面向智慧城市建設(shè)的LED路燈智能調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙雅婕 陳如清 萬(wàn)勇 鮑勝利

摘 ?要：結(jié)合城市道路照明的實(shí)際需求，基于現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，完成了面向智慧城市建設(shè)的LED路燈智能調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并自主開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)的軟硬件實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。路燈智能調(diào)光系統(tǒng)主要包括車(chē)輛檢測(cè)模塊、ZigBee節(jié)點(diǎn)電路、光信號(hào)采集與處理模塊及路燈控制模塊?？蓪?shí)現(xiàn)道路車(chē)輛實(shí)時(shí)檢測(cè)、環(huán)境光照度實(shí)時(shí)檢測(cè)、LED路燈智能調(diào)光和路燈間無(wú)線(xiàn)通訊等功能。所設(shè)計(jì)的路燈智能調(diào)光系統(tǒng)可有效解決當(dāng)前城市道路路燈照明管理方式單一、非智能化、布線(xiàn)復(fù)雜及維護(hù)困難等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：面向智慧城市建設(shè);車(chē)輛信息檢測(cè);照度信息檢測(cè);智能調(diào)光

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）28-0037-02

Abstract： By combining with the actual demand of urban road lighting and using the modern test technology and computer control technology， an intelligent LED street lighting dimming system for Smart City construction was designed and the software-hardware experimental model of the system was developed inthis paper. The street lamp intelligent dimming system mainly includes the vehicle detection module， ZigBee node circuit， light signal acquisition and processing module and street lamp control module. It could realize real-time detection of road vehicles， real-time detection of ambient illumination， intelligent dimming of LED street lights and wireless communication between street lights. The intelligent dimming system for LED street lamp designed in this paper can effectively solve the problems of single management mode， non-intelligence， complex wiring and difficult maintenance of street lamp lighting in urban areas.

Keywords： Smart City construction; vehicle information detection; illumination information detection; intelligent dimming

1 概述

隨著全球人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)規(guī)模不斷快速增長(zhǎng)，能源短缺問(wèn)題的嚴(yán)重性影響了世界各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。節(jié)能環(huán)保理念也開(kāi)始成為世界各國(guó)的共識(shí)。路燈照明是城市中的電力能源消耗最大的部分之一，世界各國(guó)科研人員都在積極尋找新的節(jié)能減排的綠色照明光源，如高效節(jié)能燈、LED燈等。城市路燈節(jié)能減排計(jì)劃也是響應(yīng)國(guó)家政策，走低碳經(jīng)濟(jì)之路[1]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)科技的不斷快速發(fā)展，智慧城市理念也在不斷的出現(xiàn)在大眾視野中，路燈作為城市不可或缺的基礎(chǔ)部分。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在路燈光源選取，調(diào)光電路，路燈通信都進(jìn)行了不同的嘗試和探索。如文獻(xiàn)[2]該論文提出了基于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)為核心的控制辦法，實(shí)現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程智能控制[2]。文獻(xiàn)[3]該論文提出基于CC2530單片機(jī)的ZigBee無(wú)線(xiàn)路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在每個(gè)路燈控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了可以自組織網(wǎng)絡(luò)的通信方式，很大程度上解決了路燈無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通信上存在的不穩(wěn)定問(wèn)題[3]。文獻(xiàn)[4]通過(guò)分析ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與其他目前主流的組網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)，提出了將單燈節(jié)能技術(shù)和ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市每一盞路燈的智能控制[4]。文獻(xiàn)[5]該論文提出了一種基于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信的智能照明監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)云端平臺(tái)使得路燈控制更加的智能化[5]。文獻(xiàn)[6]該論文中在智能燈光控制系統(tǒng)集成了ZigBee與LED燈的低功耗通信協(xié)議，具有明顯的節(jié)能效果[6]。

針對(duì)目前的實(shí)際情況，本論文設(shè)計(jì)的智能路燈調(diào)光系統(tǒng)，使用ZigBee無(wú)線(xiàn)通信、微波雷達(dá)檢測(cè)等多項(xiàng)技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)的根據(jù)道路上行駛車(chē)輛的情況控制路燈的亮度，做到對(duì)路燈的智能控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)省能源的目的。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

面向智慧城市建設(shè)的LED路燈智能調(diào)光系統(tǒng)，主要包括以下幾個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，即：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)模塊、道路車(chē)輛信息實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊、路面照度信息實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊、LED路燈智能調(diào)光模塊、系統(tǒng)顯示模塊和電源供電模塊。具體包括：

（1）路面照度信息實(shí)時(shí)檢測(cè)。利用光電傳感器（光敏電阻）采集道路環(huán)境光照度，采樣電路將道路環(huán)境光照度信號(hào)轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路（包括放大電路和濾波電路）預(yù)處理后，經(jīng)過(guò)A/D電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞至單片機(jī)分析處理。

