基于壓力傳感的LED路燈智能控制裝置

彭首國　林奇　李誠　彭金栓

摘要：文章通過對城市夜間道路車流量的研究，發現城市路燈夜間長亮機制下能源浪費問題，遂提出設計基于壓力傳感的路燈智能控制裝置。該裝置原理是基于壓力傳感器探測夜間實時道路車流狀況，以單片機為控制核心做信號處理，以路燈開關控制單元實現路燈組滿、半載電路切換，最終實現路燈智能控制，達到低碳節能、提高路燈使用效率的目的。

關鍵詞：壓力傳感；LED路燈；智能控制裝置；STC90C516RD單片機；低碳節能 文獻標識碼：A

中圖分類號：U491 文章編號：1009-2374（2016）26-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.013

道路夜間照明是駕駛員實現視覺可見以及安全駕駛的必要保障。根據數據顯示，目前照明在全球約占了19%的用電量，如果全球采用的照明系統效率比現有提升一倍，就相當于減少了歐洲一半的用電量及排熱量。城市路燈照明作為城市建設的一項重要內容，約占全國照明總耗電量的30%。針對路燈系統的能源節約采取的一般措施是將原有的白熾燈逐步更換為新型節約型的LED燈。這種做法雖然在一定程度上改善了路燈的照明效果，但在交通流稀少時段或交通流稀少的路段，道路照明保持長時間高亮度，由此造成能源在系統結構層面的浪費。

20世紀90年代，西方發達國家開始從事智能照明系統的研發，已經積累了豐富的建設經驗和成功案例。比如新加坡、法國和瑞士已經采用計算機技術實現路燈的自動化監控，德國ABB公司基于I-BUS總線研發的路燈控制系統可以實現路燈的集中開關控制；日本的松下公司基于HBS的協議研發了智能燈具和相應的管控系統，實現了燈具的智能化遠程控制。在集中控制的基礎上，國外路燈控制策略更加關注場景及行為分析的功能。比如自適應的光照感知功能、根據日升日落時間的自動開關及調光功能、車流及人流分析功能等，而且針對繁華街路、偏僻街路及高速公路均有不同的監控策略，一方面使路燈的控制更加的人性化，另一方面也進一步節約了能源。除此之外，隨著通信技術的不斷發展，國外已經開始將GPRS、ZigBee等通訊技術融入到路燈控制中。

我國在路燈的智能控制方面雖然起步較晚，目前也正在不斷的探索和發展中。國家建設部、國家發展和改革委員會在《關于加強城市照明管理、促進節約用電工作的意見》，所以一些學者也做了一些關于使用無線網絡、單片機、紅外傳感等來對路燈進行節能化智能調控。

1 智能控制裝置構型

1.1 控制總體設想

路燈的常亮機制造成了能源的極大浪費，于是利用壓力傳感的原理，根據實際車流量使用，提供“按需照明”進行能源供應的裝置符合當前節能大趨勢。智能控制系統旨在解決當前城市道路夜間路燈常亮下的能源浪費問題。通過基礎電路將單片機控制單元、車輛探測傳感單元以及路燈控制單元聯系起來；由單片機控制單元對各個單元做出指令調節，實現裝置的有效運作。當無車輛通過時路燈維持較低亮度，能滿足路旁行人的夜間基本通行需求；當有車輛通過時，車輛探測模塊感應車輛進入一區段后，該區段路燈能從原較低亮度自動調節到正常照明狀態，保障車輛在該區域的夜間行駛安全；汽車行駛完該路段后進入下一路段時，上一路段路燈恢復至原較低亮度，下一路段提升至正常照明。

