多功能节能路灯智能控制系统设计

房蕴力 谭菊琴 王雪洁

（南京理工大学紫金学院，江苏 南京 210023）

城市道路照明是城市公共设施的重要组成部分，随着城镇化建设推进，道路照明的用电量呈逐年上升的趋势。大多道路路灯采用“全夜恒亮度”的照明方式，即使深夜道路上车流量少，路灯仍然保持高亮度照明，存在浪费资源的问题，也会对周围的环境造成不良影响。另外，路灯维护费高，主要由工作人员对路灯进行巡查，而且其巡查范围大，存在故障发现不及时、巡查覆盖不全的问题。

目前，关于路灯的节能研究多数集中于自然能源供电。例如彭蒙等[1-2]设计了一种光雨互补节能路灯，利用光伏电池和雨水发电产生的电能给路灯提供能源；黄胜柱[3]研究了一种风光互补节能路灯控制系统。

为了实现国家“碳达峰”、“碳中和”战略目标，就必须提高路灯智能化管理能力和精细化控制水平。因此，设计一种节能、低成本的多功能节能路灯智能控制系统显得尤为重要。

1 系统方案设计

1.1 系统的组成

系统原理框图如图1 所示，该部分由网络通信报警电路、路灯环境监测控制电路2 个部分组成。网络通信报警电路由预警控制电路、故障报警电路、网络通信电路和ZigBee 无线通信电路等电路组成，完成路灯的故障报警任务并通过短信将故障路灯的故障信息和地理信息发送给维修人员。路灯环境监测控制电路由路灯控制电路、光强监测电路、路灯定位电路、故障监测电路、灯光亮度调节电路、车辆/行人监测电路以及ZigBee 无线通信电路组成，完成光照度检测、路灯故障监测、车辆/行人监测、灯光亮度调节以及路灯定位任务，并将路灯故障信息以及故障路灯的地理位置发送给网络通信报警电路。

图1 系统原理框图

1.2 区域路段系统布置

以城市快速路为例，根据《城市道路工程设计规范》（GJJ 37—2012）可知，城市快速路车速为60 km/h～100 km/h，为了保障行车安全，从驾驶员发现前方障碍物起至到达障碍物前安全停止所需的最短距离称为停车视距，根据《城市道路路线设计规范》（CJJ 193—2012）可知，以设计速度100 km/h 为例，停车视距为160 m，货车停车视距为180 m。

根据《城市道路照明设计标准》，等间距30 m～50 m 布设1 盏路灯。选用2.4G 频段、无外接天线的ZigBee 作为数据传输方式，当室外空旷无遮挡时最大传输距离为250 m，取路灯最大间距50 m 进行计算，为了确保数据稳定传输，选择数据传输距离为200 m 进行控制。

由此可见，根据停车视距、路灯间隔以及ZigBee 数据传输的稳定性，确定每次调节4 盏路灯的亮度。那么以带有网络通信报警电路的路灯为中心，使其控制前后各4 盏路灯，共9 盏路灯。每盏路灯都安装了路灯控制电路、光强监测电路、路灯定位电路、故障监测电路、灯光亮度调节电路、车辆/行人监测电路以及ZigBee无线通信电路。其中，车辆/行人监测电路安装在每个灯杆距地面1 m 处，路灯故障监测电路安装在路灯盖的避路灯灯光照射处。每组路灯只有中间路灯安装了预警控制电路、故障报警电路、网络通信电路和ZigBee 无线通信电路。

2 多功能节能路灯控制电路设计

路灯环境监测控制电路、网络通信报警电路均选用STC12C5A60S2 作为主控芯片对各自电路进行控制。图2（a）的路灯控制电路为路灯环境监测控制电路的主控电路，P1.2引脚接路灯控制电路的ZigBee 无线通信电路的ZB_TXD。P1.3引脚接路灯控制电路的ZigBee 电路的ZB_RXD，负责收发数据。P1.4引脚与LED相连，当P1.4脚为低电平时，路灯处于关闭状态；当P1.4脚为高电平时，路灯处于开启状态，此时产生PWM 波控制路灯的亮暗程度。P3.0引脚与路灯定位电路的GPS_TXD 相连，通过串口方式接收路灯定位电路发送的经纬度、时间等信息。P0.4引脚接光强监测电路的输出端GM_OUT，如果检测到GM_OUT 口为高电平，就说明光强低，需要打开路灯；如果检测到GM_OUT 口为低电平，就说明光强高，不需要打开路灯。P0.5引脚接故障检测电路输出端EJG_OUT，在无光情况下，故障检测电路无输出，说明路灯出现故障，需要进行检修。P2.2引脚接车辆/ 行人监测电路的ECHO 信号接收端。P2.3引脚接车辆/行人监测电路的TRIG 信号发送端，P2.3会提供1 个大于或等于10 μs的脉冲触发信号，超声波模块会发出8个40 kHz 周期电平并自动检测回波，一旦检测到有回波信号，就通过I/O 口向路灯控制电路P2.2输出一个持续的高电平作为回波信号，说明此时有车辆或行人经过。预警控制电路为网络通信和报警电路的主控电路（如图2（b）所示），P1.2和P1.3引脚接故障报警电路、网络通信电路，P3.1引脚接ZigBee 电路的ZB_RXD2，负责接收路灯发送的数据。网络通信电路将接收到的故障路灯信息发送到MQTT 服务器云端，发送完毕后采用MQTT 机制KeepAlive 保持连接，等待下一次消息发布。

