路和LED驱动器调光电路。

Description

一种LED路灯智能控制***及其方法

技术领域

本发明涉及LED路灯的控制领域，尤其涉及一种LED路灯的智能控制***及其方法。

背景技术

随着社会的发展，能源问题己经成为全球最为关注的问题之一，能源危机己经成为全人类所面临的主要危机，特别是我国的电力能源近年来显得十分吃紧，电力紧张阻碍着我们的日常生产、生活，甚至严重影响到我国经济的发展与社会文明的进步。而在我国的整体用电中，照明用电又占有很大的比例。城市路灯是现代城市建设中重要的组成部分，它服务于交通安全和人们的生产、生话，美化了城市容貌，为创造良好的投资环境起着举足轻重的作用。符合视觉功能的照明质量是保障交通安全、社会治安、人们从事生产及娱乐活动等不可缺少的条件。随着我国经济的快速发展，照明路灯的数量越来越多，其用电量占城市的总用电量的比例也在不断增加。据统计显示，我国在路灯照明方面每年消耗超过1000亿元的电费，其发展速度十分惊人。在城市亮化、美化大潮的趋势下，城市景观照明耗电也吞噬着我们的电力资源。而发电企业投资和建设需要一个较长的周期，快速的经济发展需要更多更充足的电力供应和消耗，电力的供求之间矛盾重重。电力供应缺口很难在短期内得以缓解，发展与节约并重，己经成为经济建设的必然选择。此时，灯光照明行业节电也成为了我们的必然选择。

目前路灯照明使用的光源主要有两种：一是传统的高压钠灯，一是国家比较提倡的节能LED路灯，使用数量很少。LED(Light Emitting Diode，发光二极管)，具有体积小、耗电少、寿命长、可靠性高、响应速度快、驱动电压低等众多优点，正将逐步取代白炽灯和荧光灯等传统照明技术，应用于城市主干道、城市次干道、工业园区道路、城乡道路等领域。

节能、高效是LED路灯的代名词，国家***提出，要在5年内逐步淘汰白炽灯，发展LED绿色照明。南京在2010年曾经试点将一条道路上的路灯全部改成LED节能灯，不过一年多试用下来，效果却并没有预期的理想。在2010年8月份，南京路灯管理处首次大规模试点将南京解放路两侧的高压钠灯全部更换为LED灯。在解放路全长3公里的道路上，装置了LED路灯170盏，但一年多试点下来，效果却并不如人意。按照预设的使用寿命，一盏LED节路灯起码能用5年以上，但实际上不到两年的时间里，解放路沿线所有的LED路灯的驱动器全都已经维修更换了。稳定性差，价格贵、后期维修费用高。

由此可见，调节LED路灯的工作条件，以提高其使用寿命是非常重要的问题。

现有技术中提出的无线智能LED路灯控制***，其包括路灯管理中心***和Zigbee无线传感控制***；Zigbee无线传感控制***中每个LED路灯都安装有无线路灯智能控制器，无线路灯智能控制器与无线路灯智能控制器之间通过Zigbee节点自组网络进行组网，每个无线路灯智能控制器都有一个在网络上唯一的网络地址，无线路灯智能控制器在上电后自动加入网络；路灯管理中心***包括监控PC和服务器，路灯管理中心***通过公共网络与Zigbee无线传感控制***中的无线路灯智能控制器网络进行连接；通过对路灯的远程智能控制，实现道路的按需照明，节省能源；同时通过对路灯信息的采集，可以实时监控路灯的工作状态，并对路灯的故障进行检测，定位分析。

但是这种实现方式中，每盏LED路灯上的无线智能控制器只实现单一的组网功能，将信息通过网络上传到管理中心，自身没有分析判断功能，对路灯的控制完全依赖于网络。在网络出现故障时不能及时准确的对路灯进行控制。

