基于无线局域网的路灯节电智能控制器设计

郑 浪，王 栗，杨泽明，王 超

（湖北工业大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉430068）

现有的节约道路照明用电方案分为两大类:第一类是基于传统的分时段控制方式的路灯节电技术［1－2］，这一类控制方式只是简单的基于时间来控制、改变路灯的亮度，节能效果有限，并且影响路面的人、车正常通行；第二类是对路灯采用智能控制技术进行节能［3－4］。如中科院广州分院软件所2012年开发的公共照明智能管理技术，基于电力线载波技术把路灯联网，再通过摄像头检测路面交通信息，根据路面交通信息对路灯的亮度进行控制。相对传统路灯控制方式而言，这是一个质的进步，但成本比较高，且电力线载波只能对传统市电路灯进行控制，无法对太阳能等新能源路灯进行控制。

因此，开发出一个低成本且运行稳定的路灯节电智能控制器具有重要意义，可避免很多节能产品“节能环保不省钱”的尴尬局面。

1 路灯节电智能控制器方案设计

1.1 无线局域网组网通信功能方案

现有的路灯通信组网技术分为有线和无线两种方式。有线组网方式主要是电力线载波技术［5］，此技术需安装专门的滤波器，成本较高，并且无法控制太阳能路灯。无线组网方式大部分采用Zigbee协议［6］。Zigbee协议是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，是目前在物联网中应用较多的一种无线组网技术，能够在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信［7］。控制路灯的无线局域网的特点是:低成本、低数据率、响应较快、对兼容性要求不高等。但是，Zigbee是以牺牲成本和性能为代价来换取兼容性的，而且Zigbee协议十分复杂，用于路灯控制并不合适。

基于上述考虑，自主开发了一个简洁实用的无线通信协议。其通信组网的底层硬件平台选用通用无线收发器芯片nRF24L01，它是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4～2.5GHz ISM 频段［8］。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型SchockBurstTM技术，其中输出功率和通信频道可以进行配置。其功耗也比较低，当工作在发射模式下，发射功率为－6dBm时电流消耗为9mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低，有利于节能设计。

图1 路灯无线通信网络示意图

该通信协议的指令格式设计借鉴了工业控制协议Modbus的一些思想，具体格式如下:转发时接收节点地址，转发时发送节点地址，最终接收节点地址，最初发送节点地址，指令码，指令数据，累计转发计数器，最大转发次数限制值，CRC校验码。协议的故障处理机制:正常情况时，每个节点只和相邻节点通信；如果有节点出现故障时，连续3次重发，仍无响应的，即确定为故障节点，可以跳开这个故障节点，和下一个节点通信，并把故障信息存起来，等到遥控器查询时，上报故障信息（图1）。

1.2 采用传感器对路面信息检测的方案

1.2.1 热释电红外传感器检测行人方案 热释电红外传感器即PIR传感器，是通过检测人体辐射出的特定波长的红外线来检测行人的。PIR传感器输出的信号极其微弱，一般只有几mV，需要使用放大电路去放大输出信号，用透明塑料做成的菲涅尔透镜来增强入射红外信号，这样使得PIR传感器的检测范围可以达到10m左右。PIR信号处理电路包括:放大、低通滤波、鉴幅、波形保留等环节。

1.2.2 光敏电阻配合声控传感器来检测汽车的方案 通过检测汽车灯光来检测汽车的存在，这一方案能否顺利实施的关键是要抗干扰，在软件上设置了一个抗干扰的算法，具体思路如下:通过分析发现，汽车灯光比环境干扰光的亮度要亮很多，汽车灯光照射光敏电阻时，阻值变化较大进而可以使光敏传感器电路产生电平变化，因此，使用一个模糊控制的算法可以比较有效的辨识出汽车灯光信号。另外，在路灯杆上部安装光敏电阻可以判断是否是闪电光的干扰；同时为了提高灵敏度和抗干扰能力可以结合声控传感器，智能判断是干扰还是有汽车驶来。经过测试，此种方法看起来虽简单，但在没有绿化带遮挡、宽度10m以内的支路道路上行之有效，并且误触发率也比较低，不到5%。

1.3 路灯节电智能控制器的电气原理图

本设计有两个版本，分别针对太阳能供电路灯和市电供电路灯。尽管目前实际使用的路灯中，太阳能路灯所占比例不大，但是经仔细分析后发现:将太阳能路灯与节电智能控制器相结合后相得益彰，将产生很多好处。

1）太阳能路灯的太阳能电池板和蓄电池容量与灯具的耗电量是成正比的，采用路灯节电智能控制器后，视具体情况而定，灯具耗电量一般将下降40%～80%，因此，所配置的太阳能电池板和蓄电池容量也可以下降40%～80%，太阳能路灯的造价主要是太阳能电池板和蓄电池的费用，所以相当于太阳能路灯的造价可以下降40%～80%，这将极大的推动太阳能路灯的普及；

