基于壓力傳感的LED路燈智能控制裝置

彭首國(guó)　林奇　李誠(chéng)　彭金栓

摘要：文章通過(guò)對(duì)城市夜間道路車(chē)流量的研究，發(fā)現(xiàn)城市路燈夜間長(zhǎng)亮機(jī)制下能源浪費(fèi)問(wèn)題，遂提出設(shè)計(jì)基于壓力傳感的路燈智能控制裝置。該裝置原理是基于壓力傳感器探測(cè)夜間實(shí)時(shí)道路車(chē)流狀況，以單片機(jī)為控制核心做信號(hào)處理，以路燈開(kāi)關(guān)控制單元實(shí)現(xiàn)路燈組滿(mǎn)、半載電路切換，最終實(shí)現(xiàn)路燈智能控制，達(dá)到低碳節(jié)能、提高路燈使用效率的目的。

關(guān)鍵詞：壓力傳感；LED路燈；智能控制裝置；STC90C516RD單片機(jī)；低碳節(jié)能 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：U491 文章編號(hào)：1009-2374（2016）26-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.013

道路夜間照明是駕駛員實(shí)現(xiàn)視覺(jué)可見(jiàn)以及安全駕駛的必要保障。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，目前照明在全球約占了19%的用電量，如果全球采用的照明系統(tǒng)效率比現(xiàn)有提升一倍，就相當(dāng)于減少了歐洲一半的用電量及排熱量。城市路燈照明作為城市建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，約占全國(guó)照明總耗電量的30%。針對(duì)路燈系統(tǒng)的能源節(jié)約采取的一般措施是將原有的白熾燈逐步更換為新型節(jié)約型的LED燈。這種做法雖然在一定程度上改善了路燈的照明效果，但在交通流稀少時(shí)段或交通流稀少的路段，道路照明保持長(zhǎng)時(shí)間高亮度，由此造成能源在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層面的浪費(fèi)。

20世紀(jì)90年代，西方發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始從事智能照明系統(tǒng)的研發(fā)，已經(jīng)積累了豐富的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和成功案例。比如新加坡、法國(guó)和瑞士已經(jīng)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)路燈的自動(dòng)化監(jiān)控，德國(guó)ABB公司基于I-BUS總線(xiàn)研發(fā)的路燈控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)路燈的集中開(kāi)關(guān)控制；日本的松下公司基于HBS的協(xié)議研發(fā)了智能燈具和相應(yīng)的管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了燈具的智能化遠(yuǎn)程控制。在集中控制的基礎(chǔ)上，國(guó)外路燈控制策略更加關(guān)注場(chǎng)景及行為分析的功能。比如自適應(yīng)的光照感知功能、根據(jù)日升日落時(shí)間的自動(dòng)開(kāi)關(guān)及調(diào)光功能、車(chē)流及人流分析功能等，而且針對(duì)繁華街路、偏僻街路及高速公路均有不同的監(jiān)控策略，一方面使路燈的控制更加的人性化，另一方面也進(jìn)一步節(jié)約了能源。除此之外，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始將GPRS、ZigBee等通訊技術(shù)融入到路燈控制中。

我國(guó)在路燈的智能控制方面雖然起步較晚，目前也正在不斷的探索和發(fā)展中。國(guó)家建設(shè)部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)在《關(guān)于加強(qiáng)城市照明管理、促進(jìn)節(jié)約用電工作的意見(jiàn)》，所以一些學(xué)者也做了一些關(guān)于使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、單片機(jī)、紅外傳感等來(lái)對(duì)路燈進(jìn)行節(jié)能化智能調(diào)控。