现有技术中提出的另外一种大功率LED路灯智能管理控制装置，其包括有控制装置盒体，所述的控制装置盒体上分别开设有用于市电输入的主输入端口和用于连接大功率LED路灯的主输出端口，其特点是：输入端口上连接有驱动模块，驱动模块的输出端连接主输出端。驱动模块的主输入端连接有智能开关控制模块。智能开关控制模块的控制端上分别连接有时间控制模块、感应控制模块、远程智能控制模块。由此，在路灯电源的常规化开关控制的基础上增加智能化开关控制，在不影响使用的情况下最大限度的减少能源浪费。同时，能够让大功率LED路灯根据路面环境的实际状况进行最佳的照明。

但是，这种实现方案虽然具有各类控制模块，在路灯电源的常规化开关控制的基础上增加了智能化开关控制，减少了能源的浪费。但是没有考虑到LED路灯的寿命曲线公式，有可能使LED路灯长时间工作在大电流和高热量下，或者频繁的进行亮灭控制，这些都会严重降低LED的使用寿命。因此该方案不能在达到节约电能的同时兼顾延长路灯使用寿命的目的。

LED虽然节能，但与一般白炽灯具一样，一部分能量转化为光的过程中另外一部分能量转化成热量，尤其是LED为点状发光光源，其所产生的热量也集中在极小的区域内，若产生的热量无法及时散发出去，PE结的结温将会升高，加速芯片和封装树脂的老化，还可能导致焊点融化，使芯片失效，进而直接影响LED的使用寿命与发光表现，尤其是大功率LED，其发热量更大，对散热技术要求更高。

虽然很多LED产品标明发光寿命为10万小时以上，但在目前的实际应用中未见得有这么长的寿命，原因就是LED存在光衰问题，一旦LED发光亮度降到原来亮度的30％以下，就认为其已不可用。引起LED光衰的原因主要有：a.温度过高引起。LED路灯的光衰是和它的结温有关，所谓结温就是半导体PN结的温度，结温越高越早出现光衰，也就是寿命越短。假如从某厂家的LED路灯寿命曲线公式可以看出，结温为105度，亮度降至70％的寿命只有一万多小时，95度就有2万小时，而结温降低到75度，寿命就有5万小时，65度时更可以延长至9万小时。所以延长路灯寿命的关键就是要降低结温。b.LED芯片本身的光减和荧光粉引起的光衰。大多数白色LED路灯是由蓝色LED照射黄色荧光粉而得到的。引起LED路灯大功率灯珠光衰的主要原因有两个，一个是蓝光LED灯珠本身的光衰，蓝光LED灯珠的光衰远比红光、黄光、绿光LED灯珠的光衰要快。还有一个是荧光粉的光衰，荧光粉在高温下的衰减也十分严重。c.封装中绝缘胶、荧光胶水引起的光衰。LED高温会引起绝缘胶和荧光胶水的性能降低，从而影响灯具输出的光通量。d.LED支架对光衰的影响，LED支架有铜支架和铁支架，铜和铁的热导率不一样，铜导热性能好，能更快的给灯具降温，对光衰的影响较少。

从上面的分析可以看出，在路灯材料确定的情况下，影响LED路灯寿命最主要的因素是路灯的工作温度，而路灯的工作温度和路灯工作时间、施加在其上的电压和流经路灯的电流又是息息相关的。

发明内容

针对现有的LED路灯的使用寿命远低于设计寿命等问题，本发明提出了一种LED路灯智能控制***及其控制方法，从温度、电压、电流等多方面对路灯工作状态进行监测，同时具有数据的分析处理能力，可以通过处理器中事先预置的算法对这些数据进行处理，得出该盏路灯的最佳工作状态。

本发明公开的LED路灯智能控制***，其包括：

参数传感器，其用于采集LED路灯的相关参数；

LED驱动器开关电路，其用于根据处理器命令控制LED驱动器打开或关闭LED路灯的电源；

LED驱动器调光电路，其用于在LED路灯电源打开的情况下，根据从处理器接收到的LED路灯调节亮度值控制LED驱动器调节LED路灯的亮度；

LED驱动器，其用于根据LED驱动器开关电路和LED驱动器调光电路的指令，直接控制LED灯板进行相应的动作；

处理器，其用于根据所述参数传感器采集到的相关参数确定LED路灯的开关状态及调节亮度值，并将确定的开关状态及调节亮度值发送至LED驱动器开关电路和LED驱动器调光电路。

