節(jié)能控制的智能化路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

漯河市路燈維護(hù)中心 李 倩

國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段開展的路燈管理工作大多依靠人工巡視來實(shí)現(xiàn)，工作效率低下的同時(shí)產(chǎn)生不必要的人力、物力成本支出，本文針對(duì)此類問題提出了應(yīng)用GPRS與ZigBee無線通信技術(shù)進(jìn)行路燈遠(yuǎn)程控制的管理模式，對(duì)于成本節(jié)約、提質(zhì)增效、節(jié)能管理等目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有積極意義。同時(shí)，對(duì)于夜間恒照度造成的電能損耗問題，本文提出分時(shí)控制的路燈控制模式，結(jié)合雷達(dá)測(cè)速儀進(jìn)行單燈控制，并依靠測(cè)距儀進(jìn)行車輛方向的判斷，有效解決了傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)在能源損耗方面的問題。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)路燈所采取的照明模式大多為恒照度、全夜燈，通過定時(shí)啟停、感光啟停等方式對(duì)全部路燈進(jìn)行集中管理。然而，現(xiàn)有的路燈控制系統(tǒng)無法做到遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控，往往需要安排人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)路燈進(jìn)行巡視維護(hù)，所應(yīng)用的計(jì)劃修模式往往會(huì)耗費(fèi)較多人力和物力資源，相對(duì)于實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)存在較多缺點(diǎn)。此外，恒照度、全夜燈模式提供的照明存在冗余問題，往往只滿足了少量車輛或行人的通行需求，產(chǎn)生了較多不必要的電能支出。為此，相關(guān)單位需要積極研究節(jié)能控制的智能化路燈系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行以及節(jié)能控制的工作目標(biāo)。

1 基于節(jié)能控制的智能化路燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 無線通信設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有路燈狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，智能路燈設(shè)計(jì)人員首先需要做好通信系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。相對(duì)而言，有線通信系統(tǒng)需要耗費(fèi)較多時(shí)間和資金進(jìn)行電纜敷設(shè)，期間還會(huì)對(duì)道路交通造成影響，而無線通信在達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)的同時(shí)也可以減少施工成本。為了確保無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，通信系統(tǒng)中需要合理應(yīng)用相應(yīng)的通訊技術(shù)，本設(shè)計(jì)擬采用短距離通信的ZigBee技術(shù)和遠(yuǎn)距離通信的GPRS技術(shù)，將兩者技術(shù)融合應(yīng)用到智能路燈的通信系統(tǒng)中，使系統(tǒng)變得更加靈活可靠。

ZigBee是現(xiàn)有短距離通信技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)類型，在路燈通信方面已推出較多研究成果，該技術(shù)10.75m的傳輸距離與城市路燈的布置間距相適應(yīng)，符合數(shù)據(jù)傳輸方面的現(xiàn)實(shí)需求。然而，城市路燈數(shù)量相對(duì)較多，隨著道路長(zhǎng)度的增加，ZigBee連接的路燈數(shù)量將會(huì)增加，這將影響無線通信系統(tǒng)的傳輸效率。為此，本文決定在ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用GPRS技術(shù)，使得路燈的無線通信系統(tǒng)擺脫路燈數(shù)目、傳輸距離方面的限制，基于GPRS建立監(jiān)控終端與各子網(wǎng)之間的通信鏈接，而子網(wǎng)內(nèi)部則依靠ZigBee進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端對(duì)路燈狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，也為各項(xiàng)路燈控制命令的下達(dá)提供便利。