1 智能控制裝置構(gòu)型

1.1 控制總體設(shè)想

路燈的常亮機(jī)制造成了能源的極大浪費(fèi)，于是利用壓力傳感的原理，根據(jù)實(shí)際車(chē)流量使用，提供“按需照明”進(jìn)行能源供應(yīng)的裝置符合當(dāng)前節(jié)能大趨勢(shì)。智能控制系統(tǒng)旨在解決當(dāng)前城市道路夜間路燈常亮下的能源浪費(fèi)問(wèn)題。通過(guò)基礎(chǔ)電路將單片機(jī)控制單元、車(chē)輛探測(cè)傳感單元以及路燈控制單元聯(lián)系起來(lái)；由單片機(jī)控制單元對(duì)各個(gè)單元做出指令調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)裝置的有效運(yùn)作。當(dāng)無(wú)車(chē)輛通過(guò)時(shí)路燈維持較低亮度，能滿(mǎn)足路旁行人的夜間基本通行需求；當(dāng)有車(chē)輛通過(guò)時(shí)，車(chē)輛探測(cè)模塊感應(yīng)車(chē)輛進(jìn)入一區(qū)段后，該區(qū)段路燈能從原較低亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)到正常照明狀態(tài)，保障車(chē)輛在該區(qū)域的夜間行駛安全；汽車(chē)行駛完該路段后進(jìn)入下一路段時(shí)，上一路段路燈恢復(fù)至原較低亮度，下一路段提升至正常照明。

1.2 控制裝置運(yùn)行原理

在夜晚，路燈開(kāi)啟至初始設(shè)置的半載狀態(tài)（每盞路燈由兩個(gè)LED燈組成，半載狀態(tài)指僅開(kāi)啟一個(gè)LED燈，而滿(mǎn)載指開(kāi)啟兩個(gè)LED燈），這時(shí)能夠滿(mǎn)足道路兩旁行人通行的基本照明要求。當(dāng)汽車(chē)通過(guò)第一路燈組的始端壓力傳感器時(shí)，傳感單元將采集到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦藕髠鬏數(shù)絾纹瑱C(jī)控制單元中，經(jīng)由單片機(jī)控制單元處理后，輸出信號(hào)至該路燈組的路燈開(kāi)關(guān)控制單元，開(kāi)關(guān)控制單元接收到信號(hào)后接通路燈組滿(mǎn)載線(xiàn)路，進(jìn)而達(dá)到“點(diǎn)亮”第一路燈組路燈至滿(mǎn)載照明狀態(tài)；這便實(shí)現(xiàn)了第一路燈組的智能開(kāi)啟。隨后汽車(chē)行駛至第二路燈組的始端壓力傳感器，該壓力傳感單元接收到信號(hào)后傳輸給單片機(jī)控制單元。單片機(jī)控制單元處理后將發(fā)出兩個(gè)信號(hào)：一個(gè)信號(hào)傳輸至第一路燈組的開(kāi)關(guān)控制單元，該開(kāi)關(guān)控制單元接收到信號(hào)后將原滿(mǎn)載電路切換至半載電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了第一路燈組的滿(mǎn)載照明的關(guān)閉，即該組路燈照明從“明亮”變“灰暗”；另一個(gè)信號(hào)傳輸至第二路燈組的開(kāi)光控制單元，該開(kāi)關(guān)控制單元接受到信號(hào)后將接通第二路燈組的滿(mǎn)載電路，實(shí)現(xiàn)了第二路燈組滿(mǎn)載照明的開(kāi)啟。以此規(guī)律類(lèi)推至所有線(xiàn)路。

2 裝置控制硬件構(gòu)成

2.1 STC90C516RD單片機(jī)控制單元

核心控制單元主要是STC90C516RD單片機(jī)。STC90C516RD+系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超高速/低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇，內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，時(shí)鐘頻率在12MHz以下時(shí)，復(fù)位腳可直接接地。

路燈開(kāi)光控制單元是指通過(guò)電路連接將路燈進(jìn)行分組控制，單個(gè)路燈組線(xiàn)路長(zhǎng)度參照汽車(chē)照明距離。汽車(chē)燈照明距離一般為100m（LED近光燈）、300m（LED遠(yuǎn)光燈）、600m（激光遠(yuǎn)光燈），因此參考遠(yuǎn)光燈距離300m設(shè)置為一個(gè)路燈開(kāi)關(guān)控制單元，以滿(mǎn)足汽車(chē)夜間行駛安全。