本发明公开的LED路灯的智能控制方法，其包括：

步骤1、将环境亮度分为不同等级，不同等级的环境亮度对应不同的LED路灯调节亮度值；

步骤2、由亮度传感器采集LED路灯所在位置的环境亮度；

步骤3、根据所采集到的环境亮度判断其是否大于预定的环境亮度阈值，若是则关闭LED路灯，并返回步骤2继续执行；若否，则执行下一步；

步骤4、根据所述环境亮度确定其对应的环境亮度等级，并由温度传感器、电压传感器和电流传感器采集LED路灯灯板温度和LED路灯的电压和电流；

步骤5、判断上述三个传感器采集的相应数据是否均小于预先设定的相应阈值，如果都小于，则根据所确定的环境亮度等级对应的LED路灯的调节亮度值调节所述LED路灯的亮度；

步骤6、若至少一个传感器采集的相应数据大于所述预先设定的相应阈值，则根据所确定的当前环境亮度等级、所述LED路灯灯板温度、LED路灯的电压、电流和LED路灯的寿命曲线公式确定所述LED路灯的调节亮度值，并根据所确定的LED路灯的调节亮度值调节所述LED路灯的亮度。

本发明公开的上述***和方法，使LED路灯在厂家设计寿命曲线公式指导下，根据LED路灯灯板温度、周围环境亮度自动调节单个路灯的亮度，达到在保证照明效果的前提下延长LED路灯使用寿命的目的。同时LED路灯智能控制***内还配有通信模块，在仅调节自身不能实现减少能耗，提高使用寿命的目的时可以将路灯状态参数上传至外部的监控中心，请求其协调相邻路灯的工作参数，互相补充，实现整个路段上路灯最优化工作。

本发明公开的上述LED路灯智能控制***在本地即可实现满足LED路灯正常工作的条件下，实现路灯寿命、能耗和亮度三者的最优化，反应速度快。控制器内部还包含通信模块，按照一定的通信协议，可以将每盏路灯的工作情况及所处的环境条件上传到监控中心，实现整个***的综合监控。尤其是在LED路灯工作条件恶劣，或者LED路灯状态异常，本地调节不能实现最优化目的的情况下，可以由监控中心统一进行调节，对其相邻路灯的工作参数进行协调控制，在降低能耗的同时均衡整个路段的路灯寿命，实现整个***的优化，减轻维修更换工作量，节约人力物力。

附图说明

图1是本发明中LED路灯智能控制***的结构框图；

图2是本发明中LED路灯智能控制***的控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种LED路灯智能控制***。

图1示出了本发明中LED路灯智能控制***的结构框图。如图1所示，该LED路灯智能控制***包括：MCU处理器、通信模块、电压传感器、电流传感器、亮度传感器、温度传感器、LED驱动器开关电路、LED驱动器调光电路和LED驱动器。

该LED路灯智能控制***的核心模块是MCU处理器，该处理器上直接连接所述电压传感器、电流传感器、亮度传感器和温度传感器，这些传感器用来采集路灯工作时的各类参数，并将所采集的各类参数提供给所述MCU处理器进行分析运算。其中，所述电压传感器测量施加在LED路灯两端的电压，电流传感器用来测量流经LED路灯的电流，亮度传感器用来测量该路灯所处位置周围的环境亮度，从而确定是否需要打开该盏路灯及路灯需要调节到哪个亮度值，温度传感器直接装在LED灯板上，用来测量该盏路灯的LED灯板的实时温度，以决定是否需要减小流过路灯的电流，进而减少发热。

