魏艷楠，陳賀鵬，陳雨菲，何 煦，劉奇明

(河南城建學院，河南 平頂山 467000)

城郊道路路燈照明運行模式與智能控制方法研究

魏艷楠，陳賀鵬，陳雨菲，何 煦，劉奇明

(河南城建學院，河南 平頂山 467000)

基于紅外感應原理，利用485通訊技術和LED照明設備，研究了一種城郊照明系統(tǒng)的智能控制方法。在保證行車安全的前提下，本研究設置了城郊道路照明系統(tǒng)的常規(guī)照明模式和動態(tài)跟蹤照明控制兩種模式，實現(xiàn)城郊道路照明系統(tǒng)的改進措施。

動態(tài)跟蹤照明；紅外感應；LED燈；智能控制；綠色照明工程

1 設計原理

1.1 總體結構

本研究通過設置城郊道路照明系統(tǒng)的常規(guī)照明模式和動態(tài)跟蹤照明控制兩種模式，來實現(xiàn)城郊道路照明系統(tǒng)的智能控制。常規(guī)照明模式包括感光控制模式和長亮模式，實現(xiàn)交通流量較大情況下的照明控制；動態(tài)跟蹤照明控制模式，在有車輛行駛時保證其安全距離內(nèi)的路燈亮起，實現(xiàn)交通流量較小時的動態(tài)控制，達到城郊照明系統(tǒng)節(jié)能控制目的。

工作系統(tǒng)架構主要分為兩部分：常規(guī)控制系統(tǒng)和動態(tài)跟蹤系統(tǒng)。在常規(guī)工作系統(tǒng)中由時間監(jiān)測裝置和感光控制系統(tǒng)對路燈進行控制，動態(tài)跟蹤系統(tǒng)中由信息識別、信息儲存和信息交互組成，根據(jù)道路上交通參與者檢測識別和時間設置來決定是否實行“動態(tài)跟蹤照明”。系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 總體結構圖

1.2 系統(tǒng)流程

整個系統(tǒng)由時間監(jiān)測裝置、光照強度感應裝置和紅外感應裝置控制，將路燈運行時間劃分為不同時段段，在交通參與者較多時保持長亮，在午夜交通參與者較少的情況下實行“動態(tài)跟蹤照明”。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

1.3 動態(tài)跟蹤原理

利用紅外感應裝置檢測道路上的行人或者機動車輛，當檢測到行人或者機動車輛時，熱紅外裝置輸出低電平信號，傳輸?shù)降较挛粰C。上位機分別讀取下位機的數(shù)據(jù)，分析處理后對下位機下達命令，下位機以此控制LED燈驅動模塊，進而控制LED燈動態(tài)啟動，實現(xiàn)路面情況實時刷新，使路燈按照設計好的方案執(zhí)行，動態(tài)跟蹤過程如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

圖3 “跟蹤照明”運行示意圖

1.4 紅外感應原理

由光的波段特點可知，紅外線單一光子能量小于太陽光的單一光子能量，所以對人體無害。其輻射半徑為8 m，輻射角度為120°，采用兩個模塊組合的方法使輻射角度達到180°。燈柱間距30 m，三個組合的模塊可以實現(xiàn)完全覆蓋。若城郊道路設置了非機動車道或人行道，則可以用三個紅外感應裝置組合，使覆蓋角度達到120°×3=360°實現(xiàn)無死角覆蓋，如圖4。

圖4 紅外感應組合裝置示意圖

1.5 照明距離的確定

當車輛行駛時，駕駛員應能夠及時發(fā)現(xiàn)前方障礙物，或迎面開來的車輛，有足夠的時間或者距離采取措施，防止車輛與障礙物或車輛與車輛相撞。以此，智能路燈系統(tǒng)的照明距離應滿足停車視距。

查《城市道路路線設計規(guī)范》得，停車視距由反應距離、制動距離及安全距離組成，按式(1)計算

(1)

式中：V為設計速度，km/h；t為反應時間，取1.2 s；βs為安全系數(shù)，取1.2；μs為路面摩擦系數(shù)，取0.4；Sa為安全距離，取5 m；φ為縱坡度(%)，上坡為“+”，下坡為“-”。

表1 不同設計車速對應的停車視距

表1所給出的停車視距為白天的停車視距。本研究主要針對城郊道路夜間路燈運行模式進行優(yōu)化改進，在夜晚駕駛員視認能力下降，導致反應時間延長同時考慮司機不遵守交通規(guī)則等特殊情況，計算夜晚停車視距時取反應時間為3 s，車速取60 km/h，坡度取0.2%。則夜晚情況下城郊道路停車視距可化為

