[0001] 本申请涉及一种无线网LED路灯低能耗系统，特别涉及一种搜集路况的无线网智能LED路灯低能耗系统，属于智能LED路灯技术领域。

[0002] 城市发展需要越来越多的路灯照明提供安全和便利，也就势必要消耗越来越多的电力能源，照明使用的电力能源达到了总发电量的12％，而道路照明又占照明总能耗的34％，为了可持续发展，需要提高能源利用率，从路灯照明系统着手，采用先进技术，通过技术改进，减少电能消耗，达到保护环境的目的。城市路灯照明之所以消耗能源过多，一个是采用传统的低效率光源，一个是因为其控制方式还存在很多的弊端，例如大多数路灯照明开关灯时间固定，例如晚六点开灯，早7点开灯。这种运行方式不需要人工根据路灯周围环境光调整路灯的亮度，减少了工作人员的工作量，但造成了电能的浪费，在环境光突然变暗需要照明的情况下，路灯不能开启，也带来安全隐患。另外如果线路故障，原本需要关闭的灯没有关掉，也造成电能源的浪费。

[0003] 传统的照明三巨头，飞利浦照明、通用电气、欧司朗都开发有自己的路灯控制系统，以飞利浦照明为例，开发了Intelligentcity系统，并为其智能路灯添加沃达丰M2M SIM卡，这一举措将允许他们连接到飞利浦照明的CityTouch管理平台进行远程控制，通过CityTouch照明管理平台，只需要打开网页登陆控制系统后，就可以在城市地图上看到所有路灯的详细情况。通过简单的鼠标圈选，管理者就可以实现把城市灯光打开、变暗、关闭多种管控。此外，管理者还能及时发现需要维修和更换的灯泡，打造一个智能的城市路灯环境。

[0004] 而传统的通信设备厂家也看到了照明智能控制这块巨大的市场，依托他们原有的通信设备，网络组建优势，介入路灯智能控制领域，其中中兴通讯基于“万物互联，集约一体“的理念，于业内率先推出集合路灯、充电桩、基站、智慧城市信息采集为一体的“BluePillar”智慧路灯综合解决方案，该方案实现传统的路灯杆，既是5G/5G基站，也是电动汽车充电桩，同时可采集气象、环境、交通、安防城市综合信息，大屏幕户外型LED屏幕还可提供便民信息及用于广告运营。但目前市场上的路灯控制系统大都是单一功能，没有采用车辆人员检测传感器，

[0005] 但现有技术的路灯系统仍然存在难题，本申请的难点和待解决的问题集中在以下方面：

[0006] (1)现有技术路灯控制系统缺少在时控、光控、环控方面和联合设计，网络控制缺少参数实时反馈，监控终端和单路灯结点上的关键信息缺失，缺少开关状态、功率、温度状态，无法按照时间设置动态开关路灯，无法根据外部环境条件对路灯进行开关和调光，路灯在通信故障情况下的离线控制十分困难，控制子站除网络桥接功能单一；室外传感器的鲁棒性和可靠性较差，路灯光源效率较低，大多数路灯照明开关灯时间固定，或者需要人工根据路灯周围环境光调整路灯的亮度，工作人员的工作量较大，且容易造成电能的浪费，在环境光突然变暗需要照明的情况下，路灯不能开启，也带来安全隐患，另外如果线路故障，原本需要关闭的灯没有关掉，也造成电能源的浪费。

[0007] (2)现有技术的路灯控制终端无法在线时根据控制子站和后台的要求进行路灯的开关和调光；缺少检测光照度上送到控制子站，提请控制子站判断是否要开关和调光的步骤；不能检测温度传感器的状态，缺少超限关闭LED驱动器，同时上送警告信息到智能控制子站和后台的方式；缺少对灯功率的检测，用户无法根据需要配置该时间间隔，缺少灯功率超限的处置方法；缺少无线通信状态的检测，缺少断链处置方法；在进行路灯结点初始化配置时无法提供位置信息。