2）太阳能路灯没有输电线，所以无法集中控制，而路灯节电智能控制器拥有一个无线通信网，可以很方便的实现各种控制功能，并能对路灯状态进行检测。

路灯节电智能照明控制器对路灯光源的要求是:1）能快速的、反复的开关灯；2）最好能调光。根据以上要求，LED灯是最佳选择，其次是氙气灯；而像高压钠灯、高压汞灯、金属卤化物灯等因为启动过程太慢，故不适合用于路灯节电智能控制器，可以用LED替换这些效率相对较低的光源，节省的电费可以弥补换灯的费用。图2与图3为节电智能控制器应用于太阳能路灯和市电供电路灯的电气原理图。

图2 太阳能路灯的电气原理图

图3 市电供电路灯的电气原理图

2 主要模块硬件设计及原理分析

本设计是针对太阳能供电的LED智能照明控制器，考虑到实验成本，把太阳能电池板、蓄电池以及LED灯的容量都做了等比例缩小，制作出的太阳能LED路灯的容量配置如下:太阳能电池板峰值功率10W，蓄电池为12V/4Ah锂电池，LED灯5 W。

2.1 充放电电路及控制策略

由图4可知，当能量从Vin＋流向V＋时，晶体管N－1工作，晶体管N－2不工作，此电路为Buck电路即降压电路，光伏太阳能经过降压后给蓄电池充电，同时检测蓄电池两端的电压，当充电电压达到额定电压的1.2倍（14.4V）时，由P3控制晶体管N－1关断。为了防止蓄电池给太阳能反向充电，由二极管D6来禁止反向充电。当能量从V＋流向Vin＋时，晶体管N－1不工作，晶体管N－2工作，此电路为Boost电路即升压电路，蓄电池由12V升压至16V左右给5W的LED路灯供电。为了防止蓄电池电压过放，检测其两端的电压，低于10.7 V时，控制NPN三极管Q2关断。

图5 为IR2103的同步驱动电路，由单片机产生的PWM接到IR2103的高端输入HIN和低端输入LIN，使其产生两路互补的PWM波P1和P2，进而控制晶体管N－1和N－2的导通与关断，使电路处于不同的模式。

2.2 无线通信模块电路设计

由NRF24L01组成的无线通信模块电路见图6，软件设计流程见图7。

图5 同步驱动电路

图6 无线通信模块电路

图7 无线通信模块软件流程

2.3 PIR传感器电路设计

图8 为PIR传感器电路。电路通电后，当无人进入热释电传感器监控范围时，热释电红外传感器信号处理集成电路BISS0001处于复位状态，控制信号输出（第2脚）Vo输出低电平。电子开关Q3处于截止状态，照明路灯不亮。当有人进入热释电传感器PIR监控范围内并移动时，PIR可将人体散发出的红外线变化为电信号输出，输出信号频率为0.1～10Hz，触发信号启动芯片内部的延时定时器，最后状态控制器从第2脚输出高电平信号，使Q3导通，照明路灯点亮。

图8 热释电传感器PIR电路

2.4 光敏传感器电路

图9 为光敏传感器电路。光照强度不同引起光敏电阻阻值的改变，决定1脚电平的高低，从而影响三极管Q5的导通与否。当Q5导通时，Vout为高电平；当Q5关断时，Vout为低电平。单片机通过读取Vout端口的电平，来决定照明系统是否工作。该电路不仅可以用来判断汽车是否经过，而且还可以实现路灯晚上自动开灯，白天自动关灯。

图9 光敏电阻电路

3 测试结果

图10的左图显示当人在PIR传感器感应范围以内时，放在方凳上的LED灯变亮，并将信号传给下一盏LED灯（左图中未拍出）使其变亮；图10的中图和右图是对车辆的检测，中图显示当车辆还在远处时，两盏LED灯处于熄灭状态，右图显示当汽车前灯灯光射向第一只LED灯时，LED灯迅速点亮，并将信号传给后继LED灯使其变亮。

图10 人、车辆检测及通信组网等功能的测试图

如下图11为节电智能控制器的实物图，图12为手持遥控器的实物图。

图11 节电智能控制器的电气实物图

图12 手持遥控监测器电气实物图

4 结束语

路灯节电智能控制器的节能效果与路灯照明空闲时间和路灯照明的空闲率有关。路灯照明的空闲时间指的是路灯正常开灯时，在其有效照明范围内，道路上没有人及车辆通过的状态的累积时间。路灯照明的空闲率指的是晚上某段时间内路灯照明空闲时间与这一段照明总时间的比值。路灯照明的空闲率反映了夜间道路交通的繁忙程度，也反映了路灯照明用电浪费的比例。路灯照明的空闲率越高，智能控制器的节能效果越好。以校园里一盏功率为70W的LED路灯为例。假定晚上照明时间为10 h，路灯照明的空闲率平均为60%。按照传统控制方式，需耗电约0.7kWh，若使用路灯节电智能控制器，需耗电约0.28kWh，耗电量下降了60%，可以实现节能的目的。

本设计实现了路灯的通信组网，通过手持遥控器对每盏路灯的亮灭以及亮度调整，能够根据路面状况信息自动调光。

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