该MCU处理器上还连接所述LED驱动器开关电路和LED驱动器调光电路，处理器输出不同的控制信号，可以通过LED驱动器开关电路和LED驱动器调光电路控制调节LED驱动器进行开关或者调光等不同的操作，进而控制LED灯板的打开关闭和亮度调节。

LED驱动器开关电路和LED驱动器调光电路都是对LED驱动器进行操作，LED驱动器则是直接控制LED灯板进行相应的动作，区别是LED驱动器开关电路控制LED驱动器打开或者关闭LED灯板的电源，而LED驱动器调光电路是在LED灯板电源打开的情况下控制LED驱动器对LED灯板的亮度进行调节的，LED路灯灯板电源关闭的情况下没有作用。

所述MCU处理器首先根据所述亮度传感器采集到的环境亮度确定当前环境亮度是否超过预先设定的开灯环境亮度阈值，如果超过，则通过所述LED驱动器开关电路控制LED驱动器关闭所述LED路灯的电源，如果不超过则确定当前环境亮度等级；其中所述环境亮度被分为不同等级，且每个环境亮度等级均对应LED路灯的一个调节亮度值；所述MCU处理器在确定了当前环境亮度等级后，控制所述温度传感器、电压传感器和电流传感器采集相应数据，并判断上述三个传感器所采集到的相应数据是否均超过预先设定的相应阈值，若至少其中一个相应数据超过预先设定的相应阈值，则利用最优化算法进行优化计算，即根据所确定的当前环境亮度等级、所述LED路灯灯板温度、LED路灯的电压、电流和LED路灯的寿命曲线公式进行优化，在确保所述LED路灯的寿命最大值的前提下，得到最佳的调节亮度，并通过LED驱动器调光电路控制LED驱动器调节LED路灯灯板的亮度。若所述三个传感器采集到的相应数据均小于所述预先设定的相应阈值时，则直接通过LED驱动器调光电路控制LED驱动器调节LED路灯灯板的亮度为当前环境亮度等级所对应的LED路灯调节亮度。

所述控制***内部包含的所述通信模块，能够按照一定的通信协议，将每盏路灯的工作情况及所处的环境条件即将所述电压传感器、电流传感器、亮度传感器和温度传感器采集到的路灯工作时的各类参数及该盏路灯的唯一网络编号上传到外部的监控中心，实现整个***的综合监控。

本发明还公开了所述LED路灯智能控制***的控制方法。

图2示出了本发明公开的所述LED路灯智能控制***的控制方法流程图。如图2所示，该控制方法中，设定了不需开灯的亮度阈值，并将需要开灯的环境亮度分级，不同的环境亮度等级均对应LED路灯的一个最佳调节亮度值；然后根据LED路灯的额定工作参数设置电压电流阈值，并根据厂家提供的LED路灯寿命曲线公式设置温度阈值(不同厂家不同型号的LED路灯寿命曲线公式都不同)。参数及阈值都设定好之后开始循环采集数据，进行判断，根据判断结果控制LED路灯进行相应的动作。具体流程如下：

步骤1、将环境亮度分为N个等级，对于不同的LED路灯，N等于该盏LED路灯能够调节的亮度等级数；

步骤2、由亮度传感器采集LED路灯所在位置的环境亮度参数；

步骤3、根据采集到的环境亮度参数判断环境亮度是否大于环境亮度阈值，若是则关闭路灯，并返回步骤2继续执行；若否，则执行下一步；

步骤4、根据所述环境亮度参数确定其对应的环境亮度等级，并由温度传感器、电压传感器和电流传感器采集LED路灯灯板的温度和LED路灯的电压和电流；

步骤5、判断上述三个传感器采集的相应数据是否均小于预先设定的阈值，如果都小于，则说明路灯工作状态良好，直接按照所确定环境亮度等级对应的LED路灯的调节亮度值调节所述LED路灯的亮度；

步骤6、若有至少一个传感器采集的相应数据大于阈值，则说明如果LED路灯工作在所述环境亮度等级对应的调节亮度值时寿命会缩短，此时需要进入最优化方法得到最佳的调节亮度值，并根据所确定的LED路灯的调节亮度值调节所述LED路灯的亮度。

