智能太阳能喷雾防霾路灯设计

朱琳颖 王建飞 陈润苗 赵红飞

【摘要】雾霾越来越成为普遍关注的社会问题，治理雾霾也成为政府的重要工作之一。借助于太阳能智能路灯融入抑尘除霾系统，来自动监测环境、自动喷淋，充分合理地利用太阳能优化道路，清洁环境，改善空气质量。

【关键词】太阳能路灯；洒水喷雾；抑尘除霾；云平台

【中图分类号】J525 【文献标识码】A

太阳能作为清洁能源，在道路照明、交通发光指示标志等领域应用广泛。智能化抑尘除霾太阳能路灯的设计，将优秀治理雾霾作为缓解城市污染、改善城市环境的有效手段。现阶段，雾霾治理的关键在于对空气扬尘、雾霾进行淡化，借助于城市路灯灯杆的支撑作用，对现有太阳能路灯进行智能化改造，融入抑尘除霾系统功能提升太阳能路灯的实用性，减少资源浪费，提升城市环境空气质量。

一、基于智能太阳能路灯洒水喷雾抑尘除霾系统的设计方案

在现有的智能太阳能路灯设计基础上，可以利用PLC可编程控制器来优化太阳能发电、智能充放电，以及城市环境监测等功能，实现对空气PM2.5、地面湿度、温度等数据的实时监测，在无人值守条件下，利用自动喷淋系统来洒水抑尘除霾。

（一）智能喷雾防霾太阳能路灯的工作原理

在现有智能太阳能路灯设计中，功能利用率低，资源浪费突出，实时性控制能力不强，成为制约智能太阳能路灯系统的主要缺陷。从城市抑尘防霾视角，引入城市环境监测系统、自动喷淋系统来采集空气质量相关数据，并将之通过以太网传送至云平台，利用远程控制终端来进行智能化设置，改善智能太阳能路灯的洒水抑尘功能。所以，从喷雾防霾功能上，在克服现有太阳能路灯功能利用率低的情况下，借助于PLC智能控制器来整合太阳能路灯洒水喷雾、抑尘除霾等功能。通过PLC系统实现对道路空气污染、空气湿度、温度、风向、风速等指标的自动测量，并将之整合到路灯智能化数据模块中，借助于上位机系统来监控各项指标数据，并对整个工作过程进行自动控制。另外，在提升资源利用上，每个路灯的洒水喷雾除霾系统可以单独完成喷雾防霾作业，也可以根据路面车辆、行人进行动态避让，提升洒水喷淋的智能化、人性化。在进行空气洒水、除霾作业中，还可以将路面车辆、行人数据信息进行实时记录，传送到云平台，为实现道路交通管理提供参考数据指标。

（二）智能喷雾防霾太阳能路灯的方案设计

根据对智能太阳能路灯洒水喷雾防霾功能的分析，在优化系统整体方案设计上，我们选择三菱的FX3U系统作为智能控制器的核心PLC单元，实现对各个太阳能路灯的智能化控制。其结构主要有太阳能路灯照明系统、城市道路环境监测控制模块、洒水喷淋除霾电路、远程控制模块，以及便民充电系统模块等辅助功能。在太阳能照明系统设计中，主要借助于太阳能板的充放电模块为整个路灯提供电能。在充放电模块设计上，引入亮度监测系统，利用亮度传感器结合亮度变化指标智能化开启路灯开关，减少电能浪费。在路灯环境设计模块中，主要结合光照检测模块、空气湿度检测模块、空气温度检测模块、PM2.5检测模块等，对路灯周围环境的环境信息数据进行实时监测，并利用中央控制器PLC单元，将这些数据进行收集和存储，分别提供给环境检测、通信电流、通信模块等使用。在洒水喷雾除霾系统设计中，引入自动喷淋装置，结合环境检测系统获得的温湿度、PM2.5等监测数据，通过比值对比分析，触发对道路车辆、行人等动态信息的检测，确保在无人、无车情况下，对路面实施喷淋洒水，且可以满足自动旋转喷水。该系统主要通过水箱、步进电机和系统驱动单元对喷淋喷头的供水、旋转角度进行控制，完成自动喷淋功能。在远程云平台控制系统设计中，利用太阳能路灯智能网络结构，将各个路灯系统传感器所采集的数据，通过以太网来传送至云平台，管理者可以通过远程手机APP、PC等终端对监测数据进行管理，也可以利用远程PLC可控制器，设置相应的控制指令，实现太阳能路灯的智能化抑尘除霾管理。

