房蘊力 譚菊琴 王雪潔

（南京理工大學紫金學院，江蘇 南京 210023）

城市道路照明是城市公共設施的重要組成部分，隨著城鎮(zhèn)化建設推進，道路照明的用電量呈逐年上升的趨勢。大多道路路燈采用“全夜恒亮度”的照明方式，即使深夜道路上車流量少，路燈仍然保持高亮度照明，存在浪費資源的問題，也會對周圍的環(huán)境造成不良影響。另外，路燈維護費高，主要由工作人員對路燈進行巡查，而且其巡查范圍大，存在故障發(fā)現(xiàn)不及時、巡查覆蓋不全的問題。

目前，關于路燈的節(jié)能研究多數(shù)集中于自然能源供電。例如彭蒙等[1-2]設計了一種光雨互補節(jié)能路燈，利用光伏電池和雨水發(fā)電產生的電能給路燈提供能源；黃勝柱[3]研究了一種風光互補節(jié)能路燈控制系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)國家“碳達峰”、“碳中和”戰(zhàn)略目標，就必須提高路燈智能化管理能力和精細化控制水平。因此，設計一種節(jié)能、低成本的多功能節(jié)能路燈智能控制系統(tǒng)顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)方案設計

1.1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示，該部分由網絡通信報警電路、路燈環(huán)境監(jiān)測控制電路2 個部分組成。網絡通信報警電路由預警控制電路、故障報警電路、網絡通信電路和ZigBee 無線通信電路等電路組成，完成路燈的故障報警任務并通過短信將故障路燈的故障信息和地理信息發(fā)送給維修人員。路燈環(huán)境監(jiān)測控制電路由路燈控制電路、光強監(jiān)測電路、路燈定位電路、故障監(jiān)測電路、燈光亮度調節(jié)電路、車輛/行人監(jiān)測電路以及ZigBee 無線通信電路組成，完成光照度檢測、路燈故障監(jiān)測、車輛/行人監(jiān)測、燈光亮度調節(jié)以及路燈定位任務，并將路燈故障信息以及故障路燈的地理位置發(fā)送給網絡通信報警電路。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.2 區(qū)域路段系統(tǒng)布置

以城市快速路為例，根據(jù)《城市道路工程設計規(guī)范》（GJJ 37—2012）可知，城市快速路車速為60 km/h～100 km/h，為了保障行車安全，從駕駛員發(fā)現(xiàn)前方障礙物起至到達障礙物前安全停止所需的最短距離稱為停車視距，根據(jù)《城市道路路線設計規(guī)范》（CJJ 193—2012）可知，以設計速度100 km/h 為例，停車視距為160 m，貨車停車視距為180 m。

根據(jù)《城市道路照明設計標準》，等間距30 m～50 m 布設1 盞路燈。選用2.4G 頻段、無外接天線的ZigBee 作為數(shù)據(jù)傳輸方式，當室外空曠無遮擋時最大傳輸距離為250 m，取路燈最大間距50 m 進行計算，為了確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，選擇數(shù)據(jù)傳輸距離為200 m 進行控制。

由此可見，根據(jù)停車視距、路燈間隔以及ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，確定每次調節(jié)4 盞路燈的亮度。那么以帶有網絡通信報警電路的路燈為中心，使其控制前后各4 盞路燈，共9 盞路燈。每盞路燈都安裝了路燈控制電路、光強監(jiān)測電路、路燈定位電路、故障監(jiān)測電路、燈光亮度調節(jié)電路、車輛/行人監(jiān)測電路以及ZigBee無線通信電路。其中，車輛/行人監(jiān)測電路安裝在每個燈桿距地面1 m 處，路燈故障監(jiān)測電路安裝在路燈蓋的避路燈燈光照射處。每組路燈只有中間路燈安裝了預警控制電路、故障報警電路、網絡通信電路和ZigBee 無線通信電路。