所述最优化方法(也称做运筹学方法)是近几十年形成的，它主要运用数学方法研究各种***的优化途径及方案，为决策者提供科学决策的依据。最优化方法的目的在于针对所研究的***，求得一个合理运用人力、物力和财力的最佳方案，发挥和提高***的效能及效益，最终达到***的最优目标。从数学意义上说，最优化方法是一种求极值的方法，即在一组约束为等式或不等式的条件下，使***的目标函数达到极值，即最大值或最小值。从经济意义上说，是在一定的人力、物力和财力资源条件下，使经济效果达到最大(如产值、利润)，或者在完成规定的生产或经济任务下，使投入的人力、物力和财力等资源为最少。

最优化问题的解一般称为最优解。在解决实际问题时情况错综复杂，理想的最优解不易求得，或者需要付出较大的代价，因而对解只要求能满足一定限度范围内的条件，不一定过分强调最优。50年代初，在运筹学发展的早期就有人提出次优化的概念及其相应的次优解。因为最优化模型的建立本身就只是一种近似，实际问题中存在的某些因素，尤其是一些非定量因素很难在一个模型中全部加以考虑；另一方面，还缺乏一些求解较为复杂模型的有效方法。

本发明在温度传感器、电压传感器或电流传感器采集到的数据大于阈值时，不是简单判断LED路灯的调节亮度值，而是根据最优化方法进行优化运算，进而得到路灯在尽量不缩短其寿命的情况下应该工作的路灯亮度。所述最优化方法根据如下建立的数学模型实现，即：

将电压、电流、温度传感器采集到的数据分别记为U、I和C，路灯的调节亮度记为R，路灯寿命曲线公式由路灯的生产厂家提供，记为S＝f(c)，电流与路灯亮度的关系为I＝w(R)；r为根据环境亮度参数确定的当前环境亮度等级。

通常情况下，LED路灯两端的电压U＝220V，上下浮动范围由整个电网电压稳定性决定，暂时定为20％，因此，电压约束条件为U1＜U＜U2，其中U1＝176V，U2＝264V；电流根据电源的功率和路灯亮度不同，在I1＜I＜I2的范围内变化，其中I1是LED路灯正常工作的最小电流，此时路灯亮度最小；I2是LED路灯正常工作的最大电流，此时亮度也最大。不同功率的LED路灯，I1与I2是不同的，具体数值由路灯厂家提供。

LED路灯在路灯灯板温度高于65℃时，路灯非常容易损坏，因此温度约束条件C≤65。

此时问题转化为在电压、电流、温度及亮度等级r组成的约束条件下，求寿命S＝f(c)最大值的最优化问题，并且在寿命S最大值时的调节亮度值R即为优化后的调节亮度值。

利用matlab等软件进行数字化编程，求得该最优化问题的最优解，即LED路灯的最优调节亮度值，进而通过LED驱动器调光电路命令LED驱动器控制LED灯板进行相应的动作。根据寿命曲线公式S＝f(c)不同，建立的数学模型也不尽相同，相应采用的最优化问题求解方法也不同，通常可以在函数逼近法、模式搜索法、最小二乘法等方法中进行选择。

控制***内部还包含通信模块，按照一定的通信协议，可以将每盏路灯的工作情况及所处的环境条件上传到监控中心，实现整个***的综合监控。尤其是在LED路灯工作条件恶劣，或者LED路灯状态异常，本地调节不能实现最优化目的的情况下，可以由监控中心统一进行调节，对其相邻路灯的工作参数进行协调控制，在降低能耗的同时均衡整个路段的路灯寿命，实现整个路段路灯的优化控制，减轻维修更换工作量，节约人力物力。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种LED路灯智能控制***，其包括：

