一种动态反馈负载均衡的LED路灯智能控制系统及方法

1.一种动态反馈负载均衡的LED路灯智能控制方法，其包括：
步骤1、节点控制器采集各个LED路灯的状态信息，并将其传送给控制系统；所述状态信息包括环境亮度和车流量，且总的负荷量如下计算：
Z＝(a+c)*n*P
其中，a、c分别为环境亮度和车流量的影响因子，影响因子表示环境亮度和车流量对总负荷Z的影响程度，n为LED路灯个数，P为单个LED路灯的功率；
步骤2、控制系统根据所接收到的各个LED路灯的状态信息确定各个LED路灯总的负荷量；
步骤3、控制系统还根据所述状态信息确定影响各个LED路灯的动态负荷分配权值；
步骤4、控制系统根据所述分配权值分配各个LED路灯的任务负荷，形成LED路灯的分配方案，并将所述分配方案发送给节点控制器，完成控制任务；
步骤5、完成控制任务后，如果各个LED路灯的实际功率综合等于所述总的负荷量，则执行步骤6；否则转步骤2执行，以重新制定分配方案；
步骤6、检测各个LED路灯的负荷是否过载，若过载，则确定新的权值，并根据新的权值更新分配方案。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述权值如下计算：
W＝ε1S+ε2μ+ε3λ+ε4b
其中，S为LED路灯的照明强度大小，μ为LED路灯周围车流量的大小所决定的因素，λ为对LED路灯对照明负荷的影响程度，b为负荷分配的浮动因子，ε为各个参数的重要程度，且ε1+ε2+ε3+ε4＝1。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对于每一个LED，其附近的车流量越大，其所对应的μ越小。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中各个LED路灯的任务负荷如下分配：
Pn＝(Wn/WZ)*Z；n＝1、2、3...
其中，Pn表示第n个LED路灯的任务负荷，Wn为第n个LED路灯的权值，WZ为各个LED路灯的权值总和，Z为总的负荷。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤6中通过比较LED路灯的实时负荷与其负荷阈值判断其是否过载，所述负荷阈值如下计算：
H＝(S1/S2)*P1
其中，S1为实际照明强度，S2为额定照明强度，P1为额定功率。
6.如权利要求5所述的方法，步骤6中通过负荷分配的浮动因子b确定新的权值，其中如果实际负荷值大于负荷阈值，那么b为负值；如果实际的负荷值小于负荷阈值，那么b为正值。

一种动态反馈负载均衡的LED路灯智能控制系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及半导体LED灯控领域，尤其涉及一种动态反馈负载均衡的LED路灯智能控制系统。\n背景技术\n[0002] LED(Light Emitting Diode，发光二极管)，具有体积小、耗电少、寿命长、可靠性高、响应速度快、驱动电压低等众多优点，正将逐步取代白炽灯和荧光灯等传统照明技术，应用于城市主干道、城市次干道、工业园区道路、城乡道路等领域。随着LED路灯价格的不断下降，其竞争优势将会越来越明显。全国已经有一些LED路灯的实验项目，比如广东东莞东江大道LED照明工程，在湖北一些道路和新区开始或拟使用LED道路照明设备。随着LED路灯的普及，提供一种易于操作、智能、高可靠性、和节能的LED控制系统是目前面临的一个重要问题。\n[0003] 目前，所使用的大功率LED路灯大部分都是简单的直接照明，缺少必要的智能控制，或者有些虽然具备有智能控制的功能，但是却不能自动检测路灯的照明状况，也不能方便地对单个路灯进行手动调控。现有的照明管理系统大都采用有线电缆控制照明灯具，对LED路灯进行线性的统一调控，通信协议比较复杂，建设成本和运营成本都比较高。\n[0004] 针对以上问题，一些LED路灯的智能控制系统也应运而生，具有定时开关功能和节点自组网功能的控制系统纷纷出现在研究的论文中，其中大部分的论文和专利都对LED路灯的应用性加以扩充，而对其的智能控制策略没有详细的方案和论述。