基于熱釋電傳感器的智能路燈系統(tǒng)研究

周正林，宋健偉，李宏臣，周 越

（1.黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；2.長沙理工大學(xué) 汽車與機械工程學(xué)院，湖南 長沙410060）

路燈照明在人們出行中起著極其重要的作用，但巨大的能耗問題一直困擾著市政部門。以1盞250W的路燈為例，每月就要消耗90度電。而且這些電能的實際利用率很低，如在后半夜的一些街區(qū)，路上的車流量及行人非常稀少，但即使沒有車輛或行人經(jīng)過，路燈也是亮著的，這就造成了系統(tǒng)性的電能浪費。統(tǒng)計結(jié)果表明，有些時段的有效照明時間只占到整個照明周期的30%左右［1］，也就是說大部分電能被浪費掉了。每一個大城市都有無數(shù)的各式路燈，浪費的電能是一個天文數(shù)字。這就給工程技術(shù)人員提出一個研究方向，在無行人及車輛通過時，路燈自動熄滅或降低亮度，以節(jié)約電能。

1 研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

1）采用新型節(jié)能燈具?，F(xiàn)在我國的道路照明大多采用高壓鈉燈或高壓汞燈。該型燈具有較好的照明效果，光效高，穿透能力強，使用壽命也很長。但高壓鈉燈和高壓汞燈與新型電光源相比還是存在發(fā)光效率過低的問題，以LED為代表的新型電光源的應(yīng)用出現(xiàn)井噴態(tài)勢。LED是一種固態(tài)冷光源［2］，且是一種單向光源，與傳統(tǒng)的電光源相比具有耗電量小、發(fā)光效率高、顯色性好和使用壽命長等突出優(yōu)點，LED燈工作電壓很低，光線明亮，可以利用太陽能進行供電，也可以利用PWM技術(shù)對燈具的工作電壓及頻率進行調(diào)制［2］，改變路燈的照度。

2）調(diào)節(jié)燈具兩端的電壓。為了節(jié)約寶貴的電能，國內(nèi)外普遍采用的方法是：在無效照明時間里，通過降低燈具兩端的電壓來降低電光源的照度，實現(xiàn)節(jié)約電能的目的。降壓類型主要有可控硅斬波型、自耦降壓式和無觸點補償式等［3］，其中自耦降壓式調(diào)控裝置使用的材料最少，造價低，降壓效率更高。但這些方法都存在這樣或那樣的問題，自動化程度也很低。

3）人工智能技術(shù)。工程技術(shù)人員為了解決燈具的節(jié)能問題，提出了人工智能的技術(shù)方法。借助于信息科學(xué)技術(shù)，根據(jù)路面實時車輛及行人的交通情況自動開啟或熄滅路燈。

2 熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)和電壓特性

圖1是熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)圖［4］，它由熱電元、場效應(yīng)管和干涉濾光片三部分組成。內(nèi)置的場效應(yīng)管用來完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電流信號，需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式，本文用N溝道結(jié)型場效應(yīng)管構(gòu)成電壓跟隨器來實現(xiàn)阻抗變換［5］。

圖1 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)

濾光窗由一塊薄玻璃片上鍍多層濾光層薄膜所構(gòu)成，可以有效地濾除7～15μm波長以外的紅外線。人體在正常體溫時，輻射的紅外線中心波長約為9.65μm，正好處在濾光窗的波長范圍中（7～14μm）［6－7］，加上濾光窗可以有效地讓人體輻射的紅外線通過，阻止陽光、燈光等可見光中的紅外線通過，排除其他干擾。

其實熱釋電紅外傳感器的檢測范圍十分有限，大約只有2m，在工程上經(jīng)常無法滿足實際的需求，因此，必須增加傳感器的檢測范圍，往往在傳感器前加裝一個菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡可以使入射光匯聚起來，產(chǎn)生極大的光強：一是將紅外信號折射到敏感元件PIR上，利于信號的獲??；二是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，菲涅爾透鏡的使用使檢測半徑達到7～15m［8］。

3 電信號的采集和放大電路

1）智能路燈工作框圖。本設(shè)計是基于熱釋電紅外傳感器的智能路燈控制系統(tǒng)，當(dāng)路燈選擇半夜工作模式時，如有人或車輛經(jīng)過，路燈自動開啟，延遲一段時間后熄滅，類似于目前的樓道聲控?zé)?，工作流程如圖2所示。

