張雨 陳大志 吳杭頤 陳志剛

摘要：針對(duì)夜晚人流量較少的地區(qū)，路燈通宵長(zhǎng)亮造成能源浪費(fèi)的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種路燈節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由路況檢測(cè)模塊、中央處理模塊、無線通信模塊等部分構(gòu)成，遵循“車來前方燈變亮，車走后方燈變暗”的控制模式，利用組網(wǎng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)路燈的互相通信，各自以最合適的亮度工作，以提高路燈的利用效率。經(jīng)過路燈節(jié)能模型分析，該系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。

基金：2019年度國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：201910459041

關(guān)鍵詞：路燈，節(jié)能控制，單片機(jī)

0前言

近年來，國(guó)家大力發(fā)展節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)，建設(shè)低能耗環(huán)保經(jīng)濟(jì)。路燈作為一項(xiàng)重要公共設(shè)施，占據(jù)的能源與經(jīng)濟(jì)支出不可忽視。目前大多數(shù)城市仍使用傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)，通宵高亮度照明，造成了不必要的電能浪費(fèi)。因此，本文將針對(duì)夜晚人流量較為稀少的地區(qū)，如鄉(xiāng)鎮(zhèn)、郊區(qū)、工業(yè)園區(qū)等地，設(shè)計(jì)一種智能的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，以提高能源利用率。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

路燈控制系統(tǒng)由路況檢測(cè)模塊、單片機(jī)、燈光亮度調(diào)節(jié)模塊和無線通信模塊等組成，控制方案如圖1所示。通過無線通信模塊，可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)到控制端。路況檢測(cè)模塊檢測(cè)物體和物體的移動(dòng)速度，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚砥鳎▎纹瑱C(jī)）。中央處理器對(duì)信號(hào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再根據(jù)程序控制燈光亮度調(diào)節(jié)模塊，自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈的亮度。

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1硬件電路示意圖

電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，控制芯片采用STC51系列單片機(jī)，通信模塊選用NRF24L01 2.4G單片收發(fā)芯片，與路況檢測(cè)模塊、電源電路以及路燈連接組成。

2.2路況檢測(cè)模塊

路況檢測(cè)模塊用于檢測(cè)道路上是否有車輛行人通過，其檢測(cè)距離較遠(yuǎn)，對(duì)檢測(cè)時(shí)間的要求較高，同時(shí)為了降低成本，故選用激光測(cè)距模塊，并采用脈沖法測(cè)量。由激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)持續(xù)時(shí)間極短的脈沖激光，經(jīng)過待測(cè)距離之后，被目標(biāo)物體反射，回波信號(hào)被激光接收系統(tǒng)中的光電探測(cè)器接收，時(shí)間間隔電路通過計(jì)算激光發(fā)射和回波信號(hào)到達(dá)之間的時(shí)間，得出目標(biāo)物體與發(fā)射出的距離（為光速）。

2.3燈光控制模式

本設(shè)計(jì)采用直流PWM調(diào)壓模塊實(shí)現(xiàn)燈光的亮度調(diào)節(jié)。輸入為220V直流電壓，通過單片機(jī)輸出不同占空比的PWM信號(hào)以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，得到5V-60V的直流輸出電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燈光的亮度調(diào)節(jié)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過路況檢測(cè)模塊的響應(yīng)，可以配合無線通信模塊，根據(jù)一定的程序?qū)崿F(xiàn)路燈之間的聯(lián)動(dòng)，以及路燈亮度的調(diào)節(jié)。根據(jù)每?jī)杀K路燈檢測(cè)到車輛（行人）的時(shí)間差，可以得到車輛（行人）的移動(dòng)速度，進(jìn)而調(diào)整前方一定范圍內(nèi)的路燈亮度，車輛（行人）經(jīng)過后，路燈恢復(fù)最低亮度初始值。

3.1移動(dòng)目標(biāo)速度檢測(cè)算法

具體實(shí)現(xiàn)方法如下：設(shè)定每?jī)杀K路燈之間的距離為L(zhǎng)i，以路燈為節(jié)點(diǎn)，當(dāng)收到上一節(jié)點(diǎn)發(fā)送的移動(dòng)信息時(shí)，本節(jié)點(diǎn)清零當(dāng)前模塊的移動(dòng)目標(biāo)累積計(jì)時(shí)時(shí)間，Tb=0;并開始計(jì)時(shí)。當(dāng)本節(jié)點(diǎn)路況檢測(cè)模塊檢測(cè)到移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，記錄Tb=t;設(shè)定計(jì)時(shí)最小門限Tmin和最大門限Tmax，根據(jù)以下檢測(cè)規(guī)則計(jì)算移動(dòng)目標(biāo)的移動(dòng)速度：TbTmax時(shí)，移動(dòng)目標(biāo)速度為V=0，從而避開干擾信號(hào)。否則，V=Li/Tb。

3.2燈光亮度調(diào)整增量算法

當(dāng)前節(jié)點(diǎn)路燈與上一節(jié)點(diǎn)路燈之間的距離為L(zhǎng)i，獲得移動(dòng)目標(biāo)從上一節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差Ti，Ti=Li/Vi，對(duì)Ti進(jìn)行判定，設(shè)定路燈全亮亮度為L(zhǎng)ux_max，最小值Lux_min，單位時(shí)間亮度增量為L(zhǎng)ux_zl，當(dāng)前亮度為L(zhǎng)ux_now。Ti≤Tmin時(shí)，路燈進(jìn)入全亮狀態(tài)，Lux_now=Lux_max，Ti>Tmax時(shí)，路燈進(jìn)入設(shè)定的最低亮度狀態(tài)Lux_now=Lux_min，否則，按照路燈照度的比例，獲得單位時(shí)間路燈的亮度增量值Lux_zl=（Lux_max- Lux_now）/Ti。

3.3燈光亮度調(diào)整減量算法

根據(jù)移動(dòng)目標(biāo)的速度，查詢臨近節(jié)點(diǎn)的距離L，計(jì)算移動(dòng)目標(biāo)到達(dá)下一節(jié)點(diǎn)的時(shí)間Tp=2*L/（3*V）;以Lux_zl=（Lux_max- Lux_min）/Tp的遞減光照度進(jìn)行路燈的逐漸減滅，也可以采用非線性增量進(jìn)行減滅操作，直至恢復(fù)路燈亮度初始值。

4節(jié)能效果評(píng)估

通過建立路燈節(jié)能控制系統(tǒng)能耗模型，可以估算出本文所述路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的效能及效益。首先假設(shè)在1KM長(zhǎng)的試驗(yàn)道路上安裝本文所述控制系統(tǒng)的路燈，道路兩邊分別以50m間隔一個(gè)路燈，共計(jì)42盞路燈。

設(shè)定一個(gè)節(jié)能率指標(biāo)以評(píng)價(jià)節(jié)能率，對(duì)節(jié)能率指標(biāo)作以下定義：

5結(jié)論

本文通過對(duì)系統(tǒng)的控制方案設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)討論了一種節(jié)能路燈控制系統(tǒng)的模型，以提高路燈利用效率。本文設(shè)計(jì)的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)硬件電路可靠性高，成本較低;軟件算法效率高，可移植性強(qiáng)。經(jīng)過節(jié)能模型計(jì)算，該系統(tǒng)節(jié)能效率高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

參考文獻(xiàn)

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