\n[0005] 现有技术公开的无线智能LED路灯控制系统，其包括路灯管理中心系统和Zigbee无线传感控制系统；Zigbee无线传感控制系统中每个LED安装有无线路灯智能控制器，无线路灯智能控制器之间通过Zigbee节点自组网络进行组网，每个无线路灯智能控制器都有一个在网络上唯一的网络地址，无线路灯智能控制器在上电后自动加入网络；路灯管理中心系统包括监控PC和服务器，路灯管理中心系统通过公共网络与Zigbee无线传感控制系统中无线路灯智能控制器进行网络连接；通过对路灯的远程智能控制，实现道路的按需照明，节省能源；同时通过对路灯信息的采集，可以实时监控路灯的工作状态，并对路灯的故障进行检测，定位分析。\n[0006] 但是该现有技术并没有采用动态反馈的控制策略来不断的校正所需的负荷以达到按需照明和节约电能的目的。因此其不能准确地实现对LED路灯的动态实时的智能控制。\n[0007] 现有技术中公开的LED路灯智能控制系统，其包括主干网和N级子干网，主干网和多个一级子干网无线相连，N-1级子干网和多个N级子干网无线相连；主干网包括服务器及与服务器相连的若干客户控制终端和若干无线集中器；N级子干网包括无线终端控制器及与之相连的环境光照度检测设备、车辆流量监测设备和若干LED灯，N级子干网的无线终端控制器和N-1级子干网的无线终端控制器无线相连，一级子干网的无线终端控制器和无线集中器无线相连。该实用新型通过构建无线树形网络对LED灯进行控制，安装和维护方便，排查故障非常省时省力，而且能根据环境光照度的变化、路上车流量的多少自动调整LED灯亮灭的控制方案，路灯控制更加智能化。\n[0008] 虽然该现有技术具有测量环境照度和车流量的探测设备，但是这些传感数据的最终利用在灯亮灭的控制上，没有根据环境亮度和车流量的大小控制LED路灯应该有的负荷和亮度的智能调节，频繁的亮灭控制会降低LED的使用寿命。因此该方案没有实现LED路灯的按需照明，不能达到节约电能和延长路灯使用寿命的目的。\n发明内容\n[0009] 针对现有的LED路灯的控制方案没有特定的智能控制的策略和方法，也没有动态实时反映系统中LED路灯的状态，无法达到路灯负荷真正均衡和真正实现按需照明的目的。因此本发明提出了基于物联网技术的控制方案，在组网技术和控制方式上均采用最新的物联网技术和智能控制技术，提出了多参数检测、路灯动态负荷的智能分配的闭环智能控制系统，该系统不仅确保了对LED路灯的方便、安全、可靠、准确的控制，而且节约了电能和延长了LED路灯的使用寿命。\n[0010] 本发明公开了一种动态反馈负载均衡的LED路灯智能控制系统，其包括：控制系统、通信基站和节点控制器；\n[0011] 其中，所述通信基站用于在控制系统和节点控制器间信息的转发和协议的转换，所述节点控制器用于检测相应参数，并根据控制系统的控制数据包中的控制协议完成路灯智能控制；所述控制系统根据所述节点控制器检测到的相应参数解析得到状态信息，并显示在用户界面上，并根据所述相应参数发送智能控制数据包给节点控制器。\n[0012] 一种动态反馈负载均衡的LED路灯智能控制方法，其包括：\n[0013] 步骤1、节点控制器采集各个LED路灯的状态信息，并将其传送给控制系统；\n[0014] 步骤2、控制系统根据所接收到的各个LED路灯的状态信息确定各个LED路灯总的负荷量；\n[0015] 步骤3、控制系统还根据所述状态信息确定影响各个LED路灯的动态负荷分配权值；\n[0016] 步骤4、控制系统根据所述分配权值分配各个LED路灯的任务负荷，形成LED路灯的分配方案，并将所述分配方案发送给节点控制器，完成控制任务；\n[0017] 步骤5、完成控制任务后，如果各个LED路灯的实际功率综合等于所述总的负荷量，则执行步骤6；否则转步骤2执行，以重新制定分配方案；\n[0018] 步骤6、检测各个LED路灯的负荷是否过载，若过载，则确定新的权值，并根据新的权值更新分配方案。\n[0019] 本发明提出的上述方案采用动态反馈的控制方法实现了实时状态的反馈控制，提高了系统的响应速度，可以根据车流量、人流量和环境亮度的变化快速制定智能控制策略。\n本发明的上述方案还采用负荷均衡的分配和控制策略不仅延长了LED路灯系统的使用寿命，而且对局部照明的均匀度和节约电能都有很好的效果。