2 多功能節(jié)能路燈控制電路設計

路燈環(huán)境監(jiān)測控制電路、網絡通信報警電路均選用STC12C5A60S2 作為主控芯片對各自電路進行控制。圖2（a）的路燈控制電路為路燈環(huán)境監(jiān)測控制電路的主控電路，P1.2引腳接路燈控制電路的ZigBee 無線通信電路的ZB_TXD。P1.3引腳接路燈控制電路的ZigBee 電路的ZB_RXD，負責收發(fā)數(shù)據(jù)。P1.4引腳與LED相連，當P1.4腳為低電平時，路燈處于關閉狀態(tài)；當P1.4腳為高電平時，路燈處于開啟狀態(tài)，此時產生PWM 波控制路燈的亮暗程度。P3.0引腳與路燈定位電路的GPS_TXD 相連，通過串口方式接收路燈定位電路發(fā)送的經緯度、時間等信息。P0.4引腳接光強監(jiān)測電路的輸出端GM_OUT，如果檢測到GM_OUT 口為高電平，就說明光強低，需要打開路燈；如果檢測到GM_OUT 口為低電平，就說明光強高，不需要打開路燈。P0.5引腳接故障檢測電路輸出端EJG_OUT，在無光情況下，故障檢測電路無輸出，說明路燈出現(xiàn)故障，需要進行檢修。P2.2引腳接車輛/ 行人監(jiān)測電路的ECHO 信號接收端。P2.3引腳接車輛/行人監(jiān)測電路的TRIG 信號發(fā)送端，P2.3會提供1 個大于或等于10 μs的脈沖觸發(fā)信號，超聲波模塊會發(fā)出8個40 kHz 周期電平并自動檢測回波，一旦檢測到有回波信號，就通過I/O 口向路燈控制電路P2.2輸出一個持續(xù)的高電平作為回波信號，說明此時有車輛或行人經過。預警控制電路為網絡通信和報警電路的主控電路（如圖2（b）所示），P1.2和P1.3引腳接故障報警電路、網絡通信電路，P3.1引腳接ZigBee 電路的ZB_RXD2，負責接收路燈發(fā)送的數(shù)據(jù)。網絡通信電路將接收到的故障路燈信息發(fā)送到MQTT 服務器云端，發(fā)送完畢后采用MQTT 機制KeepAlive 保持連接，等待下一次消息發(fā)布。

圖2 多功能節(jié)能路燈控制電路

3 軟件設計

系統(tǒng)上電初始化后，光照度低于300 lx，那么開啟路燈節(jié)能狀態(tài)，啟動車輛/行人監(jiān)測電路，如果檢測到道路上有車輛或行人經過，就通過ZigBee 電路發(fā)送標志0x40H，同時路燈恢復正常照明狀態(tài)，車輛前進方向對應的路燈接收到標志位的同時恢復正常照明狀態(tài)，當車輛/行人監(jiān)測電路10 s內檢測不到車輛或行人經過時，路燈重新恢復節(jié)能狀態(tài)；當路燈發(fā)生故障時，啟動路燈定位電路并通過ZigBee 將路燈故障信息發(fā)送給網絡通信和報警電路。網絡通信和報警電路接收到路燈故障信息后，預警控制電路會通過ZigBee 對接收到的故障路燈編號、故障時間以及經緯度等信息進行內部數(shù)據(jù)處理，通過故障報警電路將故障信息短信發(fā)送給路燈維修人員，同時啟動網絡通信電路連接到MQTT 服務器后發(fā)布故障路燈信息的話題，以便路燈維修人員通過路燈管理系統(tǒng)獲取故障路燈信息并處理故障。程序流程如圖3 所示。