[0008] (2)现有技术的路灯不够节能，缺少时间和背景检测对灯光功率进行实时控制；路灯管控的实时性弱，无法保证后台控制系统和子站控制器的控制信息在最短时间内到达路灯结点，路灯结点上的数据状态也无法在最短时间内在物联网终端显示，网络把数据传输到数据库的速度慢；可靠性较差，路灯结点的控制和数据状态和控制后台不一致，无线通信系统通信不可靠，掉链多，掉链后重连困难；不够先进，缺少ZigBee‑k路灯结点、传感器、子站无线通信、5G桥接以太网、车辆人员移动传感器、环境照度传感器、温度传感器加入系统，系统的智能化水平较低，无法用GIS地图显示当前终端在地图上的位置，在地图上查看路灯结点，传感器的信息，路灯管理的智能程度较差。

[0009] (4)现有技术路灯照明系统高耗能，控制手段单一，维护不方便，缺少多普勒微波雷达检测电路对行人车辆进行检测，无法根据行人车辆的实时情况调整功率输出，无法在保证照明提供城市安全保障的前提下，有效节约电能的消耗，由于缺少在午夜根据行人和车流状况对路灯的控制，造成路灯在无人的情况下依然保持较高亮度，智能化管理弱，且浪费了大量电能。

[0076] 下面结合附图，对本申请提供的搜集路况的无线网智能LED路灯低能耗系统的技术方案进行进一步的描述，使本领域的技术人员能够更好的理解本申请并能够予以实施。

[0077] 本申请设计监控子站和路灯低能耗控制终端相关的硬件电路：环境光照度检测模块，使路灯根据外界环境光强度的变化自动控制路灯的调光状态；KEC调光电路，使路灯根据实际环境，采取不同的照明场景；电压、电流检测电路，对LED驱动器的工作电压和电流进行检测，得到输入功率，并根据该功率的变化判断路灯是否出现故障；多普勒微波雷达检测电路对行人车辆进行检测，根据行人车辆的实时情况调整功率输出，在保证照明提供城市安全保障的前提下，有效节约电能的消耗。另外还实现了监控子站的硬件设计。

[0078] 系统测试表明，各个模块都能按要求良好的工作。路灯系统通过多种新技术包括LED照明、传感器、无线、智能控制的结合，取得了很好的照明和节能效果，同时提高了系统管理的效率。

[0079] 一、系统总体架构

[0080] 基于物联网的智能路灯低能耗控制系统总体结构分为四部分：路灯低能耗控制终端、传感器多模单元、智能控制子站、后台服务器实时计算系统。系统总体结构如图1所示。

[0081] 路灯低能耗控制终端实现的功能：

[0082] 1)在线时根据智能控制子站和后台的要求进行路灯的开关和调光；

[0083] 2)检测光照度上送到智能控制子站，提请智能控制子站判断是否要开关和调光。

[0084] 3)检测温度传感器的状态，如果超限关闭LED驱动器，同时上送警告信息到智能控制子站和后台；

[0085] 4)检测灯功率，默认定时5分钟，用户也可以根据需要配置该时间间隔，上送状态到智能控制子站和后台，如果灯功率超限关闭LED驱动器，同时上送警告信息到智能控制子站和后台；

[0086] 5)检测无线通信状态，如果发现断链进行重连，如果仍然断链，进入掉线工作状态，根据初始定时和光照度检测进行路灯的开关和调光控制；

[0087] 6))在进行路灯结点初始化配置时提供位置信息。

[0088] 路灯低能耗控制器终端模块包括六部分，分别是：开关/调光模块，温度传感器模块，电流电压采样模块，定位模块，ZigBee‑k模块和光照测量传感器模块，控制终端模块跟智能控制子站直接通过78OMHz频段ZigBee‑k进行通信，路灯低能耗控制器终端实现路灯的开关和调光控制，这些控制通过有线数字接口KEC跟LED驱动器进行通信，同时进行电流电压采样，并把这些信息上传至智能控制子站，。

[0089] 传感器多模单元给系统提供外部环境实时状态，状态包括：外部环境光照度、传感器附近的车辆人员流动状态，这些传感器以单独的结点存在的，它和路灯低能耗控制单元在ZigBee‑k网络处于同地位，当正常状态下定时被智能控制子站和后台查询状态，当传感器检测到数据变化时主动上送信息到智能控制子站和后台，智能控制子站和后台对这些数据进行分析处理后，对路灯结点进行相应控制管控，传感器包括图像存在传感器、光照测量传感器、多普勒雷达链接被动红外存在传感器。