本发明的方案以图形化直观的方法展示了LED路灯的拓布结构，结构清晰且信息全面；综合的路灯控制策略简单易操作且易修改，可以实现分区域、分路和对单个路灯实施控制。大大提高了工作的效率。\n附图说明\n[0020] 图1是本发明中动态反馈负载均衡的LED路灯智能控制系统的结构框图；\n[0021] 图2是本发明中动态反馈负载均衡的LED智能控制系统的控制方法流程图；\n[0022] 图3是出现故障灯的具体示例示意图。\n具体实施方式\n[0023] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。\n[0024] 本发明公开了一种动态反馈负载均衡的LED路灯智能控制系统。\n[0025] 图1示出了本发明公开的动态反馈负载均衡的LED路灯智能控制系统的结构框图。如图1所示，所述LED智能控制系统主要包括：PC平台控制系统、通信基站和节点控制器。所述PC平台控制系统承担着LED路灯的综合信息监测、管理和智能控制方法的实现功能。通信基站主要用于实现在控制系统和节点控制器间的协议转换和信息转发功能。底层节点控制器实现环境亮度的检测、车流量和人流量的检测、网络的拓扑结构、路由策略以及对路灯智能控制等功能。\n[0026] 本发明公开的上述LED智能控制系统对LED路灯实现以下控制功能，其具体包括：\n[0027] 1、对LED路灯进行实时监测；其具体实现步骤包括：\n[0028] 步骤11、在正常情况下，LED路灯的节点控制器采集并上传其传感器所采集到的LED路灯状态信息，所述状态信息包括电流值、环境亮度值、车流量值。\n[0029] 步骤12、节点控制器通过无线网络将所述状态信息上传至基站中的数据接收中继装置，然后基站通过互联网TCP/IP协议，将其上传至所述PC平台控制系统中的上位机服务器中。\n[0030] 步骤13、上位机服务器中的软件解析所述状态信息数据，并将解析得到的状态信息如电流值、电压值和环境亮度值等，实时显示在用户界面上，并且对于不正常的状态信息参数值进行报警处理，以实现对LED路灯的实时监测和报警。\n[0031] 其中，上位机用户界面上以图形化直观的方式分组、分区域显示所述LED路灯的状态，而环境参数值如环境亮度值供上位机的智能控制算法分析使用。\n[0032] 2、对LED路灯进行智能控制；其实现的具体步骤为：\n[0033] 步骤21、用户通过上位机进行定时设置，包括设置时段、节假日和季节等参数，当到达时间点的时候，上位机生成智能控制协议，并向LED路灯的节点控制器发送智能控制数据包。其中，所述智能控制是通过动态反馈和负载均衡的智能控制算法生成控制协议向LED路灯的节点控制器发送控制数据包实现的。\n[0034] 步骤22、节点控制器接收到智能控制数据包之后，按照智能控制数据包中的控制协议进行LED路灯的开关和调光动作。\n[0035] 3、对LED路灯进行分组管理；其具体实现步骤为：\n[0036] 步骤31、上位机通过用户界面接收LED路灯的分组管理信息。\n[0037] 步骤32、上位机将接收到的分组管理信息存储在关系型数据库中。其中，在所述关系型数据库中设置以区域、路、组和路灯地址为字段的数据表，以区域包含路，路包含组，组包含路灯地址的拓扑结构进而实现对LED路灯进行分区域、分路、分组进行简单的拓扑管理。另外，用户还可以通过上位机的用户界面可对LED路灯进行动态的添加、删除、修改等操作。每一个LED路灯和通信基站绑定唯一的地址，这样对LED路灯和基站的操作就不会造成混乱。\n[0038] 4、系统的综合管理；上位机可对系统的操作信息进行记录、检测通信基站的心跳帧和对操作协议下发成功与否进行记录，确保基站出现故障时可以及时发现和报警。使系统能够安全可靠的运行。\n[0039] 上述控制功能中，对LED路灯进行智能控制是上位机通过智能控制算法实现的，其中，该智能控制算法可以对LED系统中重要检测参数进行采集，并计算出实时的反馈值，结合历史反馈值对系统中的单个LED路灯的负荷进行再分配，以达到动态调整系统负荷的功能，算法可以通过反馈值对各连接LED路灯的负荷阈值做出动态的调整，以满足动态请求的不同情况。