作者：广东海洋大学电子与信息工程学院 廖钧濠，华洋，廖祈泉，陈景贤，樊海红

摘要：随着智慧城市概念的兴起，传统复杂的照明监控系统逐渐无法满足现代城市智能化、节能化、可持续化的发展需求。为此，本文提出一种基于PLC的智慧路灯多联动照明系统。系统采用RS485接口模块进行通讯，其确保系统信号传输的稳定性，提升了监控系统的智能化水平。通过系统仿真、数据计算和可行性分析，结果表明，本系统在节能及智能化水平方面优于传统照明监控系统，并在处理更复杂的场景时具有更好的鲁棒性。

关键词：PLC；智慧路灯；多联动照明系统；RS485接口模块

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

照明系统是城市道路的重要组成部分，为行人和行车在夜间出行提供了极大的便利。目前，我国道路照明监控系统较为简单，节能水平较低[1]，其传统控制模式只能简单实现在不同时间段控制整个路段路灯的开启或关闭。一种情况是，部分道路深夜选择关闭路灯以节省用电，这导致该路段的交通事故发生率升高；另一种情况是，一些城市街道路灯是整晚点亮，夜晚长时间无人通行会造成极大的电能浪费。因此，未来城市的道路照明需要一种更智能节能的监控管理模式，来促进城市的可持续发展[2]。本文针对智慧路灯多联动照明系统的实现和应用展开分析和讨论。

2　系统组成

基于PLC的智慧路灯多联动照明系统包括核心控制部分和从站联动控制部分。核心部分包括PLC编程控制器、HMI人机交互界面和PLC配套RS485通讯模块。从站联动控制部分包括RS485接口模块、照明继电开关和超声波传感器。多联动照明系统总体框架如图1所示。

图1 多联动照明系统总体框架

PLC通过专用线缆连接RS485通讯模块组成系统主控，HMI人机交互界面通过RS422或RS232线缆与PLC连接，将RS485接口模块安装在灯杆中，系统多个模块以菊花链的形式进行连接，上述超声波检测传感器与RS485接口模块连接。在系统安装过程中需要注意的是：（1）PLC需要外接RS485拓展模块、支持Modbus RTU通讯协议。（2）与PLC匹配的RS485拓展模块与各路灯中的RS485远程控制模块通过双绞线连接。（3）RS485接口型输出模块的输出端口与照明灯具继电控制部分连接。（4）灯杆安装超声波传感器与RS485接口型输出模块连接。（5）PLC RS485拓展模块与各灯杆中的RS485远程控制模块以菊花链形式进行连接。

系统主要采用RS485接口模块进行通讯。RS485是多点系统中的通讯接口，RS485可与多种传输线缆进行连接还能支持多种通讯协议[3-4]。这种通讯接口允许在一对简单的双绞线进行多点双向通讯，它的数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。RS485在工业上作为数据交换而广泛使用的串行通讯方式，数据采用平衡传输。RS485与双绞线连接，将其一边定义成A一边定义成B[5]。RS485通讯原理图如图2所示。

图2 RS485通讯原理图

核心控制部分配备专用2 4 V工业电源，连接PLC、HMI人机交互界面和RS485网络通讯模块提供电源，HMI人机交互界面通过RS232或RS422与PLC进行连接，具体根据PLC进行选择，RS485通讯模块通过专用串口线缆与PLC进行连接。从站联动控制安装在灯杆内，并配备专用24V工业电源为从站控制部分提供电源，RS485模块通过双绞线与主站（核心控制部分）连接，各从站之间以菊花链（手握手方式）进行连接。常见的RS485总线连接如图3[4]，PLC通过连接RS485转换器，转换器依次对每个设备以菊花链的形式进行连接，实现PLC对RS485总线上设备的多点通讯。

图3 RS485通讯连接方式

超声波传感器与RS485接口模块的输入端进行连接，照明部分继电控制与模块的输出部分进行连接。在现实生活中，从站之间通过双绞线进行连接且两个从站之间的距离不超过100米，每隔800米安装一个RS485中继器，以保证远距离传输信号的稳定。

3　系统仿真

设备以PLC编程控制器为核心，通过拓展RS485模块与多个路灯进行通讯，路灯上安装超声波传感器用来检测行车和行人。当小车经过灯杆，灯杆上的传感器对小车进行捕捉并产生电信号回馈至PLC中。传感器采集到的数据通过通讯线缆传到PLC进行数据分析处理并做出相应判断，通过通讯线缆逻辑性地控制路灯的开启或关闭，实现多路灯联动照明。

