多功能智慧路燈的控制系統(tǒng)與設(shè)計(jì)

周啟沛，謝毓鴻

多功能智慧路燈的控制系統(tǒng)與設(shè)計(jì)

周啟沛，謝毓鴻

（武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中國(guó)城市規(guī)模也在快速擴(kuò)大，人口逐漸向城市集中，由此帶來(lái)的環(huán)境污染、交通堵塞等問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。針對(duì)一系列現(xiàn)有的城市問(wèn)題提出一種新型智慧燈桿的設(shè)計(jì)方案，在集綠化智能灌溉、空氣智能除霾、多功能端口等功能于一身的同時(shí)采用新能源風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電供能。同時(shí)根據(jù)燈桿安裝地點(diǎn)的不同，創(chuàng)新性提出了對(duì)燈桿集成的功能進(jìn)行可拆裝模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊在云技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)組成的智能工控系統(tǒng)調(diào)節(jié)下構(gòu)成智慧城市治理系統(tǒng)，以達(dá)到智能化節(jié)水、減排、除霾的節(jié)能減排效果。

智慧城市；智能除霾；集成控制；物聯(lián)網(wǎng)

2014-03中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014—2020）》《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中明確提出“推進(jìn)智慧城市建設(shè)”的目標(biāo)。報(bào)告中指出智慧城市的建設(shè)能有效推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施智能化，提升社會(huì)公共服務(wù)的水平，實(shí)現(xiàn)城市大數(shù)據(jù)的決策支持，是推動(dòng)城市現(xiàn)代化建設(shè)的主要?jiǎng)恿Α?/p>

當(dāng)前智慧城市的建設(shè)風(fēng)起云涌。國(guó)際上，歐盟制定了智慧城市建設(shè)框架[1]，美國(guó)提出了加強(qiáng)智慧型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和推動(dòng)智慧應(yīng)用項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃，韓國(guó)、日本先后推出建設(shè)智慧城市的國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃，中國(guó)超過(guò)300個(gè)城市相繼提出建設(shè)智慧城市的目標(biāo)[2]。但這些城市在信息化時(shí)代發(fā)展的過(guò)程中遇到了嚴(yán)重的信息資源難以互通、資源消化和環(huán)境惡化日趨嚴(yán)重、公共設(shè)施供給不足等問(wèn)題。這些問(wèn)題直接導(dǎo)致了中國(guó)智慧城市發(fā)展緩慢，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不充分，達(dá)不到“智慧”的要求。

路燈作為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要一環(huán)，既能為居民日常生活提供便利，也是城市現(xiàn)代化發(fā)展的一項(xiàng)標(biāo)志。本項(xiàng)目針對(duì)一系列現(xiàn)有的城市問(wèn)題提出一種新型智慧燈桿的設(shè)計(jì)方案，在集綠化智能灌溉、空氣智能除霾、多功能端口等功能于一身的同時(shí)采用新能源風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電供能。同時(shí)根據(jù)燈桿安裝地點(diǎn)的不同，創(chuàng)新性地提出了對(duì)燈桿集成的功能進(jìn)行可拆裝模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊在云技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)組成的智能工控系統(tǒng)調(diào)節(jié)下構(gòu)成智慧城市治理系統(tǒng)，以達(dá)到智能化節(jié)水、減排、除霾的節(jié)能減排效果。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

本裝置針對(duì)現(xiàn)有燈桿功能的局限性，以路燈燈桿為載體，基于云技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的智能工控系統(tǒng)研究，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套集綠化智能灌溉、空氣智能除霾、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電等功能于一體的智能燈桿智慧城市系統(tǒng)。

燈桿主要由頂部的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)、鑲嵌于燈帽上表面的太陽(yáng)能發(fā)電板、干濕方式結(jié)合的靜電除霾裝置、自適應(yīng)綠化灌溉裝置和智能控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成，燈桿整體結(jié)構(gòu)圖效果如圖1所示。

