节能控制的智能化路灯系统设计研究

漯河市路灯维护中心 李 倩

国内现阶段开展的路灯管理工作大多依靠人工巡视来实现，工作效率低下的同时产生不必要的人力、物力成本支出，本文针对此类问题提出了应用GPRS与ZigBee无线通信技术进行路灯远程控制的管理模式，对于成本节约、提质增效、节能管理等目标的实现具有积极意义。同时，对于夜间恒照度造成的电能损耗问题，本文提出分时控制的路灯控制模式，结合雷达测速仪进行单灯控制，并依靠测距仪进行车辆方向的判断，有效解决了传统路灯系统在能源损耗方面的问题。

当前国内路灯所采取的照明模式大多为恒照度、全夜灯，通过定时启停、感光启停等方式对全部路灯进行集中管理。然而，现有的路灯控制系统无法做到远程自动监控，往往需要安排人员现场对路灯进行巡视维护，所应用的计划修模式往往会耗费较多人力和物力资源，相对于实时自动化监控系统存在较多缺点。此外，恒照度、全夜灯模式提供的照明存在冗余问题，往往只满足了少量车辆或行人的通行需求，产生了较多不必要的电能支出。为此，相关单位需要积极研究节能控制的智能化路灯系统，实现安全运行以及节能控制的工作目标。

1 基于节能控制的智能化路灯系统的结构设计

1.1 无线通信设计

为了实现对现有路灯状态的实时监控，智能路灯设计人员首先需要做好通信系统的规划设计工作。相对而言，有线通信系统需要耗费较多时间和资金进行电缆敷设，期间还会对道路交通造成影响，而无线通信在达成设计目标的同时也可以减少施工成本。为了确保无线通信系统的稳定运行，通信系统中需要合理应用相应的通讯技术，本设计拟采用短距离通信的ZigBee技术和远距离通信的GPRS技术，将两者技术融合应用到智能路灯的通信系统中，使系统变得更加灵活可靠。

ZigBee是现有短距离通信技术中应用较为广泛的技术类型，在路灯通信方面已推出较多研究成果，该技术10.75m的传输距离与城市路灯的布置间距相适应，符合数据传输方面的现实需求。然而，城市路灯数量相对较多，随着道路长度的增加，ZigBee连接的路灯数量将会增加，这将影响无线通信系统的传输效率。为此，本文决定在ZigBee技术的基础上应用GPRS技术，使得路灯的无线通信系统摆脱路灯数目、传输距离方面的限制，基于GPRS建立监控终端与各子网之间的通信链接，而子网内部则依靠ZigBee进行相应的数据交换，从而实现监控终端对路灯状态的实时监控，也为各项路灯控制命令的下达提供便利。

1.2 智能控制终端

智能控制终端内部包括了控制器、光传感器、驱动电路几部分，控制终端信号的流动方向如图1所示。

图1 智能控制器信号流程图

在智能路灯系统中，光照传感器布设于道路周边，用于实时监测道路区域的光信号，并将信号传递给智能控制器，经过内部控制回路的判断来决定是否控制驱动电路对路灯进行开启。在开启路灯的同时，系统内部的计时器将会启动，在达到定时时限后将会自动降低LED路灯的亮度。此时，如果驶入路灯所处道路区域，系统中的测速仪将会采集车辆信号并传递给智能控制器，系统将会自动控制路灯开启，为车辆提供200m范围的路灯照明，测速仪产生的速度信号将会由控制器内部算法计算得出每一个路灯的点亮与变暗延迟时间，使得路灯在满足车辆行驶照明需求的同时避免因长时间维持高亮度而产生不必要的电能损耗。此外，系统设定当处于后半夜这一道路行驶车辆相对较少的时段时，控制器将会通过PWM信号对LED路灯进行亮度调节，并在检测到车辆速度信号时增强LED亮度，在车辆通过后重复之前PWM信号的亮度调节工作，满足车辆安全通行的同时起到节约电能的功能效果。

2 基于节能控制的智能化路灯系统的无线通讯研究

在节能路灯系统的无线通信系统设计方面，本文采用了三级通信模式，分别为路灯、控制子站以及监控中心。其中，监控中心的作用在于对各控制子站的运行情况进行管控，通过子站下达路灯控制命令的同时，完成对子站反馈数据信息的实时收集。控制子站的作用在于对子站管控范围内的路灯进行管理，控制路灯状态的同时对路灯的电压、电流等各电路运行参数进行监控，并将相关信息反馈给监控中心。路灯作为终端设备，主要包含了控制箱和变压器两部分，用于接收并执行上级下达的各种控制命令，实现对路灯状态的快速调节。

