俞满荣1 夏娟2
浙江省杭州市 310000
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摘要：近年来，在新型智慧城市建设期间，传统亮化工程存在智能化程度低、电能损耗大、维护困难、控制手段单一的问题，难以满足城市公共照明需求。基于此，为持续提升城市公共照明管理水平，本文对智慧照明及亮化工程控制系统结构、关键技术、开发设计策略进行深层次探究，为我国智慧城市的建设发展提供思路。
关键词：智慧照明；亮化工程；控制系统；开发设计
一、智慧照明及亮化工程控制系统结构
1、系统总体结构
智慧照明及亮化工程控制系统架构由终端层、感知层、硬件层、通信层、控制层以及应用层组成，各层次分工明确，相邻层间保持紧密的耦合关系，共同构成稳定的控制系统。其中，终端层由路灯、室内等、景观灯等城市照明节点组成，负责执行云服务器或后台管理系统传达的控制指令，调整灯具运行负荷与照明亮度。感知层由所安装的温度传感器、摄像头、能耗计量器、光传感器等信息传感装置组成，负责感知照明终端节点的实时运行状态与周边环境，采集环境温度、光源亮度、自然光亮度等要素信息，向控制中心反馈现场监测信号与拍摄的图像视频资料。硬件层由集中控制模块、配电箱与通讯模块等硬件设备组成，向控制系统提供多元化的使用功能，如使用通讯模块将现场监测信号经过ZigBee网络上传至集中控制器。通信层由GPRS广域网和ZigBee区域网组成，负责将现场监测信息上传至应用层，再将控制层下达的控制指令传达至硬件层。控制层由计划控制、最优化控制、模糊推理控制、场景控制等模块组成，基于程序运行准则对上传数据与现场监测信号进行逻辑分析处理，准确判断智慧照明及亮化工程实时运行状况，在用户界面以图表曲线形式集中显示。同时，根据城市照明需求评估结构，辅助人工或智能制定控制决策，下达具体的控制指令。应用层由GIS地理信息系统、大数据分析决策系统等高附加值模块系统加以组成，负责开展数据加工、聚类分析、有用数据提取等操作。
2、功能配置结构
参考国内外成熟的智慧照明及亮化工程控制系统案例来看，为满足实际的城市公共智慧照明需求，需要在控制系统中开发数据采集、数据传输、智能调光、自动报警等使用功能。其中，数据采集功能负责持续对终端设备与周边环境数据进行采集，监测要素包括光照强度、电流值、路灯电压、光源亮度、车流量与人流量等。数据传输功能负责将所采集信息数据上传至后台管理系统与移动终端设备，以及将所制定控制指令传输至终端设备。数据分析功能通过数据逻辑运算结果来判断系统实时运行状况，如将设备电流电压量测值与额定值对比分析，如果出现超限问题，表明设备或系统存在运行故障，根据分析结果来判断故障类型。智能调光功能依托控制系统的全局节点独立控制方式，由管理中心根据数据分析结果制定控制指令，调整终端设备的运行状态及方式，如调整路灯运行负荷、光源亮度、照明模式。
此外，为保持智慧照明及亮化工程稳定运行，提高维护管理效率，还需在控制系统中开发故障自动报警、历史数据查询、故障诊断等使用功能。如此，在系统运行期间检测到异常状况或异常数据时，基于程序准则自动开展故障诊断工作，向用户发送报警信号，准确判断故障类型、产生原因与锁定故障点位，为设备检修计划的制定提供辅助决策。
二、智慧照明及亮化工程控制系统的关键技术
1、无线通信组网技术
1.1ZigBee通信网络技术
采取树状或是网状的拓扑结构形式，结构体系由信息终端、路由、协调器三部分组成，信息终端持续采集系统运行期间产生的实时信息数据，路由起到增加网络终端节点数量的作用，协调器负责建立网络以及分配地址。与其他通信组网技术相比，ZigBee网络具有组网容量大、休眠-唤醒响应速度快、运行功耗低的优势，响应速度达到毫秒级。然而，这一网络存在无法直接接入因特网等技术局限性，在智慧照明亮化工程控制系统中多用于中近距离数据传输。
1.2GPRS通信技术
GPRS通信属于一种无线分组交换技术，负责提供广域端到端无线IP连接服务。与早期的GSM系统相比，GPRS通信网络新增网关支持以及服务支持节点，具备多元化通信功能，可以满足不同应用场景下的通信传输需求，如外部分组交换网数据通信使用功能。根据实际应用情况来看，GPRS通信网络自控制系统的感知层获取现场监测信号，基于GPRS通信协议依次向GSM基站与SGSN系统传输，经过GPRS骨干网与GGSN保持通信状态，将所传输信息数据经过处理好后提交至因特网制定端号口，最终发送至云服务器。与其他通信技术相比，GPRS技术相对较为落后，数据传输速度较低，但硬件结构配置简单，前期建设成本低廉，适用于网络节点数量较少的小型智慧照明及亮化工程。在智慧照明工程投运使用期间，可选择配置4G通信模块或5G通信模块来替代GPRS通信模块，以提升数据传输速度。
2、云技术
在早期智慧照明及亮化工程中，普遍选择在物理服务器基础上构建虚拟服务器，将系统信息数据存储在物理硬盘上，组建一支规模庞大的技术团队负责开展部署操作等工作，系统实际运行成本较为高昂，缺乏有效的安全措施，硬盘可靠性较差，且定期支付额外成本用于升级硬件，存在明显的技术局限性。
