路灯控制器仿真研究

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摘要：随着社会的发展，路灯越来越成为城市建设中不可或缺的公共基础设施。城市路灯系统的管理水平，不仅反映了城市的建设水平，更体现了城市的现代化水平。在目前能源危机的大背景下，传统的路灯控制手段已经不能满足现代化的路灯控制要求，设计和实现自动化程度较高的路灯控制系统显得十分必要。

本文探索和讨论了在LabVIEW 编程环境下对路灯控制器的仿真研究。通过运用LabVIEW图形编程语言设计出智能路灯控制系统，实现对路灯的高效、精确的控制，降低路灯的能源消耗以适应未来社会的能源需求。

关键字：路灯控制器 ，能源 ，LabVIEW

中图分类号：TM571文献标识码： A

1 绪论

本课题来源于浙江工商大学计算机仿真实验室在LabVIEW平台上的初步应用和探索。由于普通的硬件设备不可避免地会出现误差，用它构建的测试系统性能不可能太高。而运用虚拟仪器与计算机结合能有效避免这些误差从而提高工作效率，所以我们希望在此平台上设计一个高效的智能路灯控制系统。

1.1背景与意义

1.1.1背景

21世纪是一个能源紧缺的时代，能源危机已直接影响到全球经济的发展。尤其在中国，资源紧缺已成为制约国家经济发展的重要瓶颈。怎样才能解决能源危机呢?有两种途径，一是开发新能源，二是节约现有资源。但新能源的开发限于技术水平尚处于小规模研究阶段，大规模的应用还有着很长的路要走，所以如何有效利用现有资源就成了我们当前亟待解决的问题。

现在全世界都在号召人们节约能源。2005年美国公布了新的能源法案（EPACT，2005），立法促进消费者节约能源。美国政府将降低能源企业税收（减税总额为146亿美元）以鼓励企业的节能措施，此外还将给予相关节能企业总额不超过50亿美元的补助以提高能效。德国采用能耗标签制度，尽最大可能节约电能。能耗标签制度规定，所使用的电器一定要贴有欧盟统一标准的能源标签。日本将节能措施运用到了生活的方方面面，制定了完善的政策。从1983年至今，日本的工业产量提高了四倍，但是其能耗却几乎与以前一样保持不变。我国现在也积极投身节能事业当中，号召大家低碳环保生活。

在巨大的能源消耗当中，照明占据了较大的比例，照明节电已成为节约能源的一个重要方面。路灯照明系统无疑是不可或缺的重要基础设施，也是美化城市环境的重要景观，许多城市的道路照明都是城市的一道靓丽的风景。但路灯照明系统在营造城市宜居环境、为人民提供便利的同时，也消耗着大量的电力资源。据估计，一个100万人口的中型城市，每年仅在路灯照明上消耗的电能就高达2000万千瓦时以上，每年在路灯照明上白白浪费的电能就高达600万千瓦时以上。

1.1.2意义

传统的路灯控制方法多为“钟控”。钟控不能随天气变化或季节变化而改变路灯打开和关闭的时间，有可能会出现光线较强时还开着路灯、光线较暗时反而关闭路灯的情况。这样不仅可能会造成电能的大量浪费还有可能对社会治安和交通安全带来隐患。

智能路灯控制系统可以根据每天太阳升起和落下时间的不同，随季节的变化控制路灯的开启和关闭，对路灯实行精细化管理。由于路灯照明的前半夜车辆、行人较多需要打开全部路灯，而后半夜车辆、路人较少，只需要开一部分灯或者适当调低电压降低亮度，这样就可以有效减少电能的浪费，提高路灯用电效率、节约能源。

1.2 研究现状

1.2.1国内研究现状

国内许多城市都对路灯照明系统进行了集中改造，从上世纪90年的开始，经过近20年的发展，基本建立起了自己的路灯照明系统。国家在2010年也出台了相关的节能标准。但是我国路灯系统建设还远远跟不上城市发展的步伐，各种路灯监控系统的技术水平也参次不齐。路灯照明系统的完善还面临着巨大的挑战，国内许多大学和公司正积极开展研究，也取得了一些成就。

大连市采用大连高科技发展有限公司研制的城市路灯监控管理系统，其基本功能是通过光控和时控对接触器进行控制。可检测到每条路段的亮灯率，可有效控制全夜灯或半夜灯，可有效对供电变压器短路或者开路进行报警。

