一种自感应光感路灯控制系统设计

摘 要：由于传统的路灯控制系统不能根据实时环境亮度进行智慧开启和自动调节照明强度，因而产生了巨大的电能浪费。基于此，我们设计了光感传感器对环境亮度进行实时探测，并将环境亮度数据传输至路灯主控制系统，主控系统基于光感数据的判断实现路灯的自动开启与关闭，并对路灯亮度进行自动调节的智慧路灯控制系统。此系统采用太阳能电池对系统进行供电，具有光敏感度高，反馈速度快，自动开启等优点。通过感应光感路灯系统的使用既能有效地减少公共道路照明系统能源消耗与浪费，还能减少灯具的使用时长和使用强度，从而延长了灯具寿命，实现“节约能源、智慧照明，点亮绿色低碳生活”。

关键词：自感应；光感强度；控制系统；智慧照明

Design of a Control System for Self-induced Light Sensing Street Lamp

Zeng Lingyu Ai Yichen Li Lanxun Wu Tengyan

（School of Materials and Environmental Engineering，Hunan University of Humanities，Science and Technology，Loudi，Hunan 417000）

Abstract：The traditional street lamp control system can’t intelligently turn on and adjust the lighting intensity according to the real-time ambient brightness，which produces huge waste of electric energy.Based on this，light sensors are used to detect the ambient brightness in real time，and the ambient brightness data is transmitted to the street lamp main control system.The main control system realizes the automatic opening and closing of street lamps based on the judgment of light sensing data，and automatically adjusts the brightness of street lamps.This system uses solar cells to supply power to the system，which has the advantages of high light sensitivity，fast feedback speed and automatic opening.The use of inductive light-sensitive street lamp system can not only effectively reduce the source consumption and waste of public road lighting system，but also reduce the use time and intensity of lamps，thus prolonging the service life of lamps and realizing “saving energy，intelligent lighting and lighting green and low-carbon life”.

Key words：self-sensing;light sensing intensity;control system;intelligent lighting

1 引言

进入21世纪后，我国的城市水平日益提升，城市建设的脚步也不停向前迈进，而路灯作为城市的重要组成部分，是一种非常有意义和价值的城市设施。它不仅为人们提供了安全、便利和美感，也为城市展示了文明、进步和创新。我国路灯每年所消耗的电量约1.46亿kW，占全国总发电量的5%以上，每年花费的照明电费财政开支在1800亿元，约占城市基础设施电费预算50%左右。［1］

根据2022年住房和城乡建设部公布的2021年城乡建设统计年鉴显示，我国城市路灯数量呈逐年上升趋势，截至2021年，全国城市路灯数量达到3200万盏，［2］近年来路灯数量变化趋势如图1所示。据《城市道路照明系统能源评估导则》（Q/GDW 11612-2017）统计，我国城市道路照明系统能源损耗约占总电能的15%，这意味着公共路灯要消耗大量的电量。同时，由于传统路灯的定时开启或者关闭，缺乏智能化，因而需要合理地规划和管理路灯开启与关闭系统。随着国家碳达峰碳中和理念的积极推进，城市道路照明系统的发展也应响应绿色低碳和节能的目的，减少电能的损耗。但是大部分城市所采取的仍是低效照明居多，如隔亮灯、单侧灯、定时路灯这些问题一直存在。这些现象的存在表明城市路灯系统存在着智能化程度较低、照明稳定程度较差、电力资源浪费严重等问题。这是因为我国城市照明系统仍然使用传统控制方式，如常见的定时开启，经纬度控制，甚至传统的手动开启等方式。［3］这些控制方式都存在一定弊端，如操作性较差，缺少灵活的控制方案，且易受到人为或者环境、天气等因素影响，更重要的是定时开关控制路灯会带来照明不能及时开启与关闭，导致路灯过早或者过晚开启等问题，如图2所示，公共照明设施中经常会有环境的亮度很高，但是路灯照明已经早早开启，或者天色很晚，环境视野已经很暗，但是，路灯迟迟还未开启等情况出现，表明传统的路灯照明控制系统亟须更新。正是因为公共设施中的路灯采取的运行方式仍存在照明开启与关闭非智能化等缺陷的存在，导致大量的能源白白损耗掉，进而引起巨大的能源浪费，巨额公共设施财政浪费。根据住建部的数据，每天总耗电量为152.43万度，这就意味着路灯的节能问题势在必行。