与此同时，随着智慧照明及亮化工程组网规模的扩大，如果仍旧采取传统的物理服务器组网方式，将大幅提高控制系统的开发设计与运营成本，且数据处理能力提升幅度有限，难以满足实际的控制需要。
因此，需要在智慧照明及亮化工程控制系统中应用云技术，由集群方式构建虚拟服务器来替代物理服务器，采取冗余存储与集群计算方式，将数据处理任务进行分解处理，同时由多台服务器处理数据信息，再将多个处理结果聚合处理，在高效完成数据处理与存储任务的同时，使用大量的低配机器获取与超级计算机相似的使用性能。例如，在智慧照明系统节能优化调度应用场景中，基于云平台的异步渐进动态迁移算法以及自适应优化分配算法，在短时间内获取计算结果，制定与下达节能优化调度指令。与传统服务器相比，云服务器具有云盘数据存储可靠、可自动宕机迁移、具备木马查杀与DDos防护多项安全防护功能、自动配置与随时升级硬件结构、运维成本低廉、兼容扩展性强等优势。
3、物联网技术
物联网是在互联网基础上延伸扩展构成的互联互通网络体系，组合应用到射频识别、红外感应、GPS定位等多项技术，控制系统中的信息传感装置与终端照明装置保持互联互通与信息交换状态，具备基础照明设施智能识别、监控、远程控制、软启动、自动保护等多元化使用功能。在智慧照明及亮化工程控制系统中，物联网技术的核心优势在于，通过系统内配置的信息传感装置，自动感应外部环境变化情况，智能评估照明需求，根据实际运行情况与自身状态自动切换至特定的工作方案，维持智慧照明系统最佳运行状态，无需调度人员开展大量的状态设定操作。
三、智慧照明及亮化工程控制系统的开发设计
1、硬件电路设计
控制系统硬件电路设计要点如下：第一，明确设计思路。考虑到智慧照明及亮化工程运行期间普遍存在调光精度不佳、路灯亮度调节响应速度慢的问题，致使照明系统产生不必要的能源损耗。因此，需要在硬件电路框架中配置路灯节点控制器、ZigBee协调器、GPRS模块、集中控制器。在控制系统运行过程中，由路灯节点控制器完成现场监测信号采任务，将监测数据依次传输至ZigBee协调器、集中控制器与GPRS模块，最终反馈至后台管理中心，在用户界面上集中显示，为调度控制计划及执行的制定提供信息依据。第二，路灯节点控制器设计。为实现运行参数量测值实时上传、电源转换、现场监测信号采集等使用功能，路灯节点控制器硬件电路框架以微处理器为核心，分布功率采集、光强采集、电源转换、车流量感应、路灯关闭等外围电路。以光强采集电路设计为例，以光强传感器为电路核心，传感器与时钟信号线及数据线连接，传感器采集光照强度监测值，经由IIC总线传输至微处理器，电路的数据信号引脚与时钟信号引脚分别与微处理器的一处I/O引脚连接，提前在下位机程序内定义IIC读写时钟。第三，ZigBee协调器电路设计。将微处理器作为电路框架核心，与集中控制器电路连接多处引脚，设计仿真器接口电路，在微处理器内存通电下载ZigBee协议。如此，可以起到协调器自动组网和联通路灯节点控制器以及集中控制器的作用。第四，集中控制器电路设计。配置STM32微处理器作为集中控制器的处理芯片，在芯片中设置一定数量的USART串口，通过串口与电源电路、FFLASH电路、仿真电路、启动模式控制电路等外围电路保持连接，以联通GPRS网络以及ZigBee网络。第五，GPRS模块电路设计。GPRS模块电路框架由处理芯片和电源电路、SIM卡电路、复位启动电路、RS232电路四处外围电路组成，负责实现无线远程数据传输作用，经过端口向后台管理中心上传现场监测信号与环境数据。
2、软件开发
智慧照明及亮化工程控制系统软件结构由GIS地理信息系统模块、终端控制模块、灯具实时监控模块、故障诊断专家系统模块、云服务器、智慧照明系统APP、统计决策支持模块等部分组成。以终端控制模块设计为例，同时设置直接控制、场景控制、时控计划控制三种方式。其中，直接控制是通过上位机对辖区内路灯节点控制器下达控制指令，以调整照明单元或单独照明灯具亮度的控制方式。场景控制是提前在系统程序中预设不同工作方案，控制系统根据现场环境信息与监测信号，判断所处环境状况与照明需求，以若干路灯节点控制器为一个组合，自动调整组合内各灯具的照明亮度、照明方式与运行负荷，切换至不同的工作方案。时控计划控制是提前在系统中提交未来一定时间段或特定时间段的调光方案，系统根据现场监测信号与信息处理结果，判断是否满足预设调光计划的触发条件，如在日落时间切换照明模式，实现日出灭灯与日落灭灯的智慧照明控制目标。
结语：
综上所述，为加快新型智慧城市的建设步伐，实现绿色节能智慧照明发展目标。因此，相关单位需要将智慧照明亮化工程研究与建设工作提上日程，依托云技术、物联网与人工智能技术，构建起新一代的智慧照明控制系统，为市民提供优质完善的城市公共服务。
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1.身份证号码：3424271986****6017 2.身份证号码：3407211988****0925