[0090] 智能控制子站模块安装在灯柱下的机柜里，1)对对应的路灯组里的路灯统一进行开关和调光；2)检测各种传感器的状态并进行分析；3)根据路灯低能耗控制要求进行配置下载；4)作为ZigBee‑k网络的协调器和路灯结点进行通信并上传路灯信息到后台控制平台，同时作为后台控制平台和路灯结点间的转接平台，和后台控制平台是通过5G进行底层数据链的连接；5)对无线通信状态进行检测，在应用层分别和路灯结点与控制后台进行心跳检测；6)通过编程对机柜里的其它设备进行通电和切电控制；7)对机柜门进行开闭检测，如果发现开门上送报警信息到控制后台；8)根据需要对整组路灯功耗进行检测；9)在没有后台控制或掉线的情况下，根据配置信息对群组路灯结点进行控制。

[0091] 智能控制子站包括ZigBee‑k模块和5G模块，电流电压采样，并除无线控制外通过有线(4‑20mA，RS485，RS232，KEC，数字I/O，继电器，ABUS，定位)控制，数据采集，智能控制子站与图像传感器，光照测量传感器，多普勒雷达传感器和被动红外传感器之间都通过ZigBee‑k进行通信，同时智能控制子站还设置USB存储、SDcard数据存储、10/100M以太网口对子站控制器的配置。

[0092] 后台模块是后台服务器实时计算系统，后台模块方便远程运维，在引入后台控制时，采用后台服务器和智能控制子站通过5G网络连接到后台服务器系统，后台控制提供每个路灯结点，传感器结点和子站控制器的对应位置信息，运行状态信息，这些运行状态信息包括：路灯结点的通信状态、灯光状态、功率状态、传感器的通信状态、采集信息状态。

[0093] 二、路灯低能耗控制终端

[0094] 路灯低能耗控制终端由SPD模块、路灯终端控制器模块、照明驱动模块组成，图2为路灯低能耗控制终端的结构示意图。

[0095] SPD模块是防雷击模块，抑制电力线上的感应雷引起的浪涌，

[0096] 照明驱动模块：分别给LED灯颗粒和路灯终端控制器供电，路灯终端控制器通过KEC接口控制LED驱动器，采用Xitanium 150W 0.35‑0.7AGL ProgsXt室外LED驱动器，同时配合Luxeon高功率LED颗粒，LED驱动器恒定DC电流输出高功率LED工作，采用KEC接口。

[0097] 路灯终端控制器：路灯终端控制器内部框图如图3所示，包括：SAM3S4A主控制器、EEPROM模块、定位电路模块、ZigBee‑k模块、灯功率检测电路、温度传感器模块、环境照度传感器模块和KEC总线开关调光电路。

[0098] EEPROM模块存储配置信息的芯片，信息包括结点控制器在ZigBee‑k网络中的地址，就地路灯的控制策略，掉电后配置信息保存不丢失，EEPROM通过I2C总线连接到主控制器。

[0099] 定位模块MAX7C提取当前路灯结点的地理位置信息，该位置信息上送到智能控制子站，最终送给后台地图系统，在后台看到每盏灯的地理地址，增强系统的维护信息。

[0100] 灯功率检测电路检测单灯结点的功率；温度传感器检测路灯内的工作温度，当温度超限，系统就发出关灯指令，对路灯进行保护；

[0101] 环境照度传感器检测背景光照度，以达到自动开关灯的目的。

[0102] KEC总线在结点控制器对数字整流器与数字LED驱动器进行开关、调光动作时，发送这些开关、调光命令。

[0103] (一)KEC总线开关调光电路

[0104] 开关调光电路采用KEC总线：采用分立器件搭建，按专业照明管理定义4类命令，分别为：1)开关：开关系统中具有独立地址的数字整流器或数字LED驱动器；2)调光：对具有调光功能的数字LED驱动器进行125级的调光管控；3)灯光场景：在一个KEC组中，设置多达16种的灯光场景；4)状态显示：显示数字LED驱动器的工作状态。