为确保多联动照明系统能在现实中应用，对系统搭建仿真模型。系统仿真使用了三菱vup仿真软件，其中传感器灵敏度与行人和行车的距离成反比的关系。仿真结果表明，在传感器与行人行车的距离不超过20米，传感器都能检测到行人和行车。系统将开启行人可视范围内的灯光，其他路灯处于关闭状态如图4和图5所示。通过系统仿真，得出多联动照明系统是可实现的。需要说明的是，仿真软件中路灯关闭时灯片为白色，路灯开启时灯片为淡黄色。

图4 无行人系统状态

图5 有行人系统状态

4　系统应用及可行性分析

多联动照明系统应用在城市现有路灯，通过在每个路灯上添加控制模块并与系统主控通讯，达到路灯集群联动效果。整个多联动控制装置，通过每个路灯安装的控制模块所连接的超声波传感器，采集行车数据，发送到系统主控部分的PLC分析做出相应控制反馈，为道路交通提供更靠谱的照明方案并提高道路照明的能源利用率。

多联动照明系统在城市现有路灯的应用，本文也对此方案做了可行性分析。首先假设一个中小型城市拥有100000盏路灯，对此进行数据计算及分析。这里设定路灯A为适配多联动照明系统路灯，路灯B为传统照明路灯。

4.1　能耗方面

一盏传统照明路灯每小时大约消耗300瓦，以我国南方的夏天为标准，普通路灯每日工作时间段为每日的19时至次日的5时[5]，计算出100000盏路灯一天大约需要消耗300000千瓦时。而适配多联动照明系统的路灯在19时到24时时间段正常工作，在每日的24时至次日的5时路灯开启系统，行人和行车途经总时间约为2个小时。经计算，适配多联动照明系统的100000盏路灯一天大约需要消耗210000千瓦时，节省了大约90000千瓦时的用电量，所得能耗统计如表1所示。

表1 能耗统计图

4.2　经济效益方面

据调查道路照明属于市政用电，一般价格为0.5元1千瓦时。经计算配用多联动路灯照明系统的路灯一天大约可节省45000元，一年大约可以节省16425000元，所得用电费用统表2所示。

表2 用电费用统计图

4.3　控制技术方面

适配多联动照明系统的路灯既可通过HMI人机交互界面进行线下操控，也可以通过与PLC适配的RS485通讯模块进行线上操控。相较于传统而复杂的电网控制，该系统的控制更加多样且简单[7]。

以上数据分析只是在相对理想的条件下进行粗略计算，但从数据上可得出适配多联动照明系统的路灯相较于国内传统照明路灯，无论是耗能方面、经济效益还是控制技术方面都是前者优于后者的结论。

5　结语

综上所述，多联动照明系统的设计与应用可以有效地节约能源[6]，提高整个路灯系统的运行效率，实现了路灯可通过远程操控，降低了人力上的成本，促进城市的智能水平和可持续化发展。通过模型搭建、数据计算及实验分析，验证了多联动照明系统合理性和可行性，为促进现代城市向智慧绿色城市的发展[8]提供了理论基础。

作者简介：

廖钧濠（2001-），男，广东梅州人，广东海洋大学本科在读，研究方向为电气工程及其自动化。

华　洋（2001-），男，广东佛山人，广东海洋大学本科在读，研究方向为电气工程及其自动化。

廖祈泉（2000-），男，广东梅州人，广东海洋大学本科在读，研究方向为电气工程及其自动化。

陈景贤（1971-），男，广东汕尾人，硕士，高级实验师，现任广东海洋大学教育信息中心副主任，研究方向为电子与通信。为本文通讯作者。

樊海红（1977-），女，江苏南通人，副教授，硕士，先任教于广东海洋大学电子与信息工程学院，主要研究方向为电气工程、电工电子。

参考文献：

[1] 蒋明强, 宗强, 宋宇钦, 余强国. 智能路灯控制系统设计及其应用[J]. 集成电路应用, 2020, 37 (04) : 114 - 115.

[2] 龙国成. 如何让城市路灯更环保节能[J]. 电子世界, 2014 (04) : 264 - 265.

[3] 王友聪. 浅析RS485总线在数据通信系统中的运用[J]. 新疆有色金属. 2013.

[4] 孙晓云. 接口与通讯技术原理与应用[J]. 中国电力出版社. 2007.

[5] 冼进, 杨坤明. 现代高速串行通信技术与应用[J]. 电子工业出版社. 2010.

[6] 李增勇, 萧倩美, 何秀娟. 智慧LED路灯在城市道路照明中的应用[J]. 机电工程技术. 2021.50 (07) : 259

[7] 楼刚. 智能化控制系统在城市路灯照明中的应用[J]. 电子技术与软件工程. 2018 (17) : 102.

       [8] 邓毛颖. 智慧城市与智慧的城市规划[J]. 华南理工大学学报(社会科学版), 2015 (3) : 49 - 56.

       摘自《自动化博览》2021年10月刊