智能太陽能噴霧防霾路燈設(shè)計(jì)

朱琳穎 王建飛 陳潤苗 趙紅飛

【摘要】霧霾越來越成為普遍關(guān)注的社會(huì)問題，治理霧霾也成為政府的重要工作之一。借助于太陽能智能路燈融入抑塵除霾系統(tǒng)，來自動(dòng)監(jiān)測環(huán)境、自動(dòng)噴淋，充分合理地利用太陽能優(yōu)化道路，清潔環(huán)境，改善空氣質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】太陽能路燈；灑水噴霧；抑塵除霾；云平臺(tái)

【中圖分類號(hào)】J525 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

太陽能作為清潔能源，在道路照明、交通發(fā)光指示標(biāo)志等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。智能化抑塵除霾太陽能路燈的設(shè)計(jì)，將優(yōu)秀治理霧霾作為緩解城市污染、改善城市環(huán)境的有效手段?，F(xiàn)階段，霧霾治理的關(guān)鍵在于對(duì)空氣揚(yáng)塵、霧霾進(jìn)行淡化，借助于城市路燈燈桿的支撐作用，對(duì)現(xiàn)有太陽能路燈進(jìn)行智能化改造，融入抑塵除霾系統(tǒng)功能提升太陽能路燈的實(shí)用性，減少資源浪費(fèi)，提升城市環(huán)境空氣質(zhì)量。

一、基于智能太陽能路燈灑水噴霧抑塵除霾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

在現(xiàn)有的智能太陽能路燈設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，可以利用PLC可編程控制器來優(yōu)化太陽能發(fā)電、智能充放電，以及城市環(huán)境監(jiān)測等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣PM2.5、地面濕度、溫度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在無人值守條件下，利用自動(dòng)噴淋系統(tǒng)來灑水抑塵除霾。

（一）智能噴霧防霾太陽能路燈的工作原理

在現(xiàn)有智能太陽能路燈設(shè)計(jì)中，功能利用率低，資源浪費(fèi)突出，實(shí)時(shí)性控制能力不強(qiáng)，成為制約智能太陽能路燈系統(tǒng)的主要缺陷。從城市抑塵防霾視角，引入城市環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、自動(dòng)噴淋系統(tǒng)來采集空氣質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)，并將之通過以太網(wǎng)傳送至云平臺(tái)，利用遠(yuǎn)程控制終端來進(jìn)行智能化設(shè)置，改善智能太陽能路燈的灑水抑塵功能。所以，從噴霧防霾功能上，在克服現(xiàn)有太陽能路燈功能利用率低的情況下，借助于PLC智能控制器來整合太陽能路燈灑水噴霧、抑塵除霾等功能。通過PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)道路空氣污染、空氣濕度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等指標(biāo)的自動(dòng)測量，并將之整合到路燈智能化數(shù)據(jù)模塊中，借助于上位機(jī)系統(tǒng)來監(jiān)控各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，并對(duì)整個(gè)工作過程進(jìn)行自動(dòng)控制。另外，在提升資源利用上，每個(gè)路燈的灑水噴霧除霾系統(tǒng)可以單獨(dú)完成噴霧防霾作業(yè)，也可以根據(jù)路面車輛、行人進(jìn)行動(dòng)態(tài)避讓，提升灑水噴淋的智能化、人性化。在進(jìn)行空氣灑水、除霾作業(yè)中，還可以將路面車輛、行人數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，傳送到云平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)道路交通管理提供參考數(shù)據(jù)指標(biāo)。