杭州湾跨海大桥照明系统采用了世界独创的单灯控制系统，大桥上的每盏灯上都安装了单灯控制模块，它与每一个路灯都能进行单独通信，能向每一盏灯发送指令。根据大桥上的实际车流量来调整路灯的亮度和路灯开启的数量。而且大桥上配备了桥梁“健康诊断”系统，如果路灯出现什么问题，传感器就能感应到“病症”并反馈给控制中心。工作人员再也不需要到实地去一个一个地排查，通过计算机就可以知“对症下药”。这样就减少了人工操作，降低了运行成本,提高了路灯控制中心在路灯管理上的效率，节约了电能。

上海世博会采用的灯光照明及控制系统――基于物联网技术的无线路灯控制系统，可以根据不同的需要对特定的数据进行采集从而完成对路灯的控制。该系统由二部分组成：路灯控制模块和无线传输模块。路灯控制模块根据采集到的数据（如电流、电压、功率等）控制路灯开、关或半亮。无线传输模块将所有的数据通过helicomm的终端设备与监控中心连接。监控连接互联网就可以监测和控制每一端路灯的状态。

但目前我国路灯控制系统还是存在许多不足，其主要缺点有:

（1）反应比较慢，对环境变化的感测能力不强。不能有效监测环境的变化，根据环境变化实时控制路灯开关

（2）电压不稳时对灯具的保护不够，造成灯具的破坏。

（3）工作效率低下等问题。

总之，国内路灯控制系统取得了一定的发展。但在智能控制方面，许多技术还不够成熟，功能还不完善，需要对路灯控制器进行更深入的研究。

2 路灯控制系统

2.1路灯控制系统功能

路灯控制系统应具备如下功能：

（1）定时开关

控制中心按照一年中太阳升起和落下的时间自动控制路灯的开关以及每天前半夜可后半夜路灯的不同运行状态。如果没有特殊情况，各路灯段按照时间表运作。

（2）气象联动

监测道路实时天气状况，在出现恶劣的天气情况（如突然的雷雨天气）时自动开启应急路灯。

（3）单灯控制

可实现单点单灯的控制，在路灯出现状况是能及时监测和定位，以便及时更换损坏的元器件。

（4）实时监测

对路灯的实时状态进行监测，确保路灯正常运行。对路灯故障能及时报警并做相应记录。

（5）系统维护和管理

系统时间设定、数据库维、数据备份和修复。

2.2 路灯控制系统的总体结构

路灯控制系统的不同组件，如图2-1所示：

2-1 运动控制系统的不同组件

应用软件――可以使用应用软件监测路灯运行状态并根据实时道路和天气情况选择控制路灯方案，这里我们用的是LabVIEW2011版软件。

路灯控制器――路灯控制器作为系统的大脑，控制路灯的开关。监控道路和天气实时状况如天气的明暗程度、突然的雷雨天气等，根据采集的数据控制路灯的开关。

放大器或驱动器――放大器（又称驱动器）从控制器取得命令、生成驱动。

反馈设备――反馈设备通常是一个象限编码器，用于感知路灯运行状态并将结果汇报给控制器，从而构成闭环。

路灯控制系统的工作原理：如图2-1所示，路灯控制系统的“大脑”――路灯控制器，是路灯监测和控制的核心。路灯控制器接受路灯信息和道路状况的数据，这些数据包括当前时间信息、道路车流量信息、实时天气信息、路灯功能状态信息，并对这些数据进行分析、处理、保存，实现路灯的开关控制。

2.3本章小结

本章主要对设计与实现路灯控制系统所涉及到的一些原则和需要具有的功能做了一定的介绍。其中原理部分主要介绍了其抗干扰能力、故障诊断与处理能力；系统功能主要介绍了系统应对天气变化和道路车流量变化所具有的处理能力。本章最后还介绍了路灯控制系统的结构图和控制原理。

3 LabVIEW语言的编程思想

由于计算机技术的高速发展，传统仪器与计算机的结合越来越密切，由此诞生了新的仪器概念――虚拟仪器。它是以计算机为核心，将测试系统与计算机软件技术有机结合起来的系统。

3.1 虚拟仪器技术

3.1.1 虚拟仪器的概念

虚拟仪器[2](VI)计算机技术与仪器技术通过应用程序密切结合的产物。计算机与仪器设备的结合主要有两种方式。其中一种是将计算机“装入”仪器，最典型的例子就是我们现在正广泛应用的智能化仪器，随着计算机技术的快速发展，计算机的体积越来越小而功能却越来越强大，所以让仪器含有嵌入式系统成为了可能。另一种是将仪器装入计算机，以统一的计算机硬件标准为依托，利用各种软件来代替传统仪器实现各种功能，我们通常意义上的虚拟仪器主要就是指这种方式。