参数传感器，其用于采集LED路灯的相关参数；

LED驱动器开关电路，其用于根据处理器命令控制LED驱动器打开或关闭LED路灯的电源；

LED驱动器调光电路，其用于在LED路灯电源打开的情况下，根据从处理器接收到的LED路灯调节亮度值控制LED驱动器调节LED路灯的亮度；

LED驱动器，其用于根据LED驱动器开关电路和LED驱动器调光电路的指令，直接控制LED灯板进行相应的动作；

处理器，其用于根据所述参数传感器采集到的相关参数确定LED路灯的开关状态及调节亮度值，并将确定的开关状态及调节亮度值发送至LED驱动器开关电路和LED驱动器调光电路；

通信模块，其用于所述智能控制***与外部监控中心的信息交互；

所述参数传感器包括亮度传感器，所述处理器根据所述亮度传感器采集到的环境亮度确定所述LED路灯的调节亮度值；

所述智能控制***还包括温度传感器、电压传感器和电流传感器；所述处理器确定所述亮度传感器采集到的环境亮度不超过预定阈值后，根据所述亮度传感器采集到的环境亮度、温度传感器采集到的LED路灯灯板温度、电压传感器和电流传感器采集到的LED路灯的电压和电流确定LED路灯的调节亮度值；

环境亮度分不同等级，不同等级的环境亮度对应LED路灯的不同调节亮度值；在所述温度传感器采集到的LED路灯灯板温度、电压传感器和电流传感器采集到的LED路灯的电压和电流中的至少一个超过相应的预定阈值时，所述处理器根据所述亮度传感器采集到的环境亮度确定当前环境亮度等级，并根据所确定的当前环境亮度等级、所述LED路灯灯板温度、LED路灯的电压、电流和LED路灯的寿命曲线公式确定所述LED路灯的调节亮度值。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述参数传感器包括：电压传感器、电流传感器、亮度传感器和温度传感器。

3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述智能控制***包括LED驱动器开关电路，其用于命令LED驱动器控制所述LED路灯的开关；所述处理器确定所述亮度传感器采集到的环境亮度超过预定阈值后，通过所述LED驱动器开关电路控制LED驱动器打开或关闭所述LED路灯的电源。

4.如权利要求1所述的***，其特征在于，需要打开LED路灯的环境亮度分成不同等级，不同等级的环境亮度对应LED路灯的不同调节亮度值；所述处理器根据所述环境亮度确定当前环境亮度等级，并根据所述当前环境亮度等级确定LED路灯的所述调节亮度值。

5.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述根据所确定的当前环境亮度等级、所述LED路灯灯板温度、LED路灯的电压、电流和LED路灯的寿命曲线公式确定所述LED路灯的调节亮度值具体为在保证所述LED路灯寿命最大值的情况下，通过优化方法，求解得到最佳的环境亮度等级，并根据所确定的最佳环境亮度等级确定所述LED路灯的调节亮度值。

6.一种LED路灯的智能控制方法，其包括：

步骤1、将环境亮度分为不同等级，不同等级的环境亮度对应不同的LED路灯调节亮度值；

步骤2、由亮度传感器采集LED路灯所在位置的环境亮度；

步骤3、根据所采集到的环境亮度判断其是否大于预定的环境亮度阈值，若是则关闭LED路灯，并返回步骤2继续执行；若否，则执行下一步；

步骤4、根据所述环境亮度确定其对应的环境亮度等级，并由温度传感器、电压传感器和电流传感器采集LED路灯灯板温度和LED路灯的电压和电流；

步骤5、判断所述温度传感器、电压传感器和电流传感器采集的相应数据是否均小于预先设定的相应阈值，如果都小于，则根据所确定的环境亮度等级对应的LED路灯的调节亮度值调节所述LED路灯的亮度；

步骤6、若至少一个传感器采集的相应数据大于所述预先设定的相应阈值，则根据所确定的当前环境亮度等级、所述LED路灯灯板温度、LED路灯的电压、电流和LED路灯的寿命曲线公式确定所述LED路灯的调节亮度值，并根据所确定的LED路灯的调节亮度值调节所述LED路灯的亮度。