一种路灯节能控制系统的研究
2020-11-23张雨陈大志吴杭颐陈志刚
张雨 陈大志 吴杭颐 陈志刚
摘要：针对夜晚人流量较少的地区，路灯通宵长亮造成能源浪费的现状，本文设计了一种路灯节能控制系统。该系统由路况检测模块、中央处理模块、无线通信模块等部分构成，遵循“车来前方灯变亮，车走后方灯变暗”的控制模式，利用组网通信技术，实现区域内路灯的互相通信，各自以最合适的亮度工作，以提高路灯的利用效率。经过路灯节能模型分析，该系统节能效果显著。
基金：2019年度国家级大学生创新创业训练计划项目，项目编号：201910459041
关键词：路灯，节能控制，单片机
0前言
近年来，国家大力发展节能减排产业，建设低能耗环保经济。路灯作为一项重要公共设施，占据的能源与经济支出不可忽视。目前大多数城市仍使用传统的路灯控制系统，通宵高亮度照明，造成了不必要的电能浪费。因此，本文将针对夜晚人流量较为稀少的地区，如乡镇、郊区、工业园区等地，设计一种智能的路灯节能控制系统，以提高能源利用率。
1系统总体方案设计
路灯控制系统由路况检测模块、单片机、灯光亮度调节模块和无线通信模块等组成，控制方案如图1所示。通过无线通信模块，可以接收和发送数据到控制端。路况检测模块检测物体和物体的移动速度，并把数据传输到中央处理器（单片机）。中央处理器对信号和数据进行处理，再根据程序控制灯光亮度调节模块，自动调节路灯的亮度。
2硬件电路设计
2.1硬件电路示意图
电路结构如图2所示，控制芯片采用STC51系列单片机，通信模块选用NRF24L01 2.4G单片收发芯片，与路况检测模块、电源电路以及路灯连接组成。
2.2路况检测模块
路况检测模块用于检测道路上是否有车辆行人通过，其检测距离较远，对检测时间的要求较高，同时为了降低成本，故选用激光测距模块，并采用脉冲法测量。由激光发射系统发出一个持续时间极短的脉冲激光，经过待测距离之后，被目标物体反射，回波信号被激光接收系统中的光电探测器接收，时间间隔电路通过计算激光发射和回波信号到达之间的时间，得出目标物体与发射出的距离（为光速）。
2.3灯光控制模式
本设计采用直流PWM调压模块实现灯光的亮度调节。输入为220V直流电压，通过单片机输出不同占空比的PWM信号以调节输出电压的大小，得到5V-60V的直流输出电压，进而实现灯光的亮度调节。
3系统软件设计
通过路况检测模块的响应，可以配合无线通信模块，根据一定的程序实现路灯之间的联动，以及路灯亮度的调节。根据每两盏路灯检测到车辆（行人）的时间差，可以得到车辆（行人）的移动速度，进而调整前方一定范围内的路灯亮度，车辆（行人）经过后，路灯恢复最低亮度初始值。
3.1移动目标速度检测算法
具体实现方法如下：设定每两盏路灯之间的距离为Li，以路灯为节点，当收到上一节点发送的移动信息时，本节点清零当前模块的移动目标累积计时时间，Tb=0;并开始计时。当本节点路况检测模块检测到移动目标时，记录Tb=t;设定计时最小门限Tmin和最大门限Tmax，根据以下检测规则计算移动目标的移动速度：Tb
3.2灯光亮度调整增量算法
当前节点路灯与上一节点路灯之间的距离为Li，获得移动目标从上一节点到本节点的时间差Ti，Ti=Li/Vi，对Ti进行判定，设定路灯全亮亮度为Lux_max，最小值Lux_min，单位时间亮度增量为Lux_zl，当前亮度为Lux_now。Ti≤Tmin时，路灯进入全亮狀态，Lux_now=Lux_max，Ti>Tmax时，路灯进入设定的最低亮度状态Lux_now=Lux_min，否则，按照路灯照度的比例，获得单位时间路灯的亮度增量值Lux_zl=（Lux_max- Lux_now）/Ti。
3.3灯光亮度调整减量算法
根据移动目标的速度，查询临近节点的距离L，计算移动目标到达下一节点的时间Tp=2*L/（3*V）;以Lux_zl=（Lux_max- Lux_min）/Tp的递减光照度进行路灯的逐渐减灭，也可以采用非线性增量进行减灭操作，直至恢复路灯亮度初始值。
4节能效果评估
通过建立路灯节能控制系统能耗模型，可以估算出本文所述路灯节能控制系统的效能及效益。首先假设在1KM长的试验道路上安装本文所述控制系统的路灯，道路两边分别以50m间隔一个路灯，共计42盏路灯。
设定一个节能率指标以评价节能率，对节能率指标作以下定义：
5结论
本文通过对系统的控制方案设计、软硬件设计讨论了一种节能路灯控制系统的模型，以提高路灯利用效率。本文设计的路灯节能控制系统硬件电路可靠性高，成本较低;软件算法效率高，可移植性强。经过节能模型计算，该系统节能效率高，经济效益显著。
参考文献
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