对数据的采集、分析、判断、显示和数据存储都是通过计算机的图形界面来操作。传统的仪器主要是靠硬件电路来实现，虚拟仪器突破了传统仪器的模式，用户可以自己定义或设计特定的仪器以满足多样化的需求，用户在对被测量进行测量时就如同在控制一台真实的传统仪器。下面的框图3-1显示了常见的虚拟仪器方案。

图3-1 虚拟仪器方案

3.1.2 虚拟仪器的特点

虚拟仪器是计算机与仪器相结合的富有生命力的仪器，与传统的电子仪器相比其主要特点可以概括为以下几个方面:

1)高性能。由于虚拟仪器强调“软件就是仪器”[3]，突破了传统仪器以硬件为主的模式，软件就是虚拟仪器的核心，硬件只是辅助信号的输入与输出。用户可以利用软件的灵活性将先进的算法和智能的系统集成到仪器中，使仪器的整体水平得到大大地提高。

2)扩展性强。用户可以自定义虚拟仪器的功能，用户能根据需要添加新的功能而不用购买新的仪器。我们只需要进行软件的升级就可以改进整个系统，这样就减少了硬件的投入从而节约了成本。

3)研发周期短。得益于应用软件的灵活性，用户在配置、创建系统时能快速的找到高性能、低成本的解决方案。

4)统一的标准。虚拟仪器的硬件和软件都制定了统一的标准，硬件方面如数据采集电路都被集成为数据采集卡能即插即用；软件方面开发了许多模块，建立了许多函数库、类库。因为有了虚拟仪器的统一标准，用户在系统的设计和管理统一到虚拟仪器标准，这样就提高了仪器的可利用率。

3.2虚拟仪器的构建方法

虚拟仪器由两部分组成：硬件和软件。

3.2.1虚拟仪器的硬件构成

计算机是虚拟仪器硬件平台[4]的核心，各种传感器、数据采集卡、信号调理器构成了虚拟仪器硬件的其他模块。按照硬件接口总线的不同虚拟仪器可以分为以下几种方案，如图3-2所示：

图3-2 虚拟仪器的硬件构成

（1）基于PC总线的虚拟仪器

基于PC总线的虚拟仪器可以充分发挥计算机的作用，使测试系统更加灵活而且具有扩展性,利用通用的数据采集卡可以轻松构建基于计算机的虚拟仪器，实现一机多用。

（2）GPIB通用接口总线虚拟仪器

GPIB通用接口总线既计算机与仪器标准通信协议，但GPIB的数据传输速度较低（一般情况下低于500kbit/s），不能满足对系统速度有较高要求的应用，所以基于GPIB通用接口总线虚拟仪器一般应用于中低端测试领域

（3）基于VXI总线的虚拟仪器

VXI是在VME基础上扩展而成的，VXI系统最多可以包含256个装备，主要组成部分为：主机、控制器、多功能模块仪器和应用软件。系统的各个功能模块能随意更换，能即插即用。

（4）基于PXI总线的虚拟仪器

PXI总结了VXI总线的先进技术并整合了高速PCI总线的优势，可以满足大规模、多用途的系统设计要求

4 基于LabVIEW的路灯控制系统程序设计

利用LabVIEW设计一个适用于城市路灯控制的智能系统并进行仿真。模拟天气变化，根据实时的天气变化和道路状况来控制路灯的开启和关闭，并通过显示器显示出来。由于LabVIEW自身的图形化编程平台，使得路灯控制系统的设计变得相对简单，显示的结果更形象、直观，操作而且也更方便，还可以轻松地实现功能增减。

4.1 基于LabVIEW的智能路灯控制系统

该设计的思路是：模拟输入可能影响路灯开启和关闭的因素，如太阳在不同季节中升起和落下的时间、突然的雷雨天气、道路的车流量等。根据输入的条件对道路状况进行分析和判断，当太阳落下或遭遇突然的雷雨天气时开启路灯；当后半夜车流量较少、行人稀疏时关闭部分路灯；当太阳升起之后关闭全部路灯。程序的流程图如图4-1所示：