1.2 智能控制終端

智能控制終端內(nèi)部包括了控制器、光傳感器、驅(qū)動(dòng)電路幾部分，控制終端信號(hào)的流動(dòng)方向如圖1所示。

圖1 智能控制器信號(hào)流程圖

在智能路燈系統(tǒng)中，光照傳感器布設(shè)于道路周邊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)道路區(qū)域的光信號(hào)，并將信號(hào)傳遞給智能控制器，經(jīng)過內(nèi)部控制回路的判斷來決定是否控制驅(qū)動(dòng)電路對(duì)路燈進(jìn)行開啟。在開啟路燈的同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器將會(huì)啟動(dòng)，在達(dá)到定時(shí)時(shí)限后將會(huì)自動(dòng)降低LED路燈的亮度。此時(shí)，如果駛?cè)肼窡羲幍缆穮^(qū)域，系統(tǒng)中的測(cè)速儀將會(huì)采集車輛信號(hào)并傳遞給智能控制器，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)控制路燈開啟，為車輛提供200m范圍的路燈照明，測(cè)速儀產(chǎn)生的速度信號(hào)將會(huì)由控制器內(nèi)部算法計(jì)算得出每一個(gè)路燈的點(diǎn)亮與變暗延遲時(shí)間，使得路燈在滿足車輛行駛照明需求的同時(shí)避免因長(zhǎng)時(shí)間維持高亮度而產(chǎn)生不必要的電能損耗。此外，系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)處于后半夜這一道路行駛車輛相對(duì)較少的時(shí)段時(shí)，控制器將會(huì)通過PWM信號(hào)對(duì)LED路燈進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，并在檢測(cè)到車輛速度信號(hào)時(shí)增強(qiáng)LED亮度，在車輛通過后重復(fù)之前PWM信號(hào)的亮度調(diào)節(jié)工作，滿足車輛安全通行的同時(shí)起到節(jié)約電能的功能效果。

2 基于節(jié)能控制的智能化路燈系統(tǒng)的無線通訊研究

在節(jié)能路燈系統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，本文采用了三級(jí)通信模式，分別為路燈、控制子站以及監(jiān)控中心。其中，監(jiān)控中心的作用在于對(duì)各控制子站的運(yùn)行情況進(jìn)行管控，通過子站下達(dá)路燈控制命令的同時(shí)，完成對(duì)子站反饋數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)收集?？刂谱诱镜淖饔迷谟趯?duì)子站管控范圍內(nèi)的路燈進(jìn)行管理，控制路燈狀態(tài)的同時(shí)對(duì)路燈的電壓、電流等各電路運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并將相關(guān)信息反饋給監(jiān)控中心。路燈作為終端設(shè)備，主要包含了控制箱和變壓器兩部分，用于接收并執(zhí)行上級(jí)下達(dá)的各種控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈狀態(tài)的快速調(diào)節(jié)。

3 基于節(jié)能控制的智能化路燈系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要針對(duì)城市路燈終端，包括了測(cè)速儀、光照傳感器、亮度調(diào)節(jié)電路以及測(cè)距電路幾部分，下面對(duì)硬件系統(tǒng)的整體規(guī)劃情況進(jìn)行介紹。

3.1 雷達(dá)測(cè)速儀分布

雷達(dá)測(cè)速儀的工作目標(biāo)在于對(duì)道路行駛車輛的速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過采集的速度信號(hào)對(duì)路燈的變化頻率進(jìn)行控制。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，隨著車輛的行進(jìn)，路燈會(huì)在系統(tǒng)的控制下變亮和變暗，車輛行駛前方的路燈將會(huì)依次點(diǎn)亮，車輛行駛后方的路燈將會(huì)依次變暗，測(cè)速儀的運(yùn)行可靠性直接關(guān)系的路燈的點(diǎn)亮與變暗順序，對(duì)于車輛行駛安全性具有較大影響，對(duì)于路燈的節(jié)能控制也具有積極作用。相對(duì)而言，隨著雷達(dá)測(cè)速儀布置密集程度的增加，系統(tǒng)對(duì)車輛速度信號(hào)的采集結(jié)果將會(huì)更加精確，在綜合考慮系統(tǒng)精度與項(xiàng)目成本的情況下，建議間隔1公里設(shè)置一處測(cè)速儀?？紤]到測(cè)速儀實(shí)時(shí)采集車輛速度信號(hào)的運(yùn)行需求，擬采用CSR-90型測(cè)速儀，將其固定于道路周邊或路燈燈桿區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛速度信號(hào)的監(jiān)測(cè)采集。