基于目前城市道路照明系统存在的问题，在物联网技术的推动之下，城市道路照明系统也逐步走向智能化和智慧化。将先进的光敏传感器应用于公共路灯中，并根据太阳光照强度能自动调整角度的太阳能电池板为主控系统提供电能，实时采集路灯周围环境光照强度的变化，利用光感传感器（采用光敏传感器）系统结合环境光照强度控制路灯的开启与路灯亮度自适应调节，从而使路灯控制系统具有智慧化。自感应光感路灯系统的使用不仅能有效节约电能，还能有效延长照明路灯的使用寿命。此外，并对路灯位置进行编码（IP设置），从而能够及时发现故障路灯的精确位置，并反馈到APP上，从而为路灯检修和维护工作带来了便利。［4］因而，针对传统路灯的智能化设计，能够有效改善目前路灯照明控制现状，升级路灯管理模式，在保障人民群众安全出行的前提下，减少能源浪费是一项非常有实际效益的事情。［5］

2 设计方案

2.1 传感器设计

该系统（如图3所示）主要由感光模块、主控模块、照明模块、通信模块组成，其中感光模块用于检测环境中的光照强度的变化，并通过主控芯片部分对光照强度数据进行处理，指挥路灯照明系统的开启。同时控制舵机调整太阳能电池板感光角度，实现太阳能电池板最大面积接收太阳光照。并且能够联合通信模块实现数据交互，如可以通过APP查询路灯的状态数据或远程调控路灯状态（如开关，照明强度调整等）。

2.2 BH1750光感传感器特点

BH1750光感传感器是一种比较常见的光照传感器，价格相对较低，适用于各种光照检测应用，尽管价格低廉，但是BH1750光传感器的性能和精度仍然很高，有较好的性价比，完全可以适用于应用数量巨大的道路照明路灯上。且BH1750光感传感器具有高性能的数字型特性，能够准确地捕获周围环境的光照强度变化而且分辨率高，可以有效探测1lx-65535lx范围内的光照强度变化，其最小误差变动在±2%，能够准确地感知环境光照强度变化，减少了光照强度感知失误的可能性，能够实现更精准的照明控制。其工作温度为-40℃～85℃，完全符合路灯工作的环境温度，图4为BH1750光传感器的实物图和原理图。

2.3 灯具的开关控制和光感传感器调控

光感传感器实时对环境光照强度进行检测，并通过IIC协议传递光线强度数据至主控芯片，主控芯片对光感强度数据进行处理，当光感强度低于设定光感强度阈值时，开启路灯照明设施。开始照明的同时，能够根据环境实时的光照强度，由主控芯片调动设置好的程序通过脉宽调制技术调整合适照明亮度，从而避免不必要的电能损耗。当环境的光感强度大于设定光感强度值时，则关闭路灯照明系统。此外，管理端还能够通过软件APP端与主控系统进行数据通信，达到自主调控路灯的开关和照明亮度，确保自主调控系统发生故障时也能远程调控路灯状态。

2.4 供电系统的调配

控制系统的供电主要由太阳能电池板进行（如图5所示），但是，针对长时间连续雨雪天、阴天等极端天气下，太阳能电池储存的电能不足为主系统供电的情况下，我们设置主控芯片通过检测太阳能板的存储电量情况，当检测到太阳能电量不足以支持路灯开启时，可自动打开数字开关，此时路灯中的备用电源作为主要供电。另外，管理端同样能够通过APP远程控制备用电源的开关。

