基于車路互聯(lián)的智能路燈節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

李淑嫻　冀杰　胡靜　張凱航

摘 要：為滿足我國(guó)路燈系統(tǒng)的節(jié)能減排和智能控制需求，基于車路互聯(lián)技術(shù)提出一種智能路燈的綜合節(jié)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)檢測(cè)模塊獲得道路上的車輛、行人信息，并通過(guò)無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)道路交通工況與路燈控制模塊的信息無(wú)線互聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)路燈的分時(shí)控制。利用激光傳感器、Arduino單片機(jī)及nRF24L01無(wú)線模塊等搭建了比例道路路燈系統(tǒng)模型并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在保證司機(jī)有足夠的行車視距的前提下，實(shí)現(xiàn)了“車來(lái)燈亮、車過(guò)燈滅”的功能，能夠在車流量較小的村鎮(zhèn)道路上實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：智能路燈；車路互聯(lián)；節(jié)能；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：TM923.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）04-0038-04

Abstracts： In order to meet the demand of energy saving and emission reduction and intelligent control of street lamp system in our country， a comprehensive energy-saving system of intelligent street lamp is proposed based on the technology of vehicle-road interconnection. The system obtains the vehicle and pedestrian information on the road through the signal detection module， and realizes the wireless interconnection between the road traffic condition and the information of the street lamp control module through the wireless communication module， and finally realizes the time-sharing control of the street lamp. The model of proportional road street lamp system is built by using laser sensor， Arduino single chip computer and nRF24L01 wireless module. The experimental results show that， on the premise of ensuring the driver has enough sight distance， the function of "light is on when car comes， and out when car passes" is realized， and the better energy saving effect can be realized on the roads in villages and towns where there is small traffic flow.

Keywords： intelligent street lamp； vehicle-road interconnection； energy-saving； experimental verification

1 概述

路燈照明系統(tǒng)是道路基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)重要組成部分，它不僅能夠使夜間道路交通更加通暢，保證道路車輛的行駛安全性，同時(shí)對(duì)所在地區(qū)的景觀和人文氣息也有著重要的影響。然而，目前我國(guó)道路兩側(cè)（尤其是偏遠(yuǎn)山區(qū)）的路燈系統(tǒng)自動(dòng)化水平不高，大多采用定時(shí)控制或者管線控制的方法，這導(dǎo)致路燈管理起來(lái)效率很低，同時(shí)在夜間徹夜點(diǎn)亮路燈，也對(duì)電能造成了巨大的浪費(fèi)。

近年來(lái)，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用無(wú)線互聯(lián)技術(shù)提高路燈的智能化水平并克服傳統(tǒng)路燈的弊端，逐漸引起了研究學(xué)者及企業(yè)的重視。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）具有實(shí)時(shí)感知能力、快速通信能力和運(yùn)算能力等一系列特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)車輛與道路路燈之間的快速通信與互聯(lián)，能夠較好地滿足智能路燈控制系統(tǒng)的主要功能要求[1]。

因此，基于車路無(wú)線傳感與互聯(lián)技術(shù)，本文提出一種新的車路互聯(lián)智能路燈綜合節(jié)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線信號(hào)檢測(cè)模塊對(duì)道路環(huán)境信息進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)有車輛或行人經(jīng)過(guò)時(shí)，點(diǎn)亮前方三盞路燈，并使其在一定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)熄滅[2]。這樣，利用道路車輛（或行人）與路燈之間的無(wú)線信息互聯(lián)技術(shù)，即可實(shí)時(shí)獲取并傳輸車輛行駛狀態(tài)信息，對(duì)道路路燈進(jìn)行分時(shí)控制，以實(shí)現(xiàn)路燈的智能控制與綜合節(jié)能功能。

2 路燈控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

路燈控制系統(tǒng)由信號(hào)檢測(cè)模塊（激光發(fā)射器和接收器）、Arduino控制模塊、nRF24L01無(wú)線通信模塊、繼電器模塊及其他道路設(shè)施等共同組成。

具體方案為：將激光傳感器置于道路兩側(cè)的路燈節(jié)點(diǎn)處，當(dāng)檢測(cè)到有車輛（或行人）通過(guò)時(shí)，利用Arduino控制模塊采集道路交通信息，并通過(guò)nRF24L01無(wú)線通信模塊發(fā)送至相應(yīng)的LED路燈無(wú)線信號(hào)接收模塊，并利用單片機(jī)和繼電器實(shí)現(xiàn)路燈的延時(shí)開關(guān)和智能控制[3]。其整體結(jié)構(gòu)布局和工作原理如圖1所示。