3.2 紅外測(cè)距儀分布

在非直行道路時(shí)，單純依靠測(cè)速儀無法判斷車輛的行駛方向。為此，在十字路口區(qū)域，智能化路燈系統(tǒng)需要布設(shè)儀器對(duì)車輛后續(xù)行駛方向進(jìn)行判定；在雙向六車道區(qū)域，由于車輛的行駛方向與車道有關(guān)，在判斷方向時(shí)可以根據(jù)路燈與車道的相對(duì)距離實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛行駛方向的判斷。因此，本系統(tǒng)計(jì)劃通過紅外測(cè)距裝置完成行駛方向的判斷工作，具體需要將該裝置設(shè)置于十字路口前的200m附近區(qū)域，通過分析車、燈間距的測(cè)量結(jié)果確定車輛的前進(jìn)方向，以此來針對(duì)性地調(diào)節(jié)路燈亮度。由于無法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，因此需要將車輛右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)以及直行三種可能考慮在內(nèi)，通過將測(cè)距裝置布設(shè)于各路口200m附近區(qū)域，完成對(duì)車輛行駛方向的判斷和對(duì)路燈狀態(tài)的控制工作。

3.3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在硬件結(jié)構(gòu)方面，智能化節(jié)能路燈的硬件部分主要包括PWM電路和智能控制器。其中，智能控制器可以直接選用ZigBee芯片，降低成本支出。系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備主要包含了測(cè)速儀、測(cè)距儀、光照傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)電路、模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、信號(hào)變送器等。整體工作原理如圖1所示，光照傳感器會(huì)將采集的光信號(hào)傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈開關(guān)狀態(tài)的控制。測(cè)速儀則將速度信號(hào)傳輸給控制器，通過內(nèi)部算法對(duì)路燈點(diǎn)亮與調(diào)暗過程進(jìn)行控制。

4 基于節(jié)能控制的智能化路燈系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

智能化路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一在于減少電能損耗，本系統(tǒng)根據(jù)光照亮度將一天劃分為五個(gè)階段三個(gè)部分，分別為白天至黃昏、黃昏后五個(gè)小時(shí)、黃昏五小時(shí)后至天亮。其中，第一部分光照較強(qiáng)，無需開啟路燈，故利用PWM信號(hào)調(diào)節(jié)輸出為0%；第二部分為道路行車、行人高峰期，此時(shí)光照較暗，故利用PWM信號(hào)調(diào)節(jié)輸出為100%；第三部分無光照，但由于車輛、行人極少，則系統(tǒng)控制在未檢測(cè)到行車時(shí)提供30%輸出，在檢測(cè)到行車時(shí)提供70%輸出。系統(tǒng)的軟件程序運(yùn)行流程為：上電運(yùn)行并完成初始化，光照傳感器對(duì)當(dāng)前環(huán)境的光信號(hào)進(jìn)行采集，控制器依據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換的光信號(hào)判定是否開啟路燈，若光照亮度低至預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)，則啟動(dòng)路燈并進(jìn)入5h的車輛行駛高峰期計(jì)時(shí)階段，并將這段時(shí)間的路燈亮度調(diào)至最亮；當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，控制所有路燈亮度至30%狀態(tài)，并啟動(dòng)測(cè)速儀采集車輛速度信號(hào)，完成車輛周邊路燈亮度在70%與30%之間的調(diào)整，而信號(hào)的傳輸則需要依靠ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。

結(jié)語：本文針對(duì)當(dāng)前城市恒照度、全夜燈路燈系統(tǒng)的運(yùn)行模式提出了改進(jìn)措施，研究了一種智能化的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)路燈的無線遠(yuǎn)程控制依靠近距離通信的ZigBee技術(shù)和遠(yuǎn)距離通信的GPRS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，前者建立控制子站與路燈之間的聯(lián)系，后者建立子站與監(jiān)控中心之間的聯(lián)系。為了減少能源損耗，系統(tǒng)將全天設(shè)置成三個(gè)時(shí)段，通過光照傳感器控制路燈啟動(dòng)，通過定時(shí)器控制路燈最高亮度的持續(xù)時(shí)間，通過測(cè)速儀、測(cè)距儀監(jiān)測(cè)車輛位置并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)路燈亮度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制和安全運(yùn)行的目標(biāo)。