[0105] 如图4是KEC总线的电路实现，左侧的两个光耦对高压侧的KEC信号进行物理隔离，确保低压部分安全，右侧连接到单片机，单片机内部的KEC协议采用这些端口进行通信。

[0106] (二)温度传感器

[0107] 温度传感器检测灯内部的温度，当检测到温度高于100摄氏度，灯控制器关闭灯的输出，进行保护，同时把温度超限信息发送到智能控制子站，温度变化使热敏电阻R1702阻值发生变化，从而分压发生变化，该电压送入单片机的ADC，通过模数变换就得到温度值。

[0108] 在终端系统的软件中，主CPU芯片ATSAM3S4A定时通过ADC引脚读取温度传感器的电压值，当读到的AD值超过最大限值时，通过KEC总线关闭LED驱动器，同时生成错误代码，通过ZigBee‑k无线协议传送给智能控制子站。

[0109] (三)路灯功率采集电路

[0110] 在电路上采用电压采样电路，对火线电压进行逐步分压再通过STM8单片机ADC口进行采样，ADC处理电路放置在高压侧，采集到的电压通过光耦隔离发送到主控制器电流采样通过套接在火线上的电流互感器测量到，最终这些信号通过主控制器分析计算得到LED光源得实时功率。电压采样左侧是火线电压输入端，右侧是信号光耦输出端，采集端是通过电阻分压来得到的，在末端增加TVS管的目的在于抑制线路上的浪涌对单片机的I/0口引起的破坏。

[0111] 三、传感器多模单元

[0112] (一)图像传感器多模模块

[0113] 单独安装在灯杆上，对公路上的行人车辆进行检测，夜晚车辆和行人稀少，系统把灯亮度调节到全功率输出的20％，此为默认值，用户根据实际需要进行设定，当有行人或车辆移动时，图像传感器检测到这些移动，然后把信息发送到智能控制子站，智能控制子站根据结果对对应的路灯进行调光，是增大灯功率到100％，然后延迟保持1分钟，当一分钟过后，如果再次检测到行人继续保持100％，如果再1分钟后，没有检测到移动，那么系统再把相应的灯功率降到20％。

[0114] 图像传感器CB为控制板，实现在ZigBee‑k的物理层通信，主控单片机、电源模块、DB为数字板、是摄像头模组的集成，同时通过DSP对图像进行处理分析得到人员或者车辆移动的信息，分析处理后，通过串口直接通知控制板主控单片机是否有移动，图像传感器通过对摄像头的摄取的图像进行分析，然后输出所需要的人员和车辆移动信息，DB板载有3个LED指示灯，分别指示电源工作状态，是否有移动，通信状态。

[0115] (二)多普勒雷达链接被动红外传感器

[0116] 多普勒微波雷达检测电路对行人车辆进行检测，当深夜道路车辆较少时开启，无人或者无车辆经过时，自动控制路灯调光，降低灯功率，有人或者车辆经过时，自动控制路灯恢复全功率输出，在保证照明提供城市安全保障的前提下，有效节约电能消耗。

[0117] 多普勒微波和被动红外单元传感器是对图像传感器多模单元的一个补充，用户可以两者同时选择，也可以只选择一种。

[0118] 模块的基本结构如图5所示，振荡电路通过发射天线把5.8GHz连续波信号发送出去，信号到达检测物体反射回来被接收天线接收到，该信号进入混频器和本振信号混频，得到一个几到几十赫兹的中频，该中频就对应车辆或人员的移动速度；

[0119] 输入接口设置3线，电源，地线和信号线，输入电源电压范围为15‑45V，工作电流在20mA左右，当没有移动检测时，信号线输出一个TTL 5V低电平，当有检测到移动时，输出TTL 
5V高电平信号。

[0120] 实际的采用时序如图6所示：当深夜没有检测到车辆移动时，系统把背景光调节到全功率的20％，当检测到汽车时，在0.8秒以内，系统把靠近的灯光调节到100％功率输出，当汽车离开，系统让对应的灯输出功率保持100％输出一分钟，如果在一分钟内未检测到车辆移动，那么系统让对应的灯把灯输出功率重新降为20％。