3 基于节能控制的智能化路灯系统的硬件设计

硬件设计主要针对城市路灯终端，包括了测速仪、光照传感器、亮度调节电路以及测距电路几部分，下面对硬件系统的整体规划情况进行介绍。

3.1 雷达测速仪分布

雷达测速仪的工作目标在于对道路行驶车辆的速度进行监测，通过采集的速度信号对路灯的变化频率进行控制。在实际运行时，随着车辆的行进，路灯会在系统的控制下变亮和变暗，车辆行驶前方的路灯将会依次点亮，车辆行驶后方的路灯将会依次变暗，测速仪的运行可靠性直接关系的路灯的点亮与变暗顺序，对于车辆行驶安全性具有较大影响，对于路灯的节能控制也具有积极作用。相对而言，随着雷达测速仪布置密集程度的增加，系统对车辆速度信号的采集结果将会更加精确，在综合考虑系统精度与项目成本的情况下，建议间隔1公里设置一处测速仪。考虑到测速仪实时采集车辆速度信号的运行需求，拟采用CSR-90型测速仪，将其固定于道路周边或路灯灯杆区域，实现对车辆速度信号的监测采集。

3.2 红外测距仪分布

在非直行道路时，单纯依靠测速仪无法判断车辆的行驶方向。为此，在十字路口区域，智能化路灯系统需要布设仪器对车辆后续行驶方向进行判定；在双向六车道区域，由于车辆的行驶方向与车道有关，在判断方向时可以根据路灯与车道的相对距离实现对车辆行驶方向的判断。因此，本系统计划通过红外测距装置完成行驶方向的判断工作，具体需要将该装置设置于十字路口前的200m附近区域，通过分析车、灯间距的测量结果确定车辆的前进方向，以此来针对性地调节路灯亮度。由于无法对现场情况进行准确预测，因此需要将车辆右转、左转以及直行三种可能考虑在内，通过将测距装置布设于各路口200m附近区域，完成对车辆行驶方向的判断和对路灯状态的控制工作。

3.3 硬件结构设计

在硬件结构方面，智能化节能路灯的硬件部分主要包括PWM电路和智能控制器。其中，智能控制器可以直接选用ZigBee芯片，降低成本支出。系统内部的设备主要包含了测速仪、测距仪、光照传感器、控制器、驱动电路、模数数模转换器、信号变送器等。整体工作原理如图1所示，光照传感器会将采集的光信号传输给模数转换器，转化为相应的数字信号实现对路灯开关状态的控制。测速仪则将速度信号传输给控制器，通过内部算法对路灯点亮与调暗过程进行控制。

4 基于节能控制的智能化路灯系统的软件设计

智能化路灯系统的设计目标之一在于减少电能损耗，本系统根据光照亮度将一天划分为五个阶段三个部分，分别为白天至黄昏、黄昏后五个小时、黄昏五小时后至天亮。其中，第一部分光照较强，无需开启路灯，故利用PWM信号调节输出为0%；第二部分为道路行车、行人高峰期，此时光照较暗，故利用PWM信号调节输出为100%；第三部分无光照，但由于车辆、行人极少，则系统控制在未检测到行车时提供30%输出，在检测到行车时提供70%输出。系统的软件程序运行流程为：上电运行并完成初始化，光照传感器对当前环境的光信号进行采集，控制器依据模数转换的光信号判定是否开启路灯，若光照亮度低至预定标准，则启动路灯并进入5h的车辆行驶高峰期计时阶段，并将这段时间的路灯亮度调至最亮；当计时结束时，控制所有路灯亮度至30%状态，并启动测速仪采集车辆速度信号，完成车辆周边路灯亮度在70%与30%之间的调整，而信号的传输则需要依靠ZigBee无线网络进行。

结语：本文针对当前城市恒照度、全夜灯路灯系统的运行模式提出了改进措施，研究了一种智能化的路灯节能控制系统。系统对路灯的无线远程控制依靠近距离通信的ZigBee技术和远距离通信的GPRS技术来实现，前者建立控制子站与路灯之间的联系，后者建立子站与监控中心之间的联系。为了减少能源损耗，系统将全天设置成三个时段，通过光照传感器控制路灯启动，通过定时器控制路灯最高亮度的持续时间，通过测速仪、测距仪监测车辆位置并实时调节路灯亮度，实现节能控制和安全运行的目标。