（2）道路車(chē)輛信息實(shí)時(shí)檢測(cè)。利用運(yùn)動(dòng)車(chē)輛檢測(cè)傳感器（多普勒雷達(dá)）檢測(cè)當(dāng)前路燈附近道路車(chē)輛的通行情況，得到原始微弱的電信號(hào)反映車(chē)輛通行情況。電信號(hào)經(jīng)過(guò)多級(jí)放大電路和濾波電路預(yù)處理之后，得到適合單片機(jī)分析處理的電信號(hào)。

（3）LED路燈智能調(diào)光。單片機(jī)根據(jù)采集到的道路環(huán)境光照度信號(hào)和車(chē)輛實(shí)時(shí)通行信息，進(jìn)行分析處理和智能調(diào)光，同時(shí)將調(diào)光信息無(wú)線(xiàn)傳遞給相鄰路燈。

3 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案

LED路燈智能調(diào)光系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。

PC管理中心通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)控制所在區(qū)域內(nèi)的路燈，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的有效管理。采用多普勒雷達(dá)微波放大電路檢測(cè)道路上的行駛車(chē)輛信息。行駛車(chē)輛檢測(cè)過(guò)程為：

通過(guò)分析HB100傳感器發(fā)射出的無(wú)線(xiàn)電波信號(hào)與碰到運(yùn)動(dòng)車(chē)輛反射回來(lái)的無(wú)線(xiàn)電波信號(hào)之間的頻率變化，把得到的微波數(shù)據(jù)傳到單片機(jī)中進(jìn)行分析處理。通過(guò)光電傳感器（光敏電阻）采集道路環(huán)境光照度，采樣電路將道路環(huán)境光照度信號(hào)轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路（包括放大電路和濾波電路）預(yù)處理后，經(jīng)過(guò)A/D電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞至單片機(jī)分析處理。

傳感器采集的光電信號(hào)和微波信號(hào)作為系統(tǒng)的輸入，LED路燈亮度（輸出功率）為系統(tǒng)的輸出。光敏電阻采樣電路可以得到光強(qiáng)信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)分析數(shù)據(jù)可以得知白天還是夜晚。進(jìn)而控制路燈的關(guān)閉和打開(kāi)。如果光強(qiáng)值大表示白天，路燈處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)光強(qiáng)值小時(shí)則是夜晚，此時(shí)，如果微波雷達(dá)檢測(cè)沒(méi)有行駛車(chē)輛通過(guò)，通過(guò)LED調(diào)光電路，使路燈工作35%的亮度，保持路燈處于達(dá)到基本照明狀態(tài)，以節(jié)約電能。如果微波雷達(dá)檢測(cè)到行駛的車(chē)輛時(shí)，通過(guò)LED調(diào)光電路，使路燈處于100%的亮度，通過(guò)這種方法實(shí)現(xiàn)節(jié)省能源。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文引入ZigBee通信技術(shù)和雷達(dá)微波車(chē)輛檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套面向智慧城市建設(shè)的LED路燈智能調(diào)光系統(tǒng)，具有節(jié)能效果好及成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)采用LED路燈智能調(diào)光系統(tǒng)，使得所管轄的道路路燈，在白天光照度較強(qiáng)的情況下自動(dòng)處于關(guān)閉狀態(tài);夜晚在沒(méi)有車(chē)輛通行的情況下，路燈保持基本照度，調(diào)光電路使路燈維持35%的功率輸出狀態(tài)（即總光輸出的35%）;夜晚在有車(chē)輛通行的情況下，調(diào)光電路使路燈維持100%的功率輸出狀態(tài)（即總光輸出的100%）。此外通過(guò)無(wú)線(xiàn)接力跳的傳輸方式，將調(diào)光信號(hào)（PWM占空比）無(wú)線(xiàn)傳遞給相鄰的路燈。實(shí)現(xiàn)路燈調(diào)光的自動(dòng)化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化，有效改善了城市道路照明環(huán)境并實(shí)現(xiàn)了道路照明的最大化節(jié)能。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀昌軍，傅慧英.城市路燈控制與管理中存在的問(wèn)題與解決方法的探討[J].城市道橋與防洪，2009（7）：204-207.

[2]楊濤.基于ZigBee的路燈智能控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].陜西：西安科技大學(xué)，2018.

[3]原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2004，21（6）：89-91.

[4]杜益文，郭興隆.基于ZigBee技術(shù)的LED路燈智能照明控制系統(tǒng)研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2012（11）.

[5]呂祚英，唐濤，李光文， 等.基于電力載波的智能路燈控制系統(tǒng)[J].電子測(cè)試，2018（10）：28-29.

[6]Kaleem， Zeeshan Ahmad， IshtiaqChankilLee.Smart and Energy Efficient LED Street Light Control System using ZigBee Network[C].International Conference on Frontiers of Information Technology，2016，361-365.