基于压力传感的LED路灯智能控制装置

彭首国　林奇　李诚　彭金栓

摘要：文章通过对城市夜间道路车流量的研究，发现城市路灯夜间长亮机制下能源浪费问题，遂提出设计基于压力传感的路灯智能控制装置。该装置原理是基于压力传感器探测夜间实时道路车流状况，以单片机为控制核心做信号处理，以路灯开关控制单元实现路灯组满、半载电路切换，最终实现路灯智能控制，达到低碳节能、提高路灯使用效率的目的。

关键词：压力传感；LED路灯；智能控制装置；STC90C516RD单片机；低碳节能 文献标识码：A

中图分类号：U491 文章编号：1009-2374（2016）26-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.013

道路夜间照明是驾驶员实现视觉可见以及安全驾驶的必要保障。根据数据显示，目前照明在全球约占了19%的用电量，如果全球采用的照明系统效率比现有提升一倍，就相当于减少了欧洲一半的用电量及排热量。城市路灯照明作为城市建设的一项重要内容，约占全国照明总耗电量的30%。针对路灯系统的能源节约采取的一般措施是将原有的白炽灯逐步更换为新型节约型的LED灯。这种做法虽然在一定程度上改善了路灯的照明效果，但在交通流稀少时段或交通流稀少的路段，道路照明保持长时间高亮度，由此造成能源在系统结构层面的浪费。

20世纪90年代，西方发达国家开始从事智能照明系统的研发，已经积累了丰富的建设经验和成功案例。比如新加坡、法国和瑞士已经采用计算机技术实现路灯的自动化监控，德国ABB公司基于I-BUS总线研发的路灯控制系统可以实现路灯的集中开关控制；日本的松下公司基于HBS的协议研发了智能灯具和相应的管控系统，实现了灯具的智能化远程控制。在集中控制的基础上，国外路灯控制策略更加关注场景及行为分析的功能。比如自适应的光照感知功能、根据日升日落时间的自动开关及调光功能、车流及人流分析功能等，而且针对繁华街路、偏僻街路及高速公路均有不同的监控策略，一方面使路灯的控制更加的人性化，另一方面也进一步节约了能源。除此之外，随着通信技术的不断发展，国外已经开始将GPRS、ZigBee等通讯技术融入到路灯控制中。

我国在路灯的智能控制方面虽然起步较晚，目前也正在不断的探索和发展中。国家建设部、国家发展和改革委员会在《关于加强城市照明管理、促进节约用电工作的意见》，所以一些学者也做了一些关于使用无线网络、单片机、红外传感等来对路灯进行节能化智能调控。

1 智能控制装置构型

1.1 控制总体设想

路灯的常亮机制造成了能源的极大浪费，于是利用压力传感的原理，根据实际车流量使用，提供“按需照明”进行能源供应的装置符合当前节能大趋势。智能控制系统旨在解决当前城市道路夜间路灯常亮下的能源浪费问题。通过基础电路将单片机控制单元、车辆探测传感单元以及路灯控制单元联系起来；由单片机控制单元对各个单元做出指令调节，实现装置的有效运作。当无车辆通过时路灯维持较低亮度，能满足路旁行人的夜间基本通行需求；当有车辆通过时，车辆探测模块感应车辆进入一区段后，该区段路灯能从原较低亮度自动调节到正常照明状态，保障车辆在该区域的夜间行驶安全；汽车行驶完该路段后进入下一路段时，上一路段路灯恢复至原较低亮度，下一路段提升至正常照明。

