智慧调光新能源路灯设计

王荦荦，杨 辉，张 旭

珠海城市职业技术学院，广东 珠海 519000

0 引言

目前中国的路灯大部分都是采用简单高压钠光源或者LED灯，LED路灯大部分都是采用5 500 K左右的发光源，这种类型的光源发光效率更高也更节能，但5 500 K的发光源灯光色温会给人阴冷的视觉效果，炫目感强，容易产生视觉疲劳，降低驾驶员在道路上行驶的安全性[1]。在雨雾的天气下，这种照明对于灯光的通风和穿透性能相对较差，严重地影响了人们的生活和出行安全。传统高压钠灯的色温在2 800 K左右，不会产生眩晕，在雨雾环境中的灯光穿透能力更强，但耗能严重。如何结合两种路灯的优点，做到既节能又不会使人产生眩晕，还能在雨雾环境中有较强的穿透能力，对国家建设、交通安全、提高能源利用率有着重要意义。

1 路灯控制系统总体设计

1.1 结构设计

新能源智能路灯系统由控制系统和路灯单灯系统两大部分构成。控制系统主要包括集中式控制器、单灯型控制器和监测中心。路灯单灯系统包括太阳能电池板、三色温灯阵列、单灯控制器、超级电容器等。控制系统通过4G/PLC（电力线载波）的形式对任意一盏路灯实现智慧管理，其系统结构如图1所示。

太阳能发光电池板白天发光可以直接吸收大量太阳能的光能，因此可以利用最大功率点跟踪（MPPT）算法进行跟踪，并将太阳能放在电池板的最高最大功率发电点后，再结合DC-DC降压电路，给超级法拉电容器充电。Arduino微控制器通过AD转换检测和读取电容器端电压及外界PM2.5、温度、湿度等数据，从而调控Arduino产生的脉宽调制（PWM）波占空比。自动调光、自动按需调色温的功能，可通过调控后的PWM波传至调光电路实现。微控制器以电力线载波技术为基础，通过电力线传输微控制器所检测到的电压及天气相关数据来实时监控和控制系统。在阳光不充足的情况下，超级电容器电力不足，此时供电方式被微控制器切换为市区供电，从而保障整个区域内智慧路灯系统的稳定性和可靠性。

1.2 模块设计

系统所采用的控制器模块均为技术成熟的模块，有着大量的开发资源，降低了研发的成本，提高了系统的可靠性。另外，所采用的传感器模块均为市场批量生产，采购条件较低。

（1）数据传感器模块。PM2.5数据采集工作是采用日本夏普公司开发的GP2Y1010AU0F传感器来实现的，该传感器可以测量空气中的PM2.5指数。因为灰尘的密度相对较低，导致采集结果具有间断性，所以需要加上滤波算法。为此，可以采用均值滤波、限幅滤波等滤波算法实现滤波[2]。通常以5 500 K的灯光色温工作，在雾、霾、沙尘等恶劣气候条件下，系统将所采集的数据进行梯度分配。处理器将灯光精准分配调整到相应的色温值，使路灯发出的灯光穿透性增强，道路可见度提高，从而保证驾驶员夜间行车的安全。

（2）温湿度传感器。温湿度采集的方式和仪器设备较多，考虑到成本、体积、便捷程度等因素，采用SiliconLabs公司生产的温湿度传感器模块，型号为SI7021。在暴风雪、冰冻等不良的气候环境下，通过采集温度、湿度、雨水等的相关数据，由系统对所采集的相关数据进行梯度分配，再由处理器精准地通过灯光分配来调整相应色温值，使得发出的灯光更适合人体视觉感官[3]，这利于降低路人的视觉疲劳感，提升人的远处观察能力。

（3）系统微控制器。该系统的微控制器采用Arduino微处理器，具有功耗低、性能强、兼容性强、价格低廉等特点。微控制器作为系统的CPU，主要将其他模块所采集的数据进行处理，并与程序植入的数据进行对比，从而触发特定的模式[4]。

2 路灯智慧调光设计

调光系统整体设计方案采用一个PWM自动调光开关驱动控制电源，并在驱动电源后端的驱动电路中分别增设一个色温控制调节驱动电路，该种色温控制调节驱动电路主要是利用一个PWM调光开关通过调光的两种方式自动调节灯光冷白LED系统阵列和灯光暖白LED系列阵列的灯光导通值和时间值，使其成正比，实现对色温的自动调节。自动调光、调色温系统结构如图2所示。

为了实现色温调节，将导通压降比较接近的一路冷白LED阵列和一路暖白LED阵列并联接于电源输出端，采用功率开关管Mos1和Mos2分别控制冷白LED阵列和暖白LED阵列的通断。PWM2信号连接Mos1的栅极，实现对冷白LED阵列导通时间的控制，PWM2经反相器后得到反相的信号PWM3连接Mos2栅极，控制暖白LED阵列的导通时间。PWM2为高电平时，PWM3为低电平，故冷白LED阵列导通，暖白LED阵列断开，反之亦然。调节PWM2的占空比来调节单位时间内冷白LED阵列和暖白LED阵列的导通时间比例，实现灯光色温按需精准变化的效果。

使用E3F-20C1对射激光传感器来模拟车流量。将对射激光传感器的引脚直接插入面板，在Arduino中分别设置好了对射激光传感器的模块功能，通过对射激光传感器的记录，规定当每分钟通过次数大于10次时，PWM3为低电平，PWM2为高电平，暖白LED阵列的光导通；当其中一个每分钟通过次数小于10次时，PWM2为低电平，PWM3为高电平，冷白LED阵列的光导通。对射激光传感器的记录每分钟刷新一次。该设计的优势在于路灯在车流量少的情况下开启白色LED灯节能，车流量多的情况下开启黄色LED灯，从而缓解驾驶员的视觉疲劳。

3 新能源超级电容设计

在一些太阳能发电路灯系统中，蓄电池的直流充放电温度控制策略将可能直接影响其使用安全性。对于铅酸蓄电池而言，常见的充电方式有恒压充电、三阶段充电、恒流充电、两阶段充电和恒压限流充电。要想提升电池的寿命，必须选择合适的充电方法，同时对于充电效率也会有较大的提高。超级电容器是一种新型储能元件，在脉冲电源方面有着得天独厚的优势，文章设计将超级电容与MPPT最大功率算法相结合，一方面用MPPT算法保证太阳能板输出功率始终保持最佳光照角度，另一方面通过超级电容提升充电利用率，最终实现高效率和高寿命的超级电容充电模组结构。

超级电容充电结构如图3所示，使用STM32微控制器对光伏发电系统进行充电控制，DC-DC回路输入端接入太阳能光伏电池板，输出端接超级电容器组储能装置，通过DC-DC电路的各个端口可以采集和计算出所需要的电压和电流数据进行MPPT，实现太阳能电池板在变化的外界环境下（如光度和温度）寻找最大功率点。

图3 超级电容充电结构图

4 结束语

文章针对传统路灯不可调光的问题设计了一种可以基于车流量和环境因素进行自动调光的智慧路灯，很好地解决了单色光对照明的影响，提升了路灯的安全性。同时，该路灯采用新能源路灯作为本体，通过超级电容设计在减少能源消耗的同时，提升了路灯的使用寿命，使其符合节约能源的需求。智慧路灯还可以通过5G等网络接入物联网，发展前景广阔。