基于模糊控制的LED路灯控制系统的理论研究

李莲李立

(天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津理工大学自动化学院，天津 300384)

1 引言

当前，国内外路灯控制方式主要采用光控和时控相结合的方法，也有部分城市为了达到节能的目的，在后半夜道路行驶车辆较少时关闭部分路灯——即所谓的“半夜灯”。这种控制方法虽然达到了节约电能的目的，但是由于路面照度不均，反而带来了更多的安全隐患［1］。为了避免交通事故的发生，大多城市仍采用了“全夜灯恒照度”的路灯控制方式，这无疑造成了很大的浪费。本文主要针对后半夜道路行驶车辆少的情况，利用道路现有的雷达测速仪与照度传感器相结合，运用模糊控制算法设计了一个智能路灯节能控制系统，使得车辆行驶方向前方的部分路灯保持在一个较高的亮度，而车辆行驶过后路灯恢复到一个较低的亮度，从而达到节能的目的。

2 节能系统总体设计

系统采用模糊控制算法，根据实际的照明需求，对路灯电压及照度情况进行动态的智能化管理。系统的基本控制流程图如图1所示。当后半夜城市道路行驶车辆较少时，使车辆行驶前方的部分路灯处于较高的亮度，随着车辆的不断前进，前方的路灯一盏一盏的变亮，而后方的路灯随之变暗［2］。

系统的通信方式主要采用GPRS与ZigBee技术相结合的无线通信技术，达到对路灯单灯控制的目的。路灯控制方面硬件主要包括照度传感器，雷达测速仪，智能控制器，ZigBee终端设备，GPRS模块等。

如图1所示，照度传感器用来感应外界的光照，当外界环境的亮度低于某一特定值时，则自动开启路灯，经过一定的延时后，智能控制器通过可变电抗器调节路灯到一个较低的亮度;雷达测速仪主要用于后半夜，道路行驶车辆较少时来测量车速，经模糊化处理得到调节路灯亮度的延时;可变电抗器接收智能控制器的命令进行调压，从而改变路灯端电压，实现路灯的亮度调节功能;GPRS模块负责控制中心与路灯ZigBee终端设备的通信。

图1 系统的硬件框图

3 无线通信模块

本系统的无线通信主要采用GPRS与ZigBee相结合的通信方式，上层网络通过GPRS模块与上位机进行通信，下层通信主要是由ZigBee终端模块完成的。下层网络采用的ZigBee网络支持星型网、树状网和网状网三种拓扑。网状网是一种可靠性高的Ad hoc网络，网络中的所有结点都是平等的，任何结点的离开或者加入都不会影响整个系统的运行。因此，将每一条街道划分为一个子区域，子区域内的网络采用网状网，每个子区域设置一个ZigBee协调器，各个单灯结点通过协调器与GPRS网络连接 (图2)。

图2 系统网络结构图

本系统采用的ZigBee无线终端设备为CC2430无线通信模块，CC2430芯片内集成增强的8051微处理器内核和符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz射频收发器，具有优良的天线接收灵敏度和强大的抗干扰性能，处于休眠模式时功耗小，是首款符合ZigBee技术标准的系统单芯片。由于CC2430中带有一个8位的8051微控制器，所以在硬件设计中可以省去微控制器模块，降低控制系统的成本［3］［4］。

4 模糊控制器的设计

本设计将LED路灯工作情况分为三个等级:全功率、半功率和关闭。夜晚车辆多时，路灯处于全功率工作状态，进入后半夜车辆较少时，在半功率状态工作。模糊控制的实现过程为:当雷达测速仪检测到车辆的速度信号时，首先调整特定范围内的路灯亮度，速度信号经A/D转换后送入智能控制器进行模糊化处理后得到时间t，即特定范围外下一盏路灯变亮的延迟时间，同时也是车辆行驶过后，路灯逐渐变暗的时间。控制原理图如图3所示［5］。

