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作者：廣東海洋大學電子與信息工程學院 廖鈞濠，華洋，廖祈泉，陳景賢，樊海紅

摘要：隨著智慧城市概念的興起，傳統復雜的照明監控系統逐漸無法滿足現代城市智能化、節能化、可持續化的發展需求。為此，本文提出一種基于PLC的智慧路燈多聯動照明系統。系統采用RS485接口模塊進行通訊，其確保系統信號傳輸的穩定性，提升了監控系統的智能化水平。通過系統仿真、數據計算和可行性分析，結果表明，本系統在節能及智能化水平方面優于傳統照明監控系統，并在處理更復雜的場景時具有更好的魯棒性。

關鍵詞：PLC；智慧路燈；多聯動照明系統；RS485接口模塊

Abstract: With the rise of the concept of smart city, the traditional complexlighting monitoring system is gradually unable to meet the needs ofintelligent, energy-saving and sustainable development of modern cities.Therefore, this paper puts forward a kind of intelligent street lamp multilinkage lighting system based on PLC. The system uses RS485 interfacemodule for communication, which ensures the stability of system signaltransmission and improves the intelligent level of monitoring system.Firstly, through software simulation, followed by data calculation andfeasibility analysis. The experimental results show that the proposedsystem is superior to the traditional lighting monitoring system in energysaving and intelligent level, and has better robustness in dealing withmore complex scenes.

Key words: PLC; Smart streetlights; Multi - linkage lighting system; RS485Interface Module

1　引言

照明系統是城市道路的重要組成部分，為行人和行車在夜間出行提供了極大的便利。目前，我國道路照明監控系統較為簡單，節能水平較低[1]，其傳統控制模式只能簡單實現在不同時間段控制整個路段路燈的開啟或關閉。一種情況是，部分道路深夜選擇關閉路燈以節省用電，這導致該路段的交通事故發生率升高；另一種情況是，一些城市街道路燈是整晚點亮，夜晚長時間無人通行會造成極大的電能浪費。因此，未來城市的道路照明需要一種更智能節能的監控管理模式，來促進城市的可持續發展[2]。本文針對智慧路燈多聯動照明系統的實現和應用展開分析和討論。

2　系統組成

基于PLC的智慧路燈多聯動照明系統包括核心控制部分和從站聯動控制部分。核心部分包括PLC編程控制器、HMI人機交互界面和PLC配套RS485通訊模塊。從站聯動控制部分包括RS485接口模塊、照明繼電開關和超聲波傳感器。多聯動照明系統總體框架如圖1所示。

圖1 多聯動照明系統總體框架

PLC通過專用線纜連接RS485通訊模塊組成系統主控，HMI人機交互界面通過RS422或RS232線纜與PLC連接，將RS485接口模塊安裝在燈桿中，系統多個模塊以菊花鏈的形式進行連接，上述超聲波檢測傳感器與RS485接口模塊連接。在系統安裝過程中需要注意的是：（1）PLC需要外接RS485拓展模塊、支持Modbus RTU通訊協議。（2）與PLC匹配的RS485拓展模塊與各路燈中的RS485遠程控制模塊通過雙絞線連接。（3）RS485接口型輸出模塊的輸出端口與照明燈具繼電控制部分連接。（4）燈桿安裝超聲波傳感器與RS485接口型輸出模塊連接。（5）PLC RS485拓展模塊與各燈桿中的RS485遠程控制模塊以菊花鏈形式進行連接。

系統主要采用RS485接口模塊進行通訊。RS485是多點系統中的通訊接口，RS485可與多種傳輸線纜進行連接還能支持多種通訊協議[3-4]。這種通訊接口允許在一對簡單的雙絞線進行多點雙向通訊，它的數據傳輸速率、電纜長度及可靠性是其他標準無法比擬的。RS485在工業上作為數據交換而廣泛使用的串行通訊方式，數據采用平衡傳輸。RS485與雙絞線連接，將其一邊定義成A一邊定義成B[5]。RS485通訊原理圖如圖2所示。

圖2 RS485通訊原理圖

核心控制部分配備專用2 4 V工業電源，連接PLC、HMI人機交互界面和RS485網絡通訊模塊提供電源，HMI人機交互界面通過RS232或RS422與PLC進行連接，具體根據PLC進行選擇，RS485通訊模塊通過專用串口線纜與PLC進行連接。從站聯動控制安裝在燈桿內，并配備專用24V工業電源為從站控制部分提供電源，RS485模塊通過雙絞線與主站（核心控制部分）連接，各從站之間以菊花鏈（手握手方式）進行連接。常見的RS485總線連接如圖3[4]，PLC通過連接RS485轉換器，轉換器依次對每個設備以菊花鏈的形式進行連接，實現PLC對RS485總線上設備的多點通訊。

圖3 RS485通訊連接方式

超聲波傳感器與RS485接口模塊的輸入端進行連接，照明部分繼電控制與模塊的輸出部分進行連接。在現實生活中，從站之間通過雙絞線進行連接且兩個從站之間的距離不超過100米，每隔800米安裝一個RS485中繼器，以保證遠距離傳輸信號的穩定。

3　系統仿真

設備以PLC編程控制器為核心，通過拓展RS485模塊與多個路燈進行通訊，路燈上安裝超聲波傳感器用來檢測行車和行人。當小車經過燈桿，燈桿上的傳感器對小車進行捕捉并產生電信號回饋至PLC中。傳感器采集到的數據通過通訊線纜傳到PLC進行數據分析處理并做出相應判斷，通過通訊線纜邏輯性地控制路燈的開啟或關閉，實現多路燈聯動照明。