图2 多功能节能路灯控制电路

3 软件设计

系统上电初始化后，光照度低于300 lx，那么开启路灯节能状态，启动车辆/行人监测电路，如果检测到道路上有车辆或行人经过，就通过ZigBee 电路发送标志0x40H，同时路灯恢复正常照明状态，车辆前进方向对应的路灯接收到标志位的同时恢复正常照明状态，当车辆/行人监测电路10 s内检测不到车辆或行人经过时，路灯重新恢复节能状态；当路灯发生故障时，启动路灯定位电路并通过ZigBee 将路灯故障信息发送给网络通信和报警电路。网络通信和报警电路接收到路灯故障信息后，预警控制电路会通过ZigBee 对接收到的故障路灯编号、故障时间以及经纬度等信息进行内部数据处理，通过故障报警电路将故障信息短信发送给路灯维修人员，同时启动网络通信电路连接到MQTT 服务器后发布故障路灯信息的话题，以便路灯维修人员通过路灯管理系统获取故障路灯信息并处理故障。程序流程如图3 所示。

图3 程序流程图

4 路灯管理系统设计

为了便于路灯管理者和维修人员随时了解路灯的运行状态，该文对路灯管理系统进行研究。要求其具有以下维修管理功能：1） 可以实时显示维修信息。2） 可以精准定位路灯区域信息。3） 及时反映故障路灯维修要求、设备编号以及地理位置。该文利用高德地图查看路灯的实时数据，即每盏路灯的运行状态。服务端系统根据配置的数据接口推送服务，将路灯地理位置实时更新至数据库并反馈给客户端系统，客户端系统调用高德地图开发平台进行逆地址解析，可以将坐标到坐标所在的位置进行文字描述转换，确保经纬度的准确性。当维修人员进入App、客户端系统连接上MQTT服务器时，客户端系统可以显示故障路灯信息，维修人员可以根据故障路灯短信提示对路灯编号进行检索，如果检索路灯正常，就会有弹窗消息提示无故障路灯信息；如果检索路灯故障，就会有弹窗消息提示该处路灯故障，同时客户端系统会自动显示故障时间、路灯经纬度等信息，此时单击搜索按钮，客户端系统会生成定位蓝点显示故障路灯地理位置，单击路灯定位蓝点可以查看参数信息，形成地图信息区域化，有效提高路灯管理效率，为路灯管理者和维修人员提供了更便捷、更精准的管理方式。

5 系统性能测试

5.1 路灯自动开启和关闭性能测试

由图4（a）可知，在白天，即使道路上有车辆，路灯也不会开启，此时路灯无亮光发出。由图4（b）可知，在夜晚，此时道路上无车辆和行人，路灯发出比较暗的光，处于节能状态。

图4 路灯自动开启和关闭测试图

5.2 路灯亮度自适应控制性能测试

当光照度低且道路上有车辆或行人时，路灯控制电路将自动调节自身路灯亮度，同时ZigBee 无线通信电路会给车辆前进方向的路灯发送数据，使安全视距内的路灯恢复正常照明状态，提高光照强度和夜晚能见度，保障车辆、行人安全，如图5（a）所示；在车辆行驶过路灯处后，如果10 s 内路灯检测不到车辆或行人经过，路灯就自动恢复节能状态，如图5（b）所示。

图5 路灯亮度自动控制测试图

5.3 路灯故障自检功能进行性能测试

当路灯不亮时（如图6（a）所示），就会立即给相关维修人员发送故障路灯信息并上传至手机App 端。由图6（b）中可知，此时手机短信提示故障路灯编号，维修人员可以通过路灯管理系统App 快速定位自身位置并检索对应故障路灯。维修人员按下搜索按钮，地图上会自动标记故障路灯地理位置，单击标记蓝点就可以查看相关参数信息。由图6（c）可知，此时故障路灯地理位置信息为北纬32.108 33°、东经118.938 36°，故障发生的时间是北京时间19 时32 分43 秒。

图6 路灯故障自检测试图

试验结果表明，硬件电路运行良好，可以实现路灯自动开启/熄灭、路灯亮度自适应控制和路灯故障自检功能。

6 结语

为了实现国家“碳达峰”、“碳中和”战略目标，提高路灯智能化管理能力和精细化控制水平，该文设计了一种节能、低成本的多功能节能路灯智能控制系统。试验结果表明，该设计硬件电路运行良好，可以实现多功能节能路灯智能控制系统的路灯自动开启/熄灭、路灯亮度自适应控制以及路灯故障自检功能。该系统可以应用于夜晚车流、人流不高的道路，具有广阔的应用前景，对提高城市路灯管理水平具有重要的意义。