圖1 燈桿結(jié)構(gòu)效果圖

1.2 物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為單個(gè)燈桿的集成化功能設(shè)計(jì)與各燈桿交互網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。交互網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee低功耗無(wú)線(xiàn)控制協(xié)議，樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以街道最后一根燈桿為網(wǎng)關(guān)。系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)主要由STM32F429處理器、電磁閥、傳感器以及ZigBee模塊組成，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)通信，網(wǎng)關(guān)通過(guò)GPRS接入?yún)^(qū)域網(wǎng)和決策系統(tǒng)通信，組成信息網(wǎng)絡(luò)，主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量和土壤水分、傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù)、改善空氣質(zhì)量、灌溉綠化帶等功能，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 智能綠化灌溉模塊

智能綠化灌溉模塊在控制平臺(tái)的分析調(diào)控下，對(duì)綠植進(jìn)行科學(xué)有效的節(jié)水灌溉，系統(tǒng)主要由電磁閥、可調(diào)節(jié)霧化噴頭、增壓器組成。綠化灌溉裝置如圖3所示。

位于燈桿底部的自動(dòng)綠化灌溉系統(tǒng)通過(guò)土壤濕度傳感器、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)和電子控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的信息采集、傳遞、計(jì)算以及對(duì)管道中流水量的自動(dòng)控制。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

圖3 綠化灌溉裝置圖

由土壤濕度傳感器采集的信息通過(guò)信息無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)诫娮涌刂破脚_(tái)，電子控制平臺(tái)以模糊推理技術(shù)為根據(jù)計(jì)算出綠植的蒸散量和需水量，并控制管道中流水量的大小、通水噴淋時(shí)間和噴水方式。自動(dòng)灌溉系統(tǒng)還可以結(jié)合降水量、溫度、風(fēng)速、空氣相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)等氣象因素以及特定植物的生長(zhǎng)系數(shù)和當(dāng)?shù)赝寥罈l件進(jìn)行智能分析調(diào)控，從而進(jìn)行科學(xué)有效地進(jìn)行節(jié)水灌溉，保障植物的正常生長(zhǎng)。綠化灌溉模塊的整體控制如圖4所示。

圖4 綠化灌溉模塊的整體控制框圖

1.4 智能除霾模塊

空氣凈化系統(tǒng)采用干式凈化與濕式凈化相結(jié)合的方式對(duì)環(huán)境中的污染空氣進(jìn)行降塵、除塵，降低空氣中不可吸入顆粒物的濃度。空氣凈化系統(tǒng)根據(jù)氣象局結(jié)合自身傳感器識(shí)別的方式進(jìn)行環(huán)境信息的采集，數(shù)據(jù)處理后由系統(tǒng)控制器對(duì)空氣凈化系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制和調(diào)整。

1.4.1 干式除霾凈化模塊

干式凈化模塊主要由初效過(guò)濾器、活性炭、HEPA高效凈化器、抽風(fēng)機(jī)組成。

氣體通過(guò)小型大風(fēng)量抽風(fēng)機(jī)將外界的氣體吸入風(fēng)道，由不銹鋼濾網(wǎng)制成的初效過(guò)濾器能夠過(guò)濾掉大氣中粒徑較大的顆粒物，減少大粒徑顆粒物對(duì)裝置本身的損害。活性炭、HEPA高效凈化器內(nèi)包含了活性炭濾層和HEPA濾層，該裝置能夠清除經(jīng)過(guò)初效過(guò)濾器后氣體中絕大部分的不可吸入顆粒物，干式凈化模塊裝置如圖5所示。

圖5 干式除霾模塊裝置圖

干式凈化裝置在積塵過(guò)多以至于影響裝置正常工作時(shí)可由人工進(jìn)行拆卸、清理和安裝。當(dāng)空氣質(zhì)量狀況達(dá)到輕度或中度污染時(shí)（空氣質(zhì)量指數(shù)為100～200），空氣凈化系統(tǒng)啟用干式空氣凈化裝置對(duì)環(huán)境進(jìn)行凈化，直至系統(tǒng)收到空氣質(zhì)量指數(shù)小于等于90的停止信息。