圖3 程序流程圖

4 路燈管理系統(tǒng)設計

為了便于路燈管理者和維修人員隨時了解路燈的運行狀態(tài)，該文對路燈管理系統(tǒng)進行研究。要求其具有以下維修管理功能：1） 可以實時顯示維修信息。2） 可以精準定位路燈區(qū)域信息。3） 及時反映故障路燈維修要求、設備編號以及地理位置。該文利用高德地圖查看路燈的實時數(shù)據(jù)，即每盞路燈的運行狀態(tài)。服務端系統(tǒng)根據(jù)配置的數(shù)據(jù)接口推送服務，將路燈地理位置實時更新至數(shù)據(jù)庫并反饋給客戶端系統(tǒng)，客戶端系統(tǒng)調用高德地圖開發(fā)平臺進行逆地址解析，可以將坐標到坐標所在的位置進行文字描述轉換，確保經緯度的準確性。當維修人員進入App、客戶端系統(tǒng)連接上MQTT服務器時，客戶端系統(tǒng)可以顯示故障路燈信息，維修人員可以根據(jù)故障路燈短信提示對路燈編號進行檢索，如果檢索路燈正常，就會有彈窗消息提示無故障路燈信息；如果檢索路燈故障，就會有彈窗消息提示該處路燈故障，同時客戶端系統(tǒng)會自動顯示故障時間、路燈經緯度等信息，此時單擊搜索按鈕，客戶端系統(tǒng)會生成定位藍點顯示故障路燈地理位置，單擊路燈定位藍點可以查看參數(shù)信息，形成地圖信息區(qū)域化，有效提高路燈管理效率，為路燈管理者和維修人員提供了更便捷、更精準的管理方式。

5 系統(tǒng)性能測試

5.1 路燈自動開啟和關閉性能測試

由圖4（a）可知，在白天，即使道路上有車輛，路燈也不會開啟，此時路燈無亮光發(fā)出。由圖4（b）可知，在夜晚，此時道路上無車輛和行人，路燈發(fā)出比較暗的光，處于節(jié)能狀態(tài)。

圖4 路燈自動開啟和關閉測試圖

5.2 路燈亮度自適應控制性能測試

當光照度低且道路上有車輛或行人時，路燈控制電路將自動調節(jié)自身路燈亮度，同時ZigBee 無線通信電路會給車輛前進方向的路燈發(fā)送數(shù)據(jù)，使安全視距內的路燈恢復正常照明狀態(tài)，提高光照強度和夜晚能見度，保障車輛、行人安全，如圖5（a）所示；在車輛行駛過路燈處后，如果10 s 內路燈檢測不到車輛或行人經過，路燈就自動恢復節(jié)能狀態(tài)，如圖5（b）所示。

圖5 路燈亮度自動控制測試圖

5.3 路燈故障自檢功能進行性能測試

當路燈不亮時（如圖6（a）所示），就會立即給相關維修人員發(fā)送故障路燈信息并上傳至手機App 端。由圖6（b）中可知，此時手機短信提示故障路燈編號，維修人員可以通過路燈管理系統(tǒng)App 快速定位自身位置并檢索對應故障路燈。維修人員按下搜索按鈕，地圖上會自動標記故障路燈地理位置，單擊標記藍點就可以查看相關參數(shù)信息。由圖6（c）可知，此時故障路燈地理位置信息為北緯32.108 33°、東經118.938 36°，故障發(fā)生的時間是北京時間19 時32 分43 秒。

圖6 路燈故障自檢測試圖

試驗結果表明，硬件電路運行良好，可以實現(xiàn)路燈自動開啟/熄滅、路燈亮度自適應控制和路燈故障自檢功能。

6 結語

為了實現(xiàn)國家“碳達峰”、“碳中和”戰(zhàn)略目標，提高路燈智能化管理能力和精細化控制水平，該文設計了一種節(jié)能、低成本的多功能節(jié)能路燈智能控制系統(tǒng)。試驗結果表明，該設計硬件電路運行良好，可以實現(xiàn)多功能節(jié)能路燈智能控制系統(tǒng)的路燈自動開啟/熄滅、路燈亮度自適應控制以及路燈故障自檢功能。該系統(tǒng)可以應用于夜晚車流、人流不高的道路，具有廣闊的應用前景，對提高城市路燈管理水平具有重要的意義。