（二）智能噴霧防霾太陽能路燈的方案設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)智能太陽能路燈灑水噴霧防霾功能的分析，在優(yōu)化系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)上，我們選擇三菱的FX3U系統(tǒng)作為智能控制器的核心PLC單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)太陽能路燈的智能化控制。其結(jié)構(gòu)主要有太陽能路燈照明系統(tǒng)、城市道路環(huán)境監(jiān)測控制模塊、灑水噴淋除霾電路、遠(yuǎn)程控制模塊，以及便民充電系統(tǒng)模塊等輔助功能。在太陽能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要借助于太陽能板的充放電模塊為整個(gè)路燈提供電能。在充放電模塊設(shè)計(jì)上，引入亮度監(jiān)測系統(tǒng)，利用亮度傳感器結(jié)合亮度變化指標(biāo)智能化開啟路燈開關(guān)，減少電能浪費(fèi)。在路燈環(huán)境設(shè)計(jì)模塊中，主要結(jié)合光照檢測模塊、空氣濕度檢測模塊、空氣溫度檢測模塊、PM2.5檢測模塊等，對(duì)路燈周圍環(huán)境的環(huán)境信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并利用中央控制器PLC單元，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和存儲(chǔ)，分別提供給環(huán)境檢測、通信電流、通信模塊等使用。在灑水噴霧除霾系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，引入自動(dòng)噴淋裝置，結(jié)合環(huán)境檢測系統(tǒng)獲得的溫濕度、PM2.5等監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過比值對(duì)比分析，觸發(fā)對(duì)道路車輛、行人等動(dòng)態(tài)信息的檢測，確保在無人、無車情況下，對(duì)路面實(shí)施噴淋灑水，且可以滿足自動(dòng)旋轉(zhuǎn)噴水。該系統(tǒng)主要通過水箱、步進(jìn)電機(jī)和系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元對(duì)噴淋噴頭的供水、旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行控制，完成自動(dòng)噴淋功能。在遠(yuǎn)程云平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用太陽能路燈智能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將各個(gè)路燈系統(tǒng)傳感器所采集的數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)來傳送至云平臺(tái)，管理者可以通過遠(yuǎn)程手機(jī)APP、PC等終端對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，也可以利用遠(yuǎn)程PLC可控制器，設(shè)置相應(yīng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)太陽能路燈的智能化抑塵除霾管理。

二、智能太陽能路燈灑水噴霧抑塵除霾系統(tǒng)構(gòu)成

在智能太陽能路燈噴霧防霾設(shè)計(jì)上，其構(gòu)成設(shè)備主要由太陽能路燈，包括太陽能電池板、LED路燈、LED路燈顯示器，以及空氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)單元、自動(dòng)灑水噴淋系統(tǒng)、水箱、水泵、支架等。由于該系統(tǒng)包含較多輔助功能，在利用FX3U智能控制器過程中，需要對(duì)不同設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的地址，以便于動(dòng)態(tài)優(yōu)化各系統(tǒng)參數(shù)，完成智能化控制。如在系統(tǒng)設(shè)計(jì)I/O地址分配上，步進(jìn)電機(jī)限位1設(shè)置為X000，主要接收脈沖信號(hào)；步進(jìn)電機(jī)限位2設(shè)置為X001，主要接收驅(qū)動(dòng)器方向指標(biāo)；變頻運(yùn)行信號(hào)設(shè)置為X002，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻電機(jī)的啟動(dòng)；變頻故障信號(hào)設(shè)置為X003，主要完成變頻系統(tǒng)的復(fù)位功能；紅外感應(yīng)信號(hào)設(shè)置為X004，主要調(diào)整變頻系統(tǒng)的速度指標(biāo)。另外，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能，對(duì)環(huán)境監(jiān)測模塊的控制，也需要通過PLC控制器來采集相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，如空氣溫濕度變化，PM2.5信息監(jiān)測數(shù)據(jù)，并完成對(duì)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算處理。當(dāng)環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)符合自動(dòng)噴淋條件時(shí)，觸發(fā)路面灑水系統(tǒng)，并對(duì)路面進(jìn)行噴霧除霾。