為確保多聯動照明系統能在現實中應用，對系統搭建仿真模型。系統仿真使用了三菱vup仿真軟件，其中傳感器靈敏度與行人和行車的距離成反比的關系。仿真結果表明，在傳感器與行人行車的距離不超過20米，傳感器都能檢測到行人和行車。系統將開啟行人可視范圍內的燈光，其他路燈處于關閉狀態如圖4和圖5所示。通過系統仿真，得出多聯動照明系統是可實現的。需要說明的是，仿真軟件中路燈關閉時燈片為白色，路燈開啟時燈片為淡黃色。

圖4 無行人系統狀態

圖5 有行人系統狀態

4　系統應用及可行性分析

多聯動照明系統應用在城市現有路燈，通過在每個路燈上添加控制模塊并與系統主控通訊，達到路燈集群聯動效果。整個多聯動控制裝置，通過每個路燈安裝的控制模塊所連接的超聲波傳感器，采集行車數據，發送到系統主控部分的PLC分析做出相應控制反饋，為道路交通提供更靠譜的照明方案并提高道路照明的能源利用率。

多聯動照明系統在城市現有路燈的應用，本文也對此方案做了可行性分析。首先假設一個中小型城市擁有100000盞路燈，對此進行數據計算及分析。這里設定路燈A為適配多聯動照明系統路燈，路燈B為傳統照明路燈。

4.1　能耗方面

一盞傳統照明路燈每小時大約消耗300瓦，以我國南方的夏天為標準，普通路燈每日工作時間段為每日的19時至次日的5時[5]，計算出100000盞路燈一天大約需要消耗300000千瓦時。而適配多聯動照明系統的路燈在19時到24時時間段正常工作，在每日的24時至次日的5時路燈開啟系統，行人和行車途經總時間約為2個小時。經計算，適配多聯動照明系統的100000盞路燈一天大約需要消耗210000千瓦時，節省了大約90000千瓦時的用電量，所得能耗統計如表1所示。

表1 能耗統計圖

4.2　經濟效益方面

據調查道路照明屬于市政用電，一般價格為0.5元1千瓦時。經計算配用多聯動路燈照明系統的路燈一天大約可節省45000元，一年大約可以節省16425000元，所得用電費用統表2所示。

表2 用電費用統計圖

4.3　控制技術方面

適配多聯動照明系統的路燈既可通過HMI人機交互界面進行線下操控，也可以通過與PLC適配的RS485通訊模塊進行線上操控。相較于傳統而復雜的電網控制，該系統的控制更加多樣且簡單[7]。

以上數據分析只是在相對理想的條件下進行粗略計算，但從數據上可得出適配多聯動照明系統的路燈相較于國內傳統照明路燈，無論是耗能方面、經濟效益還是控制技術方面都是前者優于后者的結論。

5　結語

綜上所述，多聯動照明系統的設計與應用可以有效地節約能源[6]，提高整個路燈系統的運行效率，實現了路燈可通過遠程操控，降低了人力上的成本，促進城市的智能水平和可持續化發展。通過模型搭建、數據計算及實驗分析，驗證了多聯動照明系統合理性和可行性，為促進現代城市向智慧綠色城市的發展[8]提供了理論基礎。

作者簡介：

廖鈞濠（2001-），男，廣東梅州人，廣東海洋大學本科在讀，研究方向為電氣工程及其自動化。

華　洋（2001-），男，廣東佛山人，廣東海洋大學本科在讀，研究方向為電氣工程及其自動化。

廖祈泉（2000-），男，廣東梅州人，廣東海洋大學本科在讀，研究方向為電氣工程及其自動化。

陳景賢（1971-），男，廣東汕尾人，碩士，高級實驗師，現任廣東海洋大學教育信息中心副主任，研究方向為電子與通信。為本文通訊作者。

樊海紅（1977-），女，江蘇南通人，副教授，碩士，先任教于廣東海洋大學電子與信息工程學院，主要研究方向為電氣工程、電工電子。

參考文獻：

[1] 蔣明強, 宗強, 宋宇欽, 余強國. 智能路燈控制系統設計及其應用[J]. 集成電路應用, 2020, 37 (04) : 114 - 115.

[2] 龍國成. 如何讓城市路燈更環保節能[J]. 電子世界, 2014 (04) : 264 - 265.

[3] 王友聰. 淺析RS485總線在數據通信系統中的運用[J]. 新疆有色金屬. 2013.

[4] 孫曉云. 接口與通訊技術原理與應用[J]. 中國電力出版社. 2007.

[5] 冼進, 楊坤明. 現代高速串行通信技術與應用[J]. 電子工業出版社. 2010.

[6] 李增勇, 蕭倩美, 何秀娟. 智慧LED路燈在城市道路照明中的應用[J]. 機電工程技術. 2021.50 (07) : 259

[7] 樓剛. 智能化控制系統在城市路燈照明中的應用[J]. 電子技術與軟件工程. 2018 (17) : 102.

       [8] 鄧毛穎. 智慧城市與智慧的城市規劃[J]. 華南理工大學學報(社會科學版), 2015 (3) : 49 - 56.

       摘自《自動化博覽》2021年10月刊