王犖犖，楊 輝，張 旭

珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519000

0 引言

目前中國的路燈大部分都是采用簡單高壓鈉光源或者LED燈，LED路燈大部分都是采用5 500 K左右的發(fā)光源，這種類型的光源發(fā)光效率更高也更節(jié)能，但5 500 K的發(fā)光源燈光色溫會給人陰冷的視覺效果，炫目感強(qiáng)，容易產(chǎn)生視覺疲勞，降低駕駛員在道路上行駛的安全性[1]。在雨霧的天氣下，這種照明對于燈光的通風(fēng)和穿透性能相對較差，嚴(yán)重地影響了人們的生活和出行安全。傳統(tǒng)高壓鈉燈的色溫在2 800 K左右，不會產(chǎn)生眩暈，在雨霧環(huán)境中的燈光穿透能力更強(qiáng)，但耗能嚴(yán)重。如何結(jié)合兩種路燈的優(yōu)點(diǎn)，做到既節(jié)能又不會使人產(chǎn)生眩暈，還能在雨霧環(huán)境中有較強(qiáng)的穿透能力，對國家建設(shè)、交通安全、提高能源利用率有著重要意義。

1 路燈控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新能源智能路燈系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和路燈單燈系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成。控制系統(tǒng)主要包括集中式控制器、單燈型控制器和監(jiān)測中心。路燈單燈系統(tǒng)包括太陽能電池板、三色溫?zé)絷嚵?、單燈控制器、超級電容器等?？刂葡到y(tǒng)通過4G/PLC（電力線載波）的形式對任意一盞路燈實(shí)現(xiàn)智慧管理，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

太陽能發(fā)光電池板白天發(fā)光可以直接吸收大量太陽能的光能，因此可以利用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法進(jìn)行跟蹤，并將太陽能放在電池板的最高最大功率發(fā)電點(diǎn)后，再結(jié)合DC-DC降壓電路，給超級法拉電容器充電。Arduino微控制器通過AD轉(zhuǎn)換檢測和讀取電容器端電壓及外界PM2.5、溫度、濕度等數(shù)據(jù)，從而調(diào)控Arduino產(chǎn)生的脈寬調(diào)制（PWM）波占空比。自動調(diào)光、自動按需調(diào)色溫的功能，可通過調(diào)控后的PWM波傳至調(diào)光電路實(shí)現(xiàn)。微控制器以電力線載波技術(shù)為基礎(chǔ)，通過電力線傳輸微控制器所檢測到的電壓及天氣相關(guān)數(shù)據(jù)來實(shí)時監(jiān)控和控制系統(tǒng)。在陽光不充足的情況下，超級電容器電力不足，此時供電方式被微控制器切換為市區(qū)供電，從而保障整個區(qū)域內(nèi)智慧路燈系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2 模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所采用的控制器模塊均為技術(shù)成熟的模塊，有著大量的開發(fā)資源，降低了研發(fā)的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。另外，所采用的傳感器模塊均為市場批量生產(chǎn)，采購條件較低。

（1）數(shù)據(jù)傳感器模塊。PM2.5數(shù)據(jù)采集工作是采用日本夏普公司開發(fā)的GP2Y1010AU0F傳感器來實(shí)現(xiàn)的，該傳感器可以測量空氣中的PM2.5指數(shù)。因?yàn)榛覊m的密度相對較低，導(dǎo)致采集結(jié)果具有間斷性，所以需要加上濾波算法。為此，可以采用均值濾波、限幅濾波等濾波算法實(shí)現(xiàn)濾波[2]。通常以5 500 K的燈光色溫工作，在霧、霾、沙塵等惡劣氣候條件下，系統(tǒng)將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行梯度分配。處理器將燈光精準(zhǔn)分配調(diào)整到相應(yīng)的色溫值，使路燈發(fā)出的燈光穿透性增強(qiáng)，道路可見度提高，從而保證駕駛員夜間行車的安全。

（2）溫濕度傳感器。溫濕度采集的方式和儀器設(shè)備較多，考慮到成本、體積、便捷程度等因素，采用SiliconLabs公司生產(chǎn)的溫濕度傳感器模塊，型號為SI7021。在暴風(fēng)雪、冰凍等不良的氣候環(huán)境下，通過采集溫度、濕度、雨水等的相關(guān)數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)對所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行梯度分配，再由處理器精準(zhǔn)地通過燈光分配來調(diào)整相應(yīng)色溫值，使得發(fā)出的燈光更適合人體視覺感官[3]，這利于降低路人的視覺疲勞感，提升人的遠(yuǎn)處觀察能力。