1.4.2 濕式除霾凈化模塊

濕式凈化裝置主要由環(huán)形霧化噴頭、電磁閥、水磁化器和增壓器組成。

環(huán)形霧化噴頭由不銹鋼制成，有較強(qiáng)的耐腐蝕性，其能夠調(diào)節(jié)噴口的大小改變水的流量。管道內(nèi)由磁化器磁化后的自來(lái)水經(jīng)增壓后，以水霧的形態(tài)噴出對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行噴灑降塵。裝置中電磁閥開(kāi)關(guān)由系統(tǒng)自動(dòng)控制。

當(dāng)系統(tǒng)收到空氣質(zhì)量狀況為重度污染或嚴(yán)重污染的信息時(shí)（空氣質(zhì)量指數(shù)大于200）[3]，空氣凈化系統(tǒng)同時(shí)啟用濕式凈化裝置和干式凈化裝置對(duì)環(huán)境中的污染氣體進(jìn)行凈化；當(dāng)空氣質(zhì)量指數(shù)小于等于190時(shí)，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉濕式凈化裝置。另外，當(dāng)系統(tǒng)收到外界環(huán)境正在降雨或風(fēng)速較大（風(fēng)速大于5.5 m/s）的信息時(shí)[4]，濕式凈化模塊也會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。圖6為濕式除霾凈化模塊裝置圖。

圖6 濕式除霾凈化模塊裝置圖

2 理論計(jì)算及仿真分析

2.1 除霾效果實(shí)驗(yàn)

2.1.1 系統(tǒng)阻力計(jì)算

用截面20 cm×20 cm風(fēng)道模型進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，風(fēng)道內(nèi)有初效過(guò)濾器、中效過(guò)濾器、活性炭和HEPA高效過(guò)濾器，實(shí)驗(yàn)得到系統(tǒng)總阻力1為198.69 Pa。

選用風(fēng)機(jī)為SAFD-100靜音斜流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)

型號(hào)電壓/V功率/W轉(zhuǎn)速/（r·min-1）風(fēng)量/（m3·h-1）靜壓/Pa噪聲/dB SAFD-100220502 80078025026

2.1.2 凈化區(qū)域面積

每套系統(tǒng)中有1臺(tái)風(fēng)機(jī)，凈化速率=780/3 600= 0.22 m3/s。由于對(duì)人體有害的污染氣體主要分布在0.5～2 m的高度范圍內(nèi)，因此假設(shè)凈化空間是一個(gè)高1.5 m的圓柱空間，1.5×∏×2=0.22。可得每秒凈化半徑=0.22 m，每秒凈化直徑=2=0.44 m。

本系統(tǒng)實(shí)際凈化過(guò)程中，不斷地凈化污染氣體，排出干凈的空氣。新鮮空氣又不斷與周?chē)諝鈸交欤M(jìn)行物質(zhì)交換，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的復(fù)雜過(guò)程，此處進(jìn)行如下離散簡(jiǎn)化：①二維平面上每個(gè)方向上凈化情況完全一樣；②假設(shè)風(fēng)速為0.44 m/s，0.44 m為一個(gè)單位長(zhǎng)度，直徑0.44 m、高1.5 m的圓柱空間為一個(gè)單位空間；③每一秒時(shí)間內(nèi)都相繼發(fā)生三個(gè)過(guò)程，即凈化、移動(dòng)、摻混。

系統(tǒng)的除霾目標(biāo)是將以它為中心的直徑0.44 m、高 1.5 m的圓柱單位空間內(nèi)的污染物濃度降為0。移動(dòng)指每個(gè)單位空間的氣體移動(dòng)到下一個(gè)單位空間所在位置上。摻混指每個(gè)單位空間的氣體都與上一個(gè)每個(gè)單位空間的氣體發(fā)生物質(zhì)交換，污染物濃度都變成兩者平均濃度。

假設(shè)污染物初始濃度為200（四級(jí)中度污染），用 EXCEL進(jìn)行迭代計(jì)算，1 min后，污染物濃度低于100（二級(jí)良）的區(qū)域?yàn)?2個(gè)單位，折合凈化直徑18.48 m。

2.1.3 濕式凈化器凈化效率實(shí)驗(yàn)

磁化水進(jìn)行降塵實(shí)驗(yàn)，分析降塵效率。設(shè)定實(shí)驗(yàn)水流量為10 L/min噴水降塵的時(shí)間為70 s，所用的粉塵為煤粉、粉塵濃度為10 mg/m3。