下面將對(duì)各模塊分別進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

2.1 信號(hào)檢測(cè)模塊

激光傳感器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，且具有速度快，精度高，量程大，抗電干擾能力強(qiáng)等特性，本系統(tǒng)選用型號(hào)為L(zhǎng)D-G650A03的danger 3V激光發(fā)射器和5V激光接收器（光控開關(guān)）對(duì)道路上的車輛與行人進(jìn)行檢測(cè)[4]。endprint

在道路兩側(cè)路燈節(jié)點(diǎn)處分別安裝激光發(fā)射器和接收器，當(dāng)沒(méi)有車輛（或行人）經(jīng)過(guò)時(shí)，激光發(fā)射信號(hào)能被接收器正常接收，此時(shí)，Arduino控制模塊不對(duì)前方路燈進(jìn)行控制，前方路燈處于缺省斷電關(guān)閉狀態(tài)；而當(dāng)車輛（或行人）經(jīng)過(guò)路燈的位置時(shí)，激光發(fā)射的信號(hào)被車輛（或行人）阻攔，接收器無(wú)法接收到相應(yīng)信息，Arduino控制模塊對(duì)該信號(hào)進(jìn)行判斷處理，并通過(guò)無(wú)線通訊模塊將該信號(hào)傳遞到前方對(duì)應(yīng)的路燈控制器中，使路燈處于延時(shí)通電狀態(tài)，點(diǎn)亮路燈。從而保證了行駛車輛（或行人）前方的數(shù)盞路燈處于開啟狀態(tài)，既保證了車輛在道路上的照明需求，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了節(jié)約電能的目標(biāo)。具體結(jié)構(gòu)如圖2。

如圖，每個(gè)路燈上的激光傳感器依次對(duì)應(yīng)其前方的第三盞路燈。假設(shè)激光傳感器安裝在路燈A上，當(dāng)車輛通過(guò)路燈A時(shí)，前方A'路燈照明。并通過(guò)設(shè)定延時(shí)程序保證車輛在通過(guò)該燈之前能夠持續(xù)照明，并在車輛通過(guò)A'之后，該路燈自動(dòng)熄滅。依次方式，可實(shí)現(xiàn)“車來(lái)燈亮，車過(guò)燈滅”的照明模式。

2.2 無(wú)線通訊模塊

無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)道路車輛或行人信號(hào)的無(wú)線傳輸，該系統(tǒng)采用nRF24L01無(wú)線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該種新型單片無(wú)線收發(fā)器芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、調(diào)制器、晶體振蕩器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置，幾乎可以通過(guò)SPI接口連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無(wú)線數(shù)據(jù)傳送工作[5]。其與Arduino單片機(jī)的連接如圖3。

具體方案為：在每個(gè)路燈處分別安置一個(gè)nRF24L01發(fā)射端與接收端，當(dāng)激光傳感器檢測(cè)到有車輛（或行人）經(jīng)過(guò)時(shí)，信號(hào)經(jīng)由Arduino處理，控制nRF24L01發(fā)射端向該路燈前方的第三盞路燈的nRF24L01接收端發(fā)送信號(hào)，使前方路燈實(shí)現(xiàn)依次點(diǎn)亮和延時(shí)功能[6]。該路燈系統(tǒng)中，通過(guò)Nrf24L01模塊通信頻道的選擇，實(shí)現(xiàn)路燈系統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信控制，同時(shí)前方路燈點(diǎn)亮的數(shù)目、延時(shí)時(shí)間等參數(shù)均由程序自定義設(shè)定，可根據(jù)具體道路的交通狀況與行車速度進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)路燈系統(tǒng)的智能控制，以達(dá)到符合當(dāng)前路況的最優(yōu)方案，且在最大程度上節(jié)約電能[7]。

2.3 Arduino控制模塊

在該智能路燈系統(tǒng)中，采用Arduino UNO為核心控制模塊，其處理器核心是ATmega328。通過(guò)程序編程實(shí)現(xiàn)激光接收器反饋信號(hào)的處理、nRF2401無(wú)線模塊信號(hào)收發(fā)以及路燈繼電器的控制等主要功能。

如圖4所示，該路燈控制系統(tǒng)以Arduino單片機(jī)模塊為核心，分別與激光傳感器、nRF24L01無(wú)線通信模塊以及繼電器模塊進(jìn)行連接。其中，激光傳感器僅為Arduino模塊提供輸入信號(hào)，而Arduino模塊向繼電器模塊僅輸出開關(guān)控制信號(hào)，另外，nRF24L01無(wú)線通信模塊不僅要接收后方第（n-3）號(hào)路燈節(jié)點(diǎn)處的激光傳感器信號(hào)，還要向前方（n-3）號(hào)路燈節(jié)點(diǎn)處發(fā)送本路燈激光傳感器的信號(hào)，因此，需要利用Arduino對(duì)nRF24L01模塊進(jìn)行分頻分時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)上述功能。