主控系统中的光感传感器内含感光元件，可以探测同种光源在不同的接触面积和角度呈现的太阳光照强度的变化，并转换成不同的模拟数值，主控芯片通过多通道ADC测量多个不同方位光感传感器的模拟数值，由主控芯片发出不同占空比的PWM波控制舵机旋转使太阳能板向感光强度最大的光感传感器方位偏移，从而实现太阳能电池板对太阳光线的实时追踪（如图6所示），以便获取最大强度的太阳光照，进而提高太阳能电池板对太阳能的最大获取效率。

2.5 故障检测及路灯状态上报

路灯的每次启动会由主控芯片执行设置好的校验程序对路灯的功能进行依次校验检测，一旦发现故障会通过通信模块将故障路灯的信息（具体故障，路灯的IP地址，检测时间等）及时上传到服务器及APP，以便故障路灯能被及时发现和维修。

3 相关检测实验

3.1 使用光感传感器控制灯具

这个程序通过BH1750传感器读取光照强度，并根据光照强度控制灯的亮灭。当光照强度低于100 lx时，灯亮起，否则熄灭。在上述代码中，使用了一个灯连接到Arduino的数字引脚。在setup（）函数中，通过pinMode（）函数将灯引脚设置为输出模式，并将灯初始状态设置为关闭。在loop（）函数中，读取光照强度数据，并判断光照强度是否低于设定的阈值。如果光照强度低于阈值，通过digital Write（）函数将灯引脚设置为高电平，开始照明。如果光照强度高于阈值，通过digital Write（）函数将灯引脚设置为低电平，则关闭照明。在每次循环结束后，通过delay（）函数设置采样间隔。

3.2 光照强度传感器控制灯的亮度

在setup函数中，通过Serial.begin函数初始化Arduino的硬件串口，通过lightMeter.begin函数初始化BH1750光照传感器模块，同时使用pinMode函数将灯引脚设置为输出模式。在loop函数中，使用lightMeter.readLightLevel函数读取光照强度，并将其存储在lux变量中。使用Serial.print和Serial.println函数将光照强度输出到串口监视器中，以便通过串口进行观察。使用map函数将光照强度值映射到灯的亮度范围（0～255），并将结果存储在brightness变量中。使用analogWrite函数将亮度值应用于灯引脚，从而调节路灯的照明亮度。使用delay函数延迟1秒钟，以控制光照强度的检测和灯亮度的更新频率。

4 性能分析

BH1750是一款数字光感传感器，具有I2C数字接口，可与微控制器（MCU）直接连接。它采用了亮度校准和温度校准的先进技术，能够在各种光线条件下提供准确的光照测量结果，功耗较低，工作温度在-40 ℃～80 ℃，该光照强度传感器能满足1 lx ～ 60000 lx的检测范围，符合灯光日常环境的使用需求，对环境光强度的感知灵敏度高，精确度高，其数据传输速率快且能耗较低，满足对规模大且数量多的城市路灯的应用。

5 节能减排效果及理论计算

直接效果：截至2022年末，我国道路照明路灯数量约为3100万盏，平均每盏路灯每天工作11小时，每小时消耗0.1度电，每天消耗电量为1.10度电。［7］那么我国路灯每年总耗电量为：

总耗电量=3100（万盏）×0.10（度）×11（小时）×365（天）

=1.24×1010（度）

如果所有公共路灯采用自感应光感路灯，通过运行我们的自感应光感技术开启照明和环境光强度控制的调节照明亮度。路灯每天能够节约1小时左右的电量，通过自感应光感系统的路灯，全年可以节约1/11的总电量，则全国每年可以在路灯照明上节省的电量为：