\n[0040] LED路灯随着使用时间的增长，LED路灯的负荷承受能力就会降低，系统可根据运行时各方面的参数计算出动态权值，自适应负载均衡依据动态权值的大小均衡每个LED路灯应承受的负荷，评价LED路灯的负荷承受能力的动态权值W须正确反映各连接上LED路灯的实时负荷状况，以预测各连接LED路灯将来可能的负荷变化。\n[0041] 图2示出了本发明中对LED路灯进行智能控制的智能算法实现的方法流程图。如图2所示该方法包括：\n[0042] 步骤A：状态采集反馈。主要是由位于节点控制器终端的车流量传感器和环境亮度的传感器以及故障分析器采集车流量值、环境亮度值和LED路灯的故障信息等，并上传至所述PC平台系统的控制端。\n[0043] 步骤B：所述PC平台系统的控制端根据接收到的各个LED路灯的以上参数信息，确定总的负荷量Z。具体如下确定：\n[0044] Z＝(a+c)*n*P\n[0045] 其中，a、c分别为环境亮度和车流量的影响因子，影响因子表示环境亮度和车流量对总负荷Z的影响程度，n为LED路灯个数，P为单个LED路灯的功率。\n[0046] 步骤C：根据所上传的参数信息确定影响各LED路灯的动态负荷分配的权值W的因素，具体包括以下几个因素：\n[0047] C1：LED路灯照明强度的大小S，定义S＝L/I，其中L表示亮度值，I表示该亮度值下的电流值。该参数S随着LED路灯使用寿命的延长将会降低。可以用参数S来表示LED路灯的负荷承受能力。\n[0048] C2：LED路灯周围车流量的大小所决定的因素μ。为了更好地实现控制效果，把车流量的大小所决定的因素分配给前后所相邻的LED路灯。对于L1、L2、L3三个相邻LED路灯，如果检测到L2处的车流量增大，则调整后的μ的大小顺序为μ1＝μ3＞μ2。\n[0049] C3：如果出现故障灯，那么路灯必然出现亮度不均匀的状况，因此，为了达到更好的照明效果和补偿LED路灯故障的照度损失，可以适当的增加临近灯的照明负荷。\n[0050] 图3示出了出现故障灯的具体示例示意图。例如，如图3所示，路灯L1出现故障，那么依次增大临近灯的照明负荷，路灯L1、L2、L3、L4、L5和L6的影响因子λ(对照明负荷的影响程度)的大小依次为λ4＞λ2＝λ3＞λ5＝λ6；\n[0051] C4：根据权值的大小为每一路灯分配负荷，不能保证都在其所承受的负荷阈值内，因此加入负荷分配的浮动因子b。如果实际的负荷值大于负荷阈值，那么b为负值；如果实际的负荷值小于负荷阈值，那么b为正值。\n[0052] 步骤D：根据上述因素计算所述权值W：W＝ε1S+ε2μ+ε3λ+ε4b。其中，ε为各个参数的重要程度，且ε1+ε2+ε3+ε4＝1。\n[0053] 步骤E：根据权值的比率分配各个LED路灯的任务负荷，进而形成LED路灯的分配方案。假设W1+W2+...+Wn＝WZ；那么每个路灯配的负荷为Pn＝(Wn/WZ)*Z；n＝1、2、3...。\n然后PC终端将每一个LED路灯应承受的电流值和电压值通过命令帧发送给每个LED路灯节点控制器。由各个LED路灯控制器调整LED路灯的电流和电压值完成控制任务。\n[0054] 步骤F：如果系统中每个LED路灯实际功率的总和Z1等于所要求的负荷Z(步骤B中计算所得)，那么进行各个LED路灯的负荷调整，即执行步骤G。如果不相等，就根据总负荷Z再次完成负荷的分配，即重复步骤B、C、D、E、F。\n[0055] 步骤G：如果已经满足总负荷的任务，即实际总负荷Z1等于所需的总负荷Z，则进行单个LED路灯的负荷检测，即检测每个LED路灯是否过载，其过载的标准是每个LED路灯的实际负荷是否超过负荷阈值。\n[0056] 单个LED路灯的实时负荷阈值的计算公式为：H＝(S1/S2)*P1；其中S1为实际照明强度，S2为额定照明强度，P1为额定功率。如果路灯工作在额定电流下且为额定亮度，那么其负荷阈值H和路灯的额定功率相等。而实际负荷H1为LED路灯的实际功率P2。\n[0057] 如果其实际负荷H1与负荷阈值H不等，则利用权值影响因子b来调整，即步骤D中权值W中影响因子b，根据步骤D的公式(W＝ε1S+ε2μ+ε3λ+ε4b。其中，ε为各个参数的重要程度，且ε1+ε2+ε3+ε4＝1)确定新的权值W。最终使其满足负荷要求。\n[0058] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。