1.2 控制裝置運行原理

在夜晚，路燈開啟至初始設置的半載狀態（每盞路燈由兩個LED燈組成，半載狀態指僅開啟一個LED燈，而滿載指開啟兩個LED燈），這時能夠滿足道路兩旁行人通行的基本照明要求。當汽車通過第一路燈組的始端壓力傳感器時，傳感單元將采集到的壓力信號轉變為電信后傳輸到單片機控制單元中，經由單片機控制單元處理后，輸出信號至該路燈組的路燈開關控制單元，開關控制單元接收到信號后接通路燈組滿載線路，進而達到“點亮”第一路燈組路燈至滿載照明狀態；這便實現了第一路燈組的智能開啟。隨后汽車行駛至第二路燈組的始端壓力傳感器，該壓力傳感單元接收到信號后傳輸給單片機控制單元。單片機控制單元處理后將發出兩個信號：一個信號傳輸至第一路燈組的開關控制單元，該開關控制單元接收到信號后將原滿載電路切換至半載電路，進而實現了第一路燈組的滿載照明的關閉，即該組路燈照明從“明亮”變“灰暗”；另一個信號傳輸至第二路燈組的開光控制單元，該開關控制單元接受到信號后將接通第二路燈組的滿載電路，實現了第二路燈組滿載照明的開啟。以此規律類推至所有線路。

2 裝置控制硬件構成

2.1 STC90C516RD單片機控制單元

核心控制單元主要是STC90C516RD單片機。STC90C516RD+系列單片機是宏晶科技推出的新一代超高速/低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇，內部集成MAX810專用復位電路，時鐘頻率在12MHz以下時，復位腳可直接接地。

路燈開光控制單元是指通過電路連接將路燈進行分組控制，單個路燈組線路長度參照汽車照明距離。汽車燈照明距離一般為100m（LED近光燈）、300m（LED遠光燈）、600m（激光遠光燈），因此參考遠光燈距離300m設置為一個路燈開關控制單元，以滿足汽車夜間行駛安全。

2.2 車輛信號探測單元

車輛探測傳感單元主要由應變式壓力傳感器組成，其主要任務是將汽車通過道路時得到的壓力信號轉變為電信號，通過電路輸出至核心控制單元。

2.3 程序設計流程

為實現上述路燈控制功能，現對路燈控制軟件方面設計如下：Step1：清空內存，初始化并定義所用端口；Step2：輸入信號并檢測各個端口高低電平狀態；Step3：判斷，若第一端口為高電平狀態，則接通第一路燈編組的電路，保持此狀態直到第一端口為低電平狀態；Step4：啟動延時程序，直到下一端口為高電平狀態；Step5：接通下一編組電路，后返回Step4；執行Step4、Step5循環，直至最后編組路燈開啟后結束。

3 智能控制模型

模型的建立。以一段長km直線路段為例，設路段內路燈總數N，路燈間隔l0；路燈為LED類燈（注：每盞路燈由兩個LED燈組成，半載狀態指僅開啟一個LED燈，而滿載指開啟兩個LED燈）。

3.1 常亮機制下的能源消耗

3.2 智能控制下的能源消耗

因此最終能源節約程度為。

3.3 模型分析

以重慶市某道路為例，取該道路中=1000m路段為研究對象，路燈間隔為25m；單個路燈額定功率w，半載功率w，車速km/h。

根據上述公式計算得出，電量節約程度為。

4 結語

按照1.2的原理和思路，本實驗在實驗室通過實物驗證，模擬夜晚下第二開啟狀態的過程。除此之外，核心線路及軟件設不變，整套裝置仍由壓力傳感器和單片機控制。

如圖4所示，左側車道為常亮機制下的路燈照明情況，右側車道為壓力傳感下LED路燈的智能控制，圖4中小車觸發第二個壓力傳感裝置，點亮第二組LED路燈，此時第一組LED路燈已經智能熄滅。

本實驗中單顆LED路燈額定電流為30～60mA，半載功率為0.09W，滿載功率為0.18W。實物模型中每個實驗組均有9顆LED路燈，每3個LED路燈為一個路燈編組，共3個路燈編組，小車通過該路段共需10s。為方便計算，在小車通過的10s內，測試組算法簡化為僅1個路燈編組一直處于滿載亮度，其余編組一直處于半載亮度，而標準組中所有路燈編組均處于滿載亮度，即可算得標準組所耗功率為16.2W，測試組所耗功率僅為7.02W。

參考文獻

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作者簡介：彭首國（1994-），男，重慶人，重慶交通大學本科在讀學生，研究方向：交通運輸。

（責任編輯：黃銀芳）