节省电量=总耗电量×1/11

=1.24×1010（度） ×1/11

=1.13×109（度）

理论上按照1吨标准煤发电量为8130度计算，可以节约1.23×105 （吨）标准煤的使用。

此外根据道路照明每年产生的CO2排放估算公式，采用使用能源折算的方法为［8］：

CO2排放量（千克）=耗电量（度）×0.785

那么可以得到节约CO2排放量：

节约CO2排放量（千克）

=耗电量（度）×0.785

=1.13×109（度） ×0.785

=8.87×108（千克）

通过计算得知运用自感应光感技术公共设施路灯照明系统每年可以减少1.13×109（度）电能的损耗，节约1.23×105 （吨）标准煤的使用，同时还能减排8.87×108kg的CO2。节能效果成效显著，经济效益显著。实践证明自感应光感系统路灯的使用，可以做到不影响路灯的实际整体照明效果和影响城市照明形象外，还能获得节能减排的效果，且经济效益十分明显，真正意义上做到了节能减排的实质效果。

间接效果：如果使用传统模式控制照明，目前路灯的平均寿命为11年，采用光感系统的路灯，减少了路灯的实际照明时间，大约节约了1/11照明的时间，此外还能降低路灯的使用频率和照明强度，因而能够有效延长路灯大约1年的使用寿命，因而能够减少路灯生产过程中的CO2的排放量和电能的使用。［8］此外，该系统对路灯进行编码，通过APP端能够及时、精确地定位出现问题的路灯，方便维修人员快捷进行维修，减少维护的人力和物力成本。

同时采取了模块化的设计，更易于维护，减少了更换的成本，并且避免了路灯过亮对周围环境和居民生活的干扰，减少了光污染，提高了行人和车辆的安全性，促进绿色环保的道路照明模式的发展。

6 创新点

（1）光感控制：该路灯照明系统中的光感系统能够精确监测环境中光照强度的变化，把检测数据实时反馈至控制系统。

（2）自感应照明：该路灯照明系统可以根据传感器检测的实时环境亮度，对路灯的开启与关闭进行精准控制，此外，还能调控使路灯的输出亮度使其与环境实际光强度相匹配，实时对路灯亮度进行控制。

（3）模块化设计：该路灯照明系统将产品分为照明模块、控制模块、检测模块三个部分，每一部分都具有独立功能，相同种类的模块可在产品中进行替换。

7 结论

我们设计的光感传感器对环境亮度进行实时监测，并将环境亮度数据传输至路灯主控制系统，主控系统基于光感数据的判断实现路灯开启与关闭，并对路灯亮度自动调节的智慧路灯控制系统。系统具有光敏感度高、精确度高、自动开启等优点。通过理论计算，此自感应路灯控制系统的使用能够有效地降低公共道路照明系统能源消耗与浪费，还能有效延长路灯使用寿命，实现“节约减排，智慧照明”双赢局面。

参考文献：

［1］胡蝶影.智慧路灯控制系统设计与算法研究［D］.重庆：重庆理工大学，2023.

［2］AGRAMELAL F，SADIK M，HANMANI A E.et al.A traffic-aware street lighting system based on fuzzy logic controller［C］.2022 IEEE 18th International Colloquium on Signal Processing amp; Applications （CSPA），Selangor，Malaysia，2022，132-137.

［3］万园．支持向量机在路灯节能控制策略中的应用研究［D］.重庆：重庆大学，2018.

［4］谭童．基于环境及道路状态的智慧照明控制策略研究［D］．重庆：重庆邮电大学，2019.

［5］姜言泉，高尚，邵新鹏，等．灯、高压钠灯和金属卤化物灯道路照明效果的研究［J］．照明工程学报，2015，26（3）： 90-92.

［6］张苏文．城市智慧路灯建设的研究及实现［D］．南昌：华东交通大学，2020.

［7］吴蒙，王晓青，杨旅涵，等.电力行业CO2排放量预测及减排路径——以徐州市为例［J］.江苏师范大学学报（自然科学版），2024，42（1）：46-50.

［8］李大兴，罗玮．基于先进电力电子技术的新型节能器在城市绿色照明工程中的应用［J］．电气应用，2017，36（2）：20-24、65.

（责任编辑 郭晓勇）