[0121] 被动红外是对微波传感器的补充，微波传感器对室外晃动的树木有误触发的可能性，而被动红外不存在该问题，人体对外辐射的红外光波，该光波的波长在3至50u m范围，被动红外通过检测该波段的红外波长确定人员，被动红外探测器设置两个重要器件，一个是热释电红外传感器，设置在白色透明菲涅耳棱镜正下方，将波长为8‑12um之间的红外信号变化转变为电信号，设置4片单独的传感单元，在被动红外探测器的感应范围内，当无车辆或人员移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人感应范围，通过菲涅耳透镜投影，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，同时由于多个单元的作用，检测单元的电信号先后脉冲确定人员的移动；另外一个器件就是菲涅尔折射透镜，聚焦将热释的红外信号折射在PIR感应元上，将感应范围划分为若干个感应区域，使进入感应范围的移动物体以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，通过侦测这些产生变化的电信号，间接侦测到人和汽车的热量，即检测到人和汽车的移动。

[0122] 红外单元的处理电路设计中Q1是PIR传感器多模单元，通过U2放大后进入单片机的ADC进行采样，模数转换。而SW1信号的目的是对红外处理电路进行增益调节。

[0123] 四、智能控制子站

[0124] 智能控制子站的结构框图和具体设计如图7所示：

[0125] 智能控制子站包括：1)控制后台和子站控制器之间的通信链路，路灯和传感器结点与子站控制器通信链路；2)根据后台或自己的配置信息对路灯结点进行控制；3)检测各种传感器信息，实现智能化控制路灯。

[0126] 子站控制器包括电源模块、ZigBee‑k模块、用来和路灯结点进行组网通信、5G模块，用来和后台系统通信，子站控制器设计若干扩展接口，对有线路灯进行控制，另外外围接口如下：

[0127] 1)KEC数字照明接口模块和A‑BUS；2)7路电流采样单元，处理各种有线传感器信息；3)1路RS485，1路RS232，外扩通信接口；4)2路继电器开关，直接打开和切断需要控制的有线路灯；5)1路模拟输入接口，1路数字输入接口，扩展模拟和数量量的采集；6)2路USB host接口用来接入USB存储；7)1路RJ45 10/10OM以太网接口，下载配置到子站控制器。

[0128] 子站控制器的主处理芯片STM32F103作为一个广域网的通信和数据集中器模块，一侧通过SPI总线与AT86RF212B实现ZigBee‑k网络协调器的功能与路灯低能耗控制结点进行通信，一侧采用串口UART与5G模块ME909S‑821通信进行5G模块工作模式的配置和正常的5G数据流量通信、短信或后台服务器的通信。

[0129] 智能控制子站电路左侧为电源输入部分，右侧是信号处理，接口和射频部分。

[0130] (一)电源模块及上电时序

[0131] 系统上电后，DC/DC从12V取电变换到5V，再通过LDO把5V变换到3.3V，采用一个二极管隔离电池和3.3V电路给板载的RTC电池供电，STM32F103实际的工作电压为3.1V，STM32F103最先上电，当STM32F103上电后稳定后，再启动给5G模块供电的LDO，然后5G模块供电，开始初始化；经过一定时间的延时确保5G模块初始化完成，进入稳定状态，然后STM32F103再通过下拉5G模块的POWER_ON口一秒钟左右，启动5G模块，而其余电路采用一路DC/DC电路单独供电。

[0132] (二)ZigBee‑k通信

[0133] ZigBee‑k终端安装在路灯终端，负责采集数据，并将采集的数据信息转化成无线数据信息进行发送，把接收的无线数据转换成控制信息，实现路灯状态控制；ZigBee‑k协调器安装在子站，当接收到来自路灯管理中心的控制命令时，子站把命令通过ZigBee‑k网络发送给目标路灯终端。

[0134] 基于智能路灯系统ZigBee‑k通信特点，以及城市路灯的排列方式，该协调器设置在地理中心处，实现最高效的到达每一个路灯终端，最少的路由次数，当协调器发现有新的路灯结点加入到该系统的网络时，经过握手，为该结点分配一个网络地址，并加入到列表中，一个监控子站配备50个路灯终端结点，如图8所示。