1.2 控制装置运行原理

在夜晚，路灯开启至初始设置的半载状态（每盏路灯由两个LED灯组成，半载状态指仅开启一个LED灯，而满载指开启两个LED灯），这时能够满足道路两旁行人通行的基本照明要求。当汽车通过第一路灯组的始端压力传感器时，传感单元将采集到的压力信号转变为电信后传输到单片机控制单元中，经由单片机控制单元处理后，输出信号至该路灯组的路灯开关控制单元，开关控制单元接收到信号后接通路灯组满载线路，进而达到“点亮”第一路灯组路灯至满载照明状态；这便实现了第一路灯组的智能开启。随后汽车行驶至第二路灯组的始端压力传感器，该压力传感单元接收到信号后传输给单片机控制单元。单片机控制单元处理后将发出两个信号：一个信号传输至第一路灯组的开关控制单元，该开关控制单元接收到信号后将原满载电路切换至半载电路，进而实现了第一路灯组的满载照明的关闭，即该组路灯照明从“明亮”变“灰暗”；另一个信号传输至第二路灯组的开光控制单元，该开关控制单元接受到信号后将接通第二路灯组的满载电路，实现了第二路灯组满载照明的开启。以此规律类推至所有线路。

2 装置控制硬件构成

2.1 STC90C516RD单片机控制单元

核心控制单元主要是STC90C516RD单片机。STC90C516RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，内部集成MAX810专用复位电路，时钟频率在12MHz以下时，复位脚可直接接地。

路灯开光控制单元是指通过电路连接将路灯进行分组控制，单个路灯组线路长度参照汽车照明距离。汽车灯照明距离一般为100m（LED近光灯）、300m（LED远光灯）、600m（激光远光灯），因此参考远光灯距离300m设置为一个路灯开关控制单元，以满足汽车夜间行驶安全。

2.2 车辆信号探测单元

车辆探测传感单元主要由应变式压力传感器组成，其主要任务是将汽车通过道路时得到的压力信号转变为电信号，通过电路输出至核心控制单元。

2.3 程序设计流程

为实现上述路灯控制功能，现对路灯控制软件方面设计如下：Step1：清空内存，初始化并定义所用端口；Step2：输入信号并检测各个端口高低电平状态；Step3：判断，若第一端口为高电平状态，则接通第一路灯编组的电路，保持此状态直到第一端口为低电平状态；Step4：启动延时程序，直到下一端口为高电平状态；Step5：接通下一编组电路，后返回Step4；执行Step4、Step5循环，直至最后编组路灯开启后结束。

3 智能控制模型

模型的建立。以一段长km直线路段为例，设路段内路灯总数N，路灯间隔l0；路灯为LED类灯（注：每盏路灯由两个LED灯组成，半载状态指仅开启一个LED灯，而满载指开启两个LED灯）。

3.1 常亮机制下的能源消耗

3.2 智能控制下的能源消耗

因此最终能源节约程度为。

3.3 模型分析

以重庆市某道路为例，取该道路中=1000m路段为研究对象，路灯间隔为25m；单个路灯额定功率w，半载功率w，车速km/h。

根据上述公式计算得出，电量节约程度为。

4 结语

按照1.2的原理和思路，本实验在实验室通过实物验证，模拟夜晚下第二开启状态的过程。除此之外，核心线路及软件设不变，整套装置仍由压力传感器和单片机控制。

如图4所示，左侧车道为常亮机制下的路灯照明情况，右侧车道为压力传感下LED路灯的智能控制，图4中小车触发第二个压力传感装置，点亮第二组LED路灯，此时第一组LED路灯已经智能熄灭。

本实验中单颗LED路灯额定电流为30～60mA，半载功率为0.09W，满载功率为0.18W。实物模型中每个实验组均有9颗LED路灯，每3个LED路灯为一个路灯编组，共3个路灯编组，小车通过该路段共需10s。为方便计算，在小车通过的10s内，测试组算法简化为仅1个路灯编组一直处于满载亮度，其余编组一直处于半载亮度，而标准组中所有路灯编组均处于满载亮度，即可算得标准组所耗功率为16.2W，测试组所耗功率仅为7.02W。

参考文献

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作者简介：彭首国（1994-），男，重庆人，重庆交通大学本科在读学生，研究方向：交通运输。

（责任编辑：黄银芳）