2.2 車(chē)輛信號(hào)探測(cè)單元

車(chē)輛探測(cè)傳感單元主要由應(yīng)變式壓力傳感器組成，其主要任務(wù)是將汽車(chē)通過(guò)道路時(shí)得到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)電路輸出至核心控制單元。

2.3 程序設(shè)計(jì)流程

為實(shí)現(xiàn)上述路燈控制功能，現(xiàn)對(duì)路燈控制軟件方面設(shè)計(jì)如下：Step1：清空內(nèi)存，初始化并定義所用端口；Step2：輸入信號(hào)并檢測(cè)各個(gè)端口高低電平狀態(tài)；Step3：判斷，若第一端口為高電平狀態(tài)，則接通第一路燈編組的電路，保持此狀態(tài)直到第一端口為低電平狀態(tài)；Step4：?jiǎn)?dòng)延時(shí)程序，直到下一端口為高電平狀態(tài)；Step5：接通下一編組電路，后返回Step4；執(zhí)行Step4、Step5循環(huán)，直至最后編組路燈開(kāi)啟后結(jié)束。

3 智能控制模型

模型的建立。以一段長(zhǎng)km直線(xiàn)路段為例，設(shè)路段內(nèi)路燈總數(shù)N，路燈間隔l0；路燈為L(zhǎng)ED類(lèi)燈（注：每盞路燈由兩個(gè)LED燈組成，半載狀態(tài)指僅開(kāi)啟一個(gè)LED燈，而滿(mǎn)載指開(kāi)啟兩個(gè)LED燈）。

3.1 常亮機(jī)制下的能源消耗

3.2 智能控制下的能源消耗

因此最終能源節(jié)約程度為。

3.3 模型分析

以重慶市某道路為例，取該道路中=1000m路段為研究對(duì)象，路燈間隔為25m；單個(gè)路燈額定功率w，半載功率w，車(chē)速km/h。

根據(jù)上述公式計(jì)算得出，電量節(jié)約程度為。

4 結(jié)語(yǔ)

按照1.2的原理和思路，本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)實(shí)物驗(yàn)證，模擬夜晚下第二開(kāi)啟狀態(tài)的過(guò)程。除此之外，核心線(xiàn)路及軟件設(shè)不變，整套裝置仍由壓力傳感器和單片機(jī)控制。

如圖4所示，左側(cè)車(chē)道為常亮機(jī)制下的路燈照明情況，右側(cè)車(chē)道為壓力傳感下LED路燈的智能控制，圖4中小車(chē)觸發(fā)第二個(gè)壓力傳感裝置，點(diǎn)亮第二組LED路燈，此時(shí)第一組LED路燈已經(jīng)智能熄滅。

本實(shí)驗(yàn)中單顆LED路燈額定電流為30～60mA，半載功率為0.09W，滿(mǎn)載功率為0.18W。實(shí)物模型中每個(gè)實(shí)驗(yàn)組均有9顆LED路燈，每3個(gè)LED路燈為一個(gè)路燈編組，共3個(gè)路燈編組，小車(chē)通過(guò)該路段共需10s。為方便計(jì)算，在小車(chē)通過(guò)的10s內(nèi)，測(cè)試組算法簡(jiǎn)化為僅1個(gè)路燈編組一直處于滿(mǎn)載亮度，其余編組一直處于半載亮度，而標(biāo)準(zhǔn)組中所有路燈編組均處于滿(mǎn)載亮度，即可算得標(biāo)準(zhǔn)組所耗功率為16.2W，測(cè)試組所耗功率僅為7.02W。

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作者簡(jiǎn)介：彭首國(guó)（1994-），男，重慶人，重慶交通大學(xué)本科在讀學(xué)生，研究方向：交通運(yùn)輸。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）