[0135] 传感器以每5盏路灯为间隔布置，同时在道路的进出口处布置有传感器，当进出口处的传感器检测到有行人和车辆时，在其行走路径后的5盏路灯从20％输出功率模式切换到100％输出模式，当下一个传感器检测到行人和车辆时，它对应的下5盏路灯也进行低输出模式到高输出模式的切换，而系统对前一个传感器的状态进行检测，当发现没有移动检测到后进入1分钟计时，如果在此时间内未有移动检测，则对应的路灯进行高输出模式到低输出模式切换，控制过程以此类推。

[0136] 如果发现某个路由或终端断链了，并经过多次重连接尝试失败后，系统就把该结点从路由表中删除，重新更新一个新的路由表，做到系统自愈。

[0137] (三)ZigBee‑k通信链路指标计算

[0138] 路灯低能耗控制器之间和路灯低能耗控制器与智能控制子站之间能否可靠通信是无线路灯系统设计成败的关键，对应的通信距离是路灯低能耗控制系统硬件设计的关键指标，从原理上来说ZigBee‑k作为mesh网络架构，只要保证系统中任何结点可以有一个邻居结点与之相连接，那么系统中非邻居结点之间就可以通过无数次的路由和跳转达到无线通信的目标，但是实际应用过程中，当然需要无线网络系统的开销越小越好，而更多次的跳转带来系统更多的开销，可能导致控制指令到达控制对象的延时，在某些情况下，长时间的延迟使得系统无法达到基本设计要求，这种情况下为了达到系统的基本性能，需要提供一些解决方案，比方增加子站控制器的数量，减小系统的规模，这些方案虽然可以解决通信距离的问题，但将增加系统的硬件成本，这是工程设计需要回避的方案。所以作为硬件系统如果能保证终端控制器有足够的通信距离，那么跳转次数将减少，

[0139] 本申请跳转次数小于3，即从子站控制器到距离它最远的边缘路灯终端控制器的跳转次数不超过3次，

[0140] 本申请的无线通信系统链路结构如图9所示，有发射端AT86RF212B实际发射功率，匹配电路损耗(Balun插入损耗，低通滤波器损耗)，发射天线增益，传输路径损耗，接收天线增益，接收匹配电路损耗，芯片的接收灵敏度几个参数组成，其中芯片发射功率为10dBm，实际在丢包率2％为标准的测试条件下接收灵敏度为‑99dBm，匹配损耗实际测试为2Db，而天线增益为‑3.8dBi，路径损耗是对应传输距离300米。

[0141] 路径损耗包括直接传输损耗和地面反射损耗的矢量叠加，如图10所示。R1是直接传输路径，R2是地面反射路径，存在式1的关系：

[0142]

[0143] HRX是接收终端控制器路灯杆(地面到天线)的高度，HTX是发射子站控制器或终端控制器的路灯杆的高度，d是对应通信结点路灯杆之间的距离，直接传输功率路径为R1，采用式2计算：

[0144]

[0145] PTX为发射功率，GTX1为天线增益，GRX1为接收天线增益，λ为波长系数；

[0146] 反射传输功率路径为R2：

[0147]

[0148] Γ为反射系数，GTX1＝GTX2＝GRX1＝GRX2为发射系统和接收系统匹配损耗和天线的增益和天线是垂直极化方向，接收侧总接收功率为：

[0149] Etot＝Edir+Erefl×cos(kΔR)      式4

[0150] k是电磁波传播常数，ΔR＝R2‑R1，计算得到路径损耗式5：

[0151]

[0152] 上式λ是工作波长780Mhz对应的波长0.384米，安装高度均为7.2米，计算得到300米通信距离下的链路裕度为10.9dB，极限距离达到2600米。图11是自由空间和带地面反射的链路预算裕度和通信距离的关系，从计算结果看通信距离已经达到了2600米，远超300米的通信距离要求，无线系统提供了足够的裕度，由于无线智能路灯系统处于复杂的外部环境中，车辆、楼宇形成多径反射，而树木、雨雪天气和灰尘又对电磁波的传输有一定的衰减，所以要保持一定的预算裕度；

[0153] 10米宽度的树林对1GHz频率的电磁波有2dB的衰减，即保证通信300米的距离，在传输路径上最多允许50米长度的树林存在。通过实际测试结果和理论计算结果的比对，本设计完全符合设计预期要求。