（3）系統(tǒng)微控制器。該系統(tǒng)的微控制器采用Arduino微處理器，具有功耗低、性能強(qiáng)、兼容性強(qiáng)、價格低廉等特點(diǎn)。微控制器作為系統(tǒng)的CPU，主要將其他模塊所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并與程序植入的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從而觸發(fā)特定的模式[4]。

2 路燈智慧調(diào)光設(shè)計(jì)

調(diào)光系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案采用一個PWM自動調(diào)光開關(guān)驅(qū)動控制電源，并在驅(qū)動電源后端的驅(qū)動電路中分別增設(shè)一個色溫控制調(diào)節(jié)驅(qū)動電路，該種色溫控制調(diào)節(jié)驅(qū)動電路主要是利用一個PWM調(diào)光開關(guān)通過調(diào)光的兩種方式自動調(diào)節(jié)燈光冷白LED系統(tǒng)陣列和燈光暖白LED系列陣列的燈光導(dǎo)通值和時間值，使其成正比，實(shí)現(xiàn)對色溫的自動調(diào)節(jié)。自動調(diào)光、調(diào)色溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)色溫調(diào)節(jié)，將導(dǎo)通壓降比較接近的一路冷白LED陣列和一路暖白LED陣列并聯(lián)接于電源輸出端，采用功率開關(guān)管Mos1和Mos2分別控制冷白LED陣列和暖白LED陣列的通斷。PWM2信號連接Mos1的柵極，實(shí)現(xiàn)對冷白LED陣列導(dǎo)通時間的控制，PWM2經(jīng)反相器后得到反相的信號PWM3連接Mos2柵極，控制暖白LED陣列的導(dǎo)通時間。PWM2為高電平時，PWM3為低電平，故冷白LED陣列導(dǎo)通，暖白LED陣列斷開，反之亦然。調(diào)節(jié)PWM2的占空比來調(diào)節(jié)單位時間內(nèi)冷白LED陣列和暖白LED陣列的導(dǎo)通時間比例，實(shí)現(xiàn)燈光色溫按需精準(zhǔn)變化的效果。

使用E3F-20C1對射激光傳感器來模擬車流量。將對射激光傳感器的引腳直接插入面板，在Arduino中分別設(shè)置好了對射激光傳感器的模塊功能，通過對射激光傳感器的記錄，規(guī)定當(dāng)每分鐘通過次數(shù)大于10次時，PWM3為低電平，PWM2為高電平，暖白LED陣列的光導(dǎo)通；當(dāng)其中一個每分鐘通過次數(shù)小于10次時，PWM2為低電平，PWM3為高電平，冷白LED陣列的光導(dǎo)通。對射激光傳感器的記錄每分鐘刷新一次。該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于路燈在車流量少的情況下開啟白色LED燈節(jié)能，車流量多的情況下開啟黃色LED燈，從而緩解駕駛員的視覺疲勞。

3 新能源超級電容設(shè)計(jì)

在一些太陽能發(fā)電路燈系統(tǒng)中，蓄電池的直流充放電溫度控制策略將可能直接影響其使用安全性。對于鉛酸蓄電池而言，常見的充電方式有恒壓充電、三階段充電、恒流充電、兩階段充電和恒壓限流充電。要想提升電池的壽命，必須選擇合適的充電方法，同時對于充電效率也會有較大的提高。超級電容器是一種新型儲能元件，在脈沖電源方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，文章設(shè)計(jì)將超級電容與MPPT最大功率算法相結(jié)合，一方面用MPPT算法保證太陽能板輸出功率始終保持最佳光照角度，另一方面通過超級電容提升充電利用率，最終實(shí)現(xiàn)高效率和高壽命的超級電容充電模組結(jié)構(gòu)。

超級電容充電結(jié)構(gòu)如圖3所示，使用STM32微控制器對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行充電控制，DC-DC回路輸入端接入太陽能光伏電池板，輸出端接超級電容器組儲能裝置，通過DC-DC電路的各個端口可以采集和計(jì)算出所需要的電壓和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行MPPT，實(shí)現(xiàn)太陽能電池板在變化的外界環(huán)境下（如光度和溫度）尋找最大功率點(diǎn)。

圖3 超級電容充電結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

文章針對傳統(tǒng)路燈不可調(diào)光的問題設(shè)計(jì)了一種可以基于車流量和環(huán)境因素進(jìn)行自動調(diào)光的智慧路燈，很好地解決了單色光對照明的影響，提升了路燈的安全性。同時，該路燈采用新能源路燈作為本體，通過超級電容設(shè)計(jì)在減少能源消耗的同時，提升了路燈的使用壽命，使其符合節(jié)約能源的需求。智慧路燈還可以通過5G等網(wǎng)絡(luò)接入物聯(lián)網(wǎng)，發(fā)展前景廣闊。