三、智能太陽能路燈灑水噴霧抑塵除霾系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)智能太陽能路燈動(dòng)態(tài)化噴淋除霾和照明的重要部分，根據(jù)太陽能路燈工作原理及特點(diǎn)，在軟件設(shè)計(jì)上需要細(xì)化作業(yè)流程。通過上位機(jī)通電后，完成智能太陽能路燈控制系統(tǒng)的初始化，主要是對(duì)照明系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、道路行人車輛監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。然后啟動(dòng)環(huán)境監(jiān)測單元，對(duì)周圍空氣溫濕度、PM2.5含量進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)與程序設(shè)計(jì)中的開關(guān)量及監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比符合噴水除霾條件時(shí)，觸發(fā)道路區(qū)域車輛、行人監(jiān)測單元，如果有車輛行人，則繼續(xù)監(jiān)測，當(dāng)無行人車輛時(shí)，觸發(fā)噴水系統(tǒng)。如打開噴水閥，啟動(dòng)水泵，噴水時(shí)間設(shè)定、水泵運(yùn)行狀況反饋，噴頭搖擺等。在云平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要從PLC與各監(jiān)測單元進(jìn)行開關(guān)量、數(shù)據(jù)量的運(yùn)算處理，符合作業(yè)條件時(shí)觸發(fā)相應(yīng)動(dòng)作。

四、系統(tǒng)效益分析

隨著智慧城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，對(duì)道路照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)更需要從科學(xué)、節(jié)能、高效的智能化管理中提升城市照明效率，改善照明質(zhì)量。智能太陽能噴霧防霾路燈設(shè)計(jì)融合了可編程控制器、太陽能發(fā)電、智能化放電，以及環(huán)境監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)噴淋等子系統(tǒng)，以清潔太陽能能源實(shí)現(xiàn)對(duì)城市道路環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測與抑塵除霾，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和市場推廣價(jià)值。我們通過對(duì)太陽能噴霧防霾路燈照明設(shè)施進(jìn)行系統(tǒng)效益分析計(jì)算，以某城區(qū)道路3千米為例，每30米一盞路燈，所需路燈總數(shù)為202盞。每盞路燈初始設(shè)計(jì)電機(jī)功率為60瓦，此段道路每年節(jié)約的費(fèi)用約為24萬元。同時(shí)，借助于對(duì)空氣PM2.5濃度的監(jiān)測，可以有效降低道路霧霾濃度，減少大氣污染。由于該系統(tǒng)采用太陽能設(shè)計(jì)，每年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約368.577千克，減少10.84噸二氧化硫排放，減少375.48千克二氧化碳排放，也對(duì)城市環(huán)境治理做出了較大貢獻(xiàn)。

五、結(jié)語

總體而言，智能太陽能噴霧防霾路燈具有以下優(yōu)勢(shì)：一是滿足一燈多用，且具備按需提供照明、高效節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)。如利用色溫監(jiān)測實(shí)現(xiàn)多種色溫照明變化，提升人體舒適度；二是滿足智能化數(shù)據(jù)采集與反饋，可以利用手機(jī)端APP進(jìn)行動(dòng)態(tài)管控，省時(shí)省心，維護(hù)便捷；三是具備噴霧防霾功能，利用內(nèi)置IC終端控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并滿足對(duì)色溫、霧、霾的監(jiān)控與處理。通過對(duì)智能太陽能路燈系統(tǒng)灑水除霾功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)具有節(jié)約用水、智能環(huán)保，抑塵除霾系統(tǒng)與照明系統(tǒng)可以分別獨(dú)立運(yùn)行，提升了系統(tǒng)可用性。如在灑水作業(yè)時(shí)，可以通過對(duì)車輛、行人的避讓增強(qiáng)除霾人性化水平，還可以通過遠(yuǎn)程登錄端進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測、報(bào)警記錄查看，以及遠(yuǎn)程PLC控制等功能，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡介：朱琳穎（1995-），女，陜西西安人，動(dòng)漫設(shè)計(jì)與制作專業(yè)，14級(jí)，研究方向：動(dòng)漫設(shè)計(jì)；王建飛（1996-），男，陜西銅川人，動(dòng)漫設(shè)計(jì)與制作專業(yè)，14級(jí)，研究方向：動(dòng)漫策劃；陳潤苗（1995-），女，陜西渭南人，動(dòng)漫設(shè)計(jì)與制作專業(yè)，14級(jí)，研究方向：動(dòng)漫設(shè)計(jì)；指導(dǎo)老師：趙紅飛（1979-），男，陜西咸陽人，講師，文藝學(xué)碩士，研究方向：影視策劃。