(2)

該數(shù)值取整為50.1+28.35+5=83.45 m，采用值為90 m。路燈間距為30 m，為保證行車安全，則前方應亮燈4盞。

1.6 經(jīng)濟性分析

目前國內(nèi)路燈照明光源一般采用高壓鈉燈、高壓汞燈和金屬鹵化物燈。一般功率為150 W、250 W、400 W，目前最常用的是250 W和400 W兩種。

表2 LED路燈常用瓦數(shù)及燈桿高度對比表

通過對平頂山市平安大道夜間車流量進行調查，調查顯示夜間車流量比較低，所以本研究具有非常大的現(xiàn)實意義。調查結果如表3所示。

表3 平安大道車流量調查表

(1)傳統(tǒng)高壓鈉燈耗電計算

以功率250 W計算，一年一個路燈的電量W年=0.25 kW·h·13 h·365 d=1 186.25 kW·h。

(2) LED路燈耗電計算

由調查可知LED路燈以功率80 W計算。汽車速度取20 km/h，則23∶00～5∶00LED工作時間累計2 h，則每晚工作時間為7+2=9 h，則一年一個LED路燈的電量由公式(2)：得：W年=0.08 kW·h·9 h·365 d=262.8 kW·h

(3)紅外感應裝置耗電計算

紅外感應裝置為微功耗元件，其靜態(tài)電流為0.065 A，電壓為5 V，由公式

P=UI

(3)

得：W=P·3 600 s=1 170 J=0.000 325 kW·h

W年=6*0.000 325 kW·h·6 h·365 d=4.27 kW·h

綜上所述求得，實行智能動態(tài)照明后1 000 m內(nèi)路燈一年可節(jié)省電量為

W年=(1 186.25-262.8-4.27)×66=60 665.9 kW·h

2 關鍵技術

2.1 系統(tǒng)的整體結構及運行方式

系統(tǒng)用到了PC機、485通訊技術、人體熱紅外感應傳感器、光強檢測傳感器等，上位機通過RS485總線通訊方式實現(xiàn)對每個路燈的實時通訊以及智能控制。若PC機出現(xiàn)故障，則采用應急措施使所有路燈亮起。

2.2 上位機RS232與RS485轉換電路

RS232-485轉換器主要包括了電源、232電平轉換、485電路三部分。通過控制 MAX485 實現(xiàn)發(fā)送和接收狀態(tài)的切換，平時 MAX485處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，當 PC 機發(fā)送數(shù)據(jù)時，MAX232 的 9 號引腳輸出低電平，經(jīng) Q1 倒相后，使 MAX485 的/RE 和 DE 為高電平而處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。

2.3 主從式多機通訊的布線及規(guī)則

上位機采用PC機，下位機采用單片機，每一個單片機都有屬于自己的地址，為了便于布線，在道路的左側與右側分別采用485總線布線方式，這樣就避免了控制線路與道路有交叉。上位機與下位機的通訊遵從主從式多機通信協(xié)議約定。

2.4 大功率 LED 燈具的驅動方法

按驅動器輸出的電壓電流特性分，當前驅動大功率LED 燈具的方法主要有恒壓驅動法、恒流驅動法和恒壓恒流驅動法三種方法。

2.5 路燈的自動調光設計

設計采用光強檢測傳感器，光強檢測傳感器檢測天空的亮度，將檢測結果通過單片機送給PC機，PC機給各下位機發(fā)出命令，下位機執(zhí)行命令，通過PWM脈寬調制方式，改變LED路燈的亮度。天亮則LED路燈較暗，天暗則LED路燈明亮。

3 小 結

本研究在低碳節(jié)能和智慧城市的大背景下，立足于“綠色照明工程”戰(zhàn)略，根據(jù)城郊道路夜間交通流量分時段變化特征，改進現(xiàn)有燈光照明系統(tǒng)控制模式的不足，基于紅外感應原理，利用485通訊技術，提出了城郊道路照明系統(tǒng)的智能控制模式，具有現(xiàn)實研究意義。

[1] 徐新光.淺談綠色照明工程的發(fā)展與應用狀況[J].科技信息，2009，(17)：344-345.

[2] 劉承東.LED路燈在道路照明中的應用[J].中國照明電器，2009，(3)：30-34.

[3] 魯進；郭利進. 基于ZigBee的LED路燈照明系統(tǒng)設計與研究[J]. 微型機與應用，2013，32(32)：78-80.

2017-02-14

魏艷楠(1989-)，女，河南洛陽人，助教，研究方向：交通運輸工程。

U491

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：1008-3383(2017)07-0187-02