图4-1 基于LabVIEW的路灯控制程序流程图

4.1.1系统前面板

4.1.2程序框图分析与解释

主程序框图是由一个while循环[8]和一个事件结构组成，其中事件结构有6个分支，即前面板上可能发生的各个事件。

（1）分支1-当前显示

程序运行后，获取计算机当下的时间。

（2）分支2-时间设定

（3）分支3-季节变化

根据不同季节选择不同的路灯控制方案。

春夏季节路灯点亮时间为18：30：00~05：30：00；其中，18：30：00~19：30：00和04：30：00~05：30：00路灯半开(开一部分)19：30：00~04：30：00路灯全开。

秋冬季节路灯点亮时间为17：00：00~06：00：00；其中，17：00：00~18：00：00和05：00：00~06：00：00路灯半开(开一部分)18：00：00~05：00：00路灯全开。

（4）分支4-雷雨显示

模拟天气变化（如突然的雷雨天气）。当遇到雷雨天气时，控制器自动打开路灯；当天气正常时，路灯按照时间表运作。

（5）分支5-光强监测

模拟显示一天的光强随时间的变化而变化，随机数模拟光强波动并在前面板中显示波形用以监测实施光强。

（6）车流量

当深夜时街道车流量低于某一数值时路灯关闭。

4.2程序测试与运行

（1）初始化：

默认值为04：29：55（在春夏季模式下04：30：00为路灯半开与全开的界定时间）

（2）时间设定

开始时设定为默认时间，当前显示将显示为设置杀时间，5s后即可观察全开到半开的变化。

变化前：

变化后：

（3）季节选择

根据不同季节太阳升起和落下的规律选择不同的路灯控制方案。

春夏季5：40时的路灯开关情况：

秋冬季5:40时的路灯开关情况：

（4）突然的雷雨天气

正常天气情况下：

雷雨天气情况下：

（5）光强度

当光强度低于某个值时，路灯开启（系统假设为600）

5总结和讨论

5.1 LabVIEW程序使用经验

由于LabVIEW的G[9]语言采用图形化编程语言，使软件设计变得较为简单，同时由于可以直接采用导入的模块，统筹了设计的开发周期。

由于虚拟仪器是基于计算机的仪器，LabVIEW与PC很好结合。设计的软件具有良好的人机交互界面、提示清晰。

在编程过程中无须错误检查和漫长的调试过程，以功能为单位，编程过程直接明了，就像是在画程序流程图。

5.2 课题的发展方向及待解决的问题

虚拟仪器技术必将成为未来仪器技术的发展趋势。本课题在开发路灯控制系统时只完成了路灯在不同季节的定时控制、雷雨天气控制、光强显示等。实验所有数据都是模拟输入，没有运用数据采集器采集真实的实时数据。在以后的工作中，我们需要做进一步的改进，使系统更加的完善。

改进工作可以从以下几个方面进行：

（1）增加数据采集卡。运用高性能的数据采集卡采集实时的被测数据，提供真实、可靠的数据以保证结果的准确性。

（2）创建数据库。对收集的数据（如一年中太阳升起和落下的时间）进行数据库管理，对以后的系统控制方案提供参考。

（3）远程控制。将控制系统连接互联网[10]，实现远程的监测和控制

参考文献

[1] 纪玲玲. 路灯控制系统控制方法研究 [J]. 广西物理，2009(03):0038-03.

[2] 蔡文智，陈德为. LabVIEW及其在电气控制方面的应用现状 [J]. 电气开关，2007(05): 0046-06.

[3] 顾斌. LabVIEW环境下温度测控系统的深入研究与实现 [D]. 上海：东华大学，2008.

[4] 张健. 基于虚拟仪器实验教学系统的设计与实现 [D]. 河北：河北工业大学，2002.

[5] 张重雄. 虚拟仪器技术分析与设计 [M]. 北京:电子工业出版社，2007.

[6] 肖凤云. 高精度大直径测量系统的数据采集与控制研究 [D]. 合肥：合肥工业大学，2004.

[7] 程学庆，房晓溪，韩薪莘等. LabVIEW图形化编程与实例应用 [M]. 北京:中国铁道出版社，2005.

[8] 浦昭邦，王宝光. 测控仪器设计 [M]．北京：机械工业出版社，2001.

[9] National Instruments. Getting Started with NI SoftMotion Development Module[EB/OL]. .

[10] Technosoft S.A. TML LIB LabVIEW User Manual[EB/OL].