3 智能路燈系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建比例道路交通模型對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該車路互聯(lián)路燈綜合節(jié)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由智能路燈控制系統(tǒng)與小車智能巡線系統(tǒng)共同構(gòu)成。智能巡線小車用于模擬真實(shí)道路中的行駛車輛，為路燈控制系統(tǒng)提供驗(yàn)證條件。智能路燈系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)路線總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.1 智能小車巡線系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

智能小車巡線系統(tǒng)作為智能路燈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的輔助部分，由車體模型、Arduino主控模塊、路徑檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)向控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成。智能巡線小車的總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。該智能尋線小車能夠按照規(guī)定的黑色軌跡勻速行駛，且行駛偏差保持在較小范圍值內(nèi)，智能巡線小車是智能路燈系統(tǒng)信號(hào)的發(fā)出端，用于模擬實(shí)際道路場(chǎng)景中的車輛、行人等，作為智能路燈控制系統(tǒng)的輔助部分。

車體的從前端到后端依次安裝有3個(gè)紅外傳感器作為路經(jīng)檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、Arduino Uno控制板、7.2V充電電池及2個(gè)直流電機(jī)。車體組裝元素有4個(gè)輪胎、4個(gè)電機(jī)固定塊、2塊小車后部模塊、1塊小車中部模塊、1塊小車頭部模塊、1塊小車連接板、6塊舵機(jī)前輪固定板及各類螺絲及銅柱、軸承、墊片若干。

其技術(shù)方案為：在Arduino模塊中編寫控制程序，控制安裝在車體上的各個(gè)功能模塊，從而達(dá)到沿黑線運(yùn)動(dòng)的巡線目的。整個(gè)系統(tǒng)程序是建立在Arduino信號(hào)檢測(cè)及運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上，路徑檢測(cè)模塊用來(lái)檢測(cè)黑線位置，并將此路線信號(hào)傳達(dá)給Arduino控制器，控制器在收到路線信號(hào)并做出轉(zhuǎn)向判斷后，控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行部分即舵機(jī)（此處舵機(jī)與車體前輪進(jìn)行剛性連接）轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。同時(shí)，Arduino控制器通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊間接驅(qū)動(dòng)兩后輪，使其始終保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，為整個(gè)車體提供動(dòng)力[8]。

3.2 智能路燈控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

智能路燈控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀尚盘?hào)檢測(cè)模塊（激光發(fā)射器和接收器）、路燈控制模塊（Arduino控制模塊）、無(wú)線通信模塊（nRF24l01模塊）及其他道路設(shè)施模型共同組成。要求實(shí)現(xiàn)的功能為，當(dāng)激光接收器能正常接收激光發(fā)射器的發(fā)射激光時(shí)，道路前方三盞路燈處于熄滅狀態(tài)，一旦巡線小車駛過(guò)時(shí)，將激光信號(hào)阻斷，前方第三盞路燈點(diǎn)亮，并延時(shí)熄滅。依此，每個(gè)激光接收器對(duì)應(yīng)控制其前方第三盞路燈亮或滅的狀態(tài)。

根據(jù)該方案搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，經(jīng)多次測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。巡線小車可沿規(guī)定軌跡線行駛，且行駛偏差保持在-2cm～+2cm之間。小車運(yùn)行情況見(jiàn)圖7所示。巡線小車每遮擋一束激光，其對(duì)應(yīng)控制的前方第三盞路燈均能迅速點(diǎn)亮，并延時(shí)熄滅。這樣，就始終保持了小車在行駛過(guò)程中其前方3盞均為點(diǎn)亮狀態(tài)，且在小車駛離時(shí)，路燈熄滅。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于目前主流的無(wú)線傳感及互聯(lián)技術(shù)，本文提出了一種基于車路互聯(lián)的智能路燈綜合節(jié)能系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該系統(tǒng)應(yīng)用車路互聯(lián)通信技術(shù)以及分時(shí)自主智能控制思路，使智能路燈系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前路況做出較好的路燈開關(guān)控制，有效提高了路燈節(jié)能效果以及人工管理成本。

對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，還可實(shí)現(xiàn)故障信息的即時(shí)反饋等附加功能。與傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)相比，具有節(jié)約能源、便于智能化控制與管理等優(yōu)勢(shì)。特別是在物聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展的時(shí)代，該種智能路燈系統(tǒng)具有一定的可行性與廣闊的發(fā)展前景。

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