圖2 智能路燈工作流程

2）信號的采集。信號檢測放大電路如圖3所示，由芯片BISS0001、熱釋電紅外傳感器和其他一些元件構(gòu)成。熱釋電紅外傳感器是一種對運動物體與背景的溫度差敏感的檢測元件［1，3］，當(dāng)物體進入有效檢測區(qū)域時，將檢測到的發(fā)熱體紅外輻射轉(zhuǎn)換為電流信號，信號送到BISS0001的14腳，進行放大處理。

3）信號的放大及處理。芯片BISS0001中主要由兩個運算放大器A1，A2和兩個電壓比較器A3，A4組成。運放A1，對從14腳輸入的信號進行一級放大，經(jīng)電容耦合后送到運放A2的13腳進行二級放大。電壓比較器A3和A4用來實現(xiàn)對信號的雙向鑒幅；當(dāng)檢測到有效信號時，觸發(fā)定時器。輸出信號Vo經(jīng)過放大后，驅(qū)動繼電器吸合接通負載。R4為光敏電阻，用來檢測環(huán)境的照度。當(dāng)環(huán)境較亮?xí)r，R4的阻值會變小，此時9腳的輸入為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號Vs。調(diào)節(jié)R9，C7的大小，就可以得到不同的延遲時間Tx；調(diào)整R10，C6的大小，可以調(diào)整觸發(fā)時間Ti大小。

4 LED電光源及供電電源

本設(shè)計所選用的燈具為LED電光源，路燈供電電源如圖4所示。電路的核心部件是L6561芯片。一般的LED燈光源由一組或多組串聯(lián)的LED芯片組成，每組LED燈的電流一般在25～160mA之間，而一組LED燈兩端的工作電壓設(shè)定在390～395V［2］。交流電源經(jīng)整流后通過IC的脈寬調(diào)整，成為穩(wěn)定的400V直流電壓輸出，為路燈提供供電電壓。目前，市場上LED光源的基本單位為每顆1W的芯片，芯片工作電壓在3.3～3.6V之間。一般路燈的規(guī)模為120～160個小芯片，故150個芯片串連后的電壓剛好達到400V左右。

圖3 信號檢測放大電路

圖4 路燈供電電源

5 存在的問題及改進方法

在實際的使用過程中，工作環(huán)境非常復(fù)雜，有兩個方面的問題制約著智能路燈的工作效果：1）就目前的電子工藝水平而言，熱釋電紅外傳感器即使加上菲涅爾透鏡，它的檢測距離也不是很長，大約只有10m［8］，由于檢測范圍太小，給移動物體的檢測、路燈的控制及響應(yīng)帶來諸多問題；2）熱釋電紅外傳感器對于行人來講響應(yīng)速度足夠，而對于車輛來講，由于它具有較高的速度，加上有效檢測距離較短，出現(xiàn)的問題是車輛到了電線桿底下路燈才亮，與理想的效果有一些距離。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和新工藝水平的采用，智能路燈的研究會克服目前存在的一些問題，將廣泛地應(yīng)用于城市路燈。

［1］ 戴琪.基于ZigBee的LED路燈智能控制系統(tǒng)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

［2］ 趙歡，許文海.LED陣列型紫外光固化光源系統(tǒng)［J］.電子激光，2007，18（1）：134－147.

［3］ 張萬奎.丁躍澆.高壓鈉燈的技術(shù)特性及降壓節(jié)電應(yīng)用［J］.照明工程學(xué)報，2006，16（4）：63－70.

［4］ 瞿貴榮.熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)原理及特性［J］.家庭電子，2005（8）.

［5］ 林雪梅.熱釋電傳感器及其應(yīng)用［J］.科技縱橫，2005（1）：47－49.

［6］ 張志科，趙玉建.D203S熱釋電紅外線傳感器應(yīng)用研究［J］.傳感器世界，2010（3）.

［7］ 肖景和，趙健.紅外線熱釋電與超聲波遙控電路［M］.北京：人民郵政出版社，2013.

［8］ 郭孝武，菲涅爾透鏡統(tǒng)一設(shè)計方法［J］.太陽能學(xué)報，1991，12（4）：423－440.