二、智能太阳能路灯洒水喷雾抑尘除霾系统构成

在智能太阳能路灯喷雾防霾设计上，其构成设备主要由太阳能路灯，包括太阳能电池板、LED路灯、LED路灯显示器，以及空气环境监测设备、步进电机及驱动单元、自动洒水喷淋系统、水箱、水泵、支架等。由于该系统包含较多辅助功能，在利用FX3U智能控制器过程中，需要对不同设备设置相应的地址，以便于动态优化各系统参数，完成智能化控制。如在系统设计I/O地址分配上，步进电机限位1设置为X000，主要接收脉冲信号；步进电机限位2设置为X001，主要接收驱动器方向指标；变频运行信号设置为X002，实现对变频电机的启动；变频故障信号设置为X003，主要完成变频系统的复位功能；红外感应信号设置为X004，主要调整变频系统的速度指标。另外，根据系统设计功能，对环境监测模块的控制，也需要通过PLC控制器来采集相应的环境数据，如空气温湿度变化，PM2.5信息监测数据，并完成对相关监测数据的存储和运算处理。当环境监测指标符合自动喷淋条件时，触发路面洒水系统，并对路面进行喷雾除霾。

三、智能太阳能路灯洒水喷雾抑尘除霾系统软件的设计

软件系统设计是实现智能太阳能路灯动态化喷淋除霾和照明的重要部分，根据太阳能路灯工作原理及特点，在软件设计上需要细化作业流程。通过上位机通电后，完成智能太阳能路灯控制系统的初始化，主要是对照明系统、喷水系统、环境监测系统、道路行人车辆监测系统进行复位。然后启动环境监测单元，对周围空气温湿度、PM2.5含量进行监测，当与程序设计中的开关量及监测指标进行对比符合喷水除霾条件时，触发道路区域车辆、行人监测单元，如果有车辆行人，则继续监测，当无行人车辆时，触发喷水系统。如打开喷水阀，启动水泵，喷水时间设定、水泵运行状况反馈，喷头摇摆等。在云平台系统设计中，需要从PLC与各监测单元进行开关量、数据量的运算处理，符合作业条件时触发相应动作。

四、系统效益分析

随着智慧城市建设的不断推进，对道路照明系统设计更需要从科学、节能、高效的智能化管理中提升城市照明效率，改善照明质量。智能太阳能喷雾防霾路灯设计融合了可编程控制器、太阳能发电、智能化放电，以及环境监测、远程控制、自动喷淋等子系统，以清洁太阳能能源实现对城市道路环境的动态监测与抑尘除霾，具有较高的经济效益和市场推广价值。我们通过对太陽能喷雾防霾路灯照明设施进行系统效益分析计算，以某城区道路3千米为例，每30米一盏路灯，所需路灯总数为202盏。每盏路灯初始设计电机功率为60瓦，此段道路每年节约的费用约为24万元。同时，借助于对空气PM2.5浓度的监测，可以有效降低道路雾霾浓度，减少大气污染。由于该系统采用太阳能设计，每年可以节约标准煤约368.577千克，减少10.84吨二氧化硫排放，减少375.48千克二氧化碳排放，也对城市环境治理做出了较大贡献。

五、结语

总体而言，智能太阳能喷雾防霾路灯具有以下优势：一是满足一灯多用，且具备按需提供照明、高效节能环保特点。如利用色温监测实现多种色温照明变化，提升人体舒适度；二是满足智能化数据采集与反馈，可以利用手机端APP进行动态管控，省时省心，维护便捷；三是具备喷雾防霾功能，利用内置IC终端控制器，实现对光源的动态调节，并满足对色温、雾、霾的监控与处理。通过对智能太阳能路灯系统洒水除霾功能的优化设计，该系统具有节约用水、智能环保，抑尘除霾系统与照明系统可以分别独立运行，提升了系统可用性。如在洒水作业时，可以通过对车辆、行人的避让增强除霾人性化水平，还可以通过远程登录端进行数据监测、报警记录查看，以及远程PLC控制等功能，具有较高的推广应用价值。

参考文献：

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[4]宋乐鹏，彭军，变量喷雾智能控制[M]西南交通大学出版社，2012（1）：30-34.

[5]陈玲，杨继全，3D打印模型设计及应用[M]南京师范大学出版社，2016（3）：37-39.

作者简介：朱琳颖（1995-），女，陕西西安人，动漫设计与制作专业，14级，研究方向：动漫设计；王建飞（1996-），男，陕西铜川人，动漫设计与制作专业，14级，研究方向：动漫策划；陈润苗（1995-），女，陕西渭南人，动漫设计与制作专业，14级，研究方向：动漫设计；指导老师：赵红飞（1979-），男，陕西咸阳人，讲师，文艺学硕士，研究方向：影视策划。