图3 模糊控制系统原理图

模糊控制器的设计主要包括以下步骤:模糊化过程、模糊控制规则的建立、精确化计算。

(1)模糊化过程

模糊化过程就是把输入的数值，根据输入变量模糊子集的隶属度函数找出相应的隶属度值的过程。本模糊控制系统只有一个输入变量:车辆的速度值。将该速度值分为大 (PB)、较大 (PS)、中 (ZE)、较小 (NS)、小 (NB)代表了夜晚车速的全部情况。将输出变量延时时间t分为短、中、较长、长四级，输入输出变量的隶属度函数如图4所示［6］。

图4 输入输出变量的隶属度函数图

(2)模糊控制规则的建立

模糊系统是用一系列基于专家知识的语言来描述的，专家知识常用“IF THEN”规则的行驶，而这些规则很容易通过模糊逻辑条件语句来实现。以下面的规则来对模糊控制器的工作情况进行简单的说明:

规则1:如果速度为中，则延迟时间t为中

规则2:如果速度为正小，则延迟时间t为较快

(3)精确化计算

精确化计算就是把语言表达的模糊量回复到精确的数值，假定速度为48km/h计算，则

对应规则1，速度为中的隶属度是0.2，延迟时间t为中的隶属度为0.2;

对应规则2，速度为正小的隶属度是0.8，延迟时间t为较快的隶属度为0.8。

延迟时间t的模糊集如图5中阴影部分所示，为了达到这一模糊集的最佳等效精确值，套用精确化过程重心计算法的积分公式，可得:

图5 推理出的延迟时间隶属度

从而得到延迟时间的确切值3.54s。路灯间距为50米时，速度为48km/h的车辆行驶一个路灯间距所用的时间为3.75s，与智能控制器输出时间相差仅为0.21s，误差较小，可以满足车辆行驶前方特定范围内路灯保持较高亮度的要求。

模糊控制器得出的延迟时间信号，经由ZigBee终端设备在局域网内传递给下一盏路灯，从而实现根据车辆的行驶速度来控制路灯的工作情况，既保证了行车的安全性，又达到了节能的效果。

5 系统的软件设计

系统开关灯及节能控制的软件流程图如图6所示。

系统上电后，先对各个单元进行初始化，然后根据照度传感器的数值来进行判断是否要开关灯，当照度达到一定要求，系统自动打开路灯并开始计时;计时时间到，LED路灯进入半功率工作状态，之后当雷达测速仪检测到车辆的速度信号后，由模糊控制器处理后得到路灯的延迟信号，信号通过ZigBee无线网络传输给下一盏路灯以及距离车辆最近的路灯，从而控制路灯的工作状态。

图6 系统的软件流程图

6 结论

本节能控制系统采用了GPRS与ZigBee相结合的无线通讯技术，针对城市后半夜车辆的行驶情况运用模糊控制算法对路灯进行控制，真正做到了“在保证照明的情况下开着灯节电”，既达到了能源节约的目标，又满足了城市的照明需求，具有广阔的应用前景。

［1］曾一凡，吴春美，杨晓红等．基于模糊决策的路灯节电等级控制系统的设计 ［J］．节能，2006，9:36～41．

［2］安双利，钱锐，陆翔宇等．基于单片机智能控制的路灯节能系统的研制 ［J］．上海第二工业大学学报，2011年3月，28(3):49～53．

［3］郭佑民，刘娟，孟凡刚等．基于ZigBee的智能型LED路灯照明系统设计［J］．兰州交通大学学报，2010年8月，29(4):36～39．

［4］张伟，王宏刚，程培温．基于GPRS的智能路灯远程监控系统的研究［J］．计算机测量与控制，2010，18(9):2104～2106．

［5］韦巍．智能控制技术 ［M］．机械工业出版社，2003．

［6］林涛，马立君．基于模糊控制的路灯节能系统的设计［J］．电子科技，2008，220(1):6～8．