實(shí)驗(yàn)儀器：智能磁化細(xì)水霧降塵裝置，激光粉塵檢測(cè)儀，產(chǎn)塵器和揚(yáng)塵器，空氣壓縮機(jī)。

實(shí)驗(yàn)步驟：取一定量的煤粉，放入產(chǎn)塵器漏斗中讓其自由下落，打開(kāi)揚(yáng)塵器往實(shí)驗(yàn)室里吹粉塵，用粉塵檢測(cè)儀檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室里的粉塵達(dá)到設(shè)定濃度時(shí)，減少產(chǎn)塵的量，以維持粉塵濃度的穩(wěn)定，打開(kāi)水箱閥門(mén)，智能磁化細(xì)水霧降塵裝置的噴頭開(kāi)始噴水，產(chǎn)生水霧，記錄數(shù)據(jù)，直到停止實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)所得磁化水降塵效果曲線(xiàn)如圖7所示。

除塵效率計(jì)算公式為：

式（1）中：η為除塵效率；c1為初始粉塵濃度；c2為采用降塵措施后的粉塵濃度。

2.2 綠化噴灌理論分析

2.2.1 蒸散量的計(jì)算

利用MATLAB的ANFIS工具在植物蒸散量的4個(gè)主要影響因素中選取2個(gè)誤差最小的主要因素：日照時(shí)數(shù)和風(fēng) 速[5]。以往年的日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速數(shù)據(jù)為樣本，在7個(gè)隸屬函數(shù)中選取誤差最小的廣義鐘型隸屬函數(shù)（gbellmf）并變換多次隸屬函數(shù)的個(gè)數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得知2個(gè)輸入變量的隸屬函數(shù)均為5個(gè)時(shí)誤差最小。利用MATLAB的ANFIS工具進(jìn)行自適應(yīng)的模糊推理，其中輸入變量為2018年的日照時(shí)數(shù)和風(fēng) 速[6]，2個(gè)輸入變量的隸屬函數(shù)均設(shè)置為5個(gè)廣義鐘型隸屬 函數(shù)。

模糊規(guī)則建立如圖8所示，輸入每日的日照時(shí)數(shù)以及風(fēng)速可以得到每日植物的蒸散量，再將此量乘以同樣用ANFIS工具模糊推理出的每日作物系數(shù)，即可得到每日特定植物的蒸散量。

圖8 蒸散量模糊規(guī)則建立圖

2.2.2 噴灑量的確定

為充分考慮蒸散量、降水和根系生長(zhǎng)影響因素，本項(xiàng)目中設(shè)定灌水量等于灌水定額與灌水系數(shù)、根部保護(hù)系數(shù)和降水限制系數(shù)的乘積。

灌水系數(shù)的模糊推理。土壤有效水含量為計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤干容重1.3 g/cm3、土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度30 cm以及土壤含水率[0.21，0.3]的乘積，結(jié)果為[82，117]。

由2.2.1可知蒸散量范圍為[0，12]。灌水系數(shù)1模糊推理系統(tǒng)以土壤含水量以及蒸散量為輸入變量，輸入隸屬函數(shù)為三角型函數(shù)，輸出為高斯隸屬函數(shù)，輸入語(yǔ)言變量劃分為5個(gè)，輸出劃分為6個(gè)，模糊規(guī)則表如表2所示。

表2 模糊規(guī)則表

蒸散量土壤含水量 VLLMHVH VLHLVLVLVL LMHLVLVLVL MMHHMLVLVL HVHMHMLVLVL VHVHVHLMLVL

編寫(xiě)灌水量程序。當(dāng)灌水系數(shù)乘以灌水定額小于一確定閾值時(shí)，置根部保護(hù)系數(shù)為0，否則為1。當(dāng)天氣預(yù)報(bào)顯示有降雨時(shí)，置降水系數(shù)為0，否則為1。由于每日的土壤含水量數(shù)據(jù)不便于采集，這里采用水量平衡法估算每日的土壤含水量，編寫(xiě)算法程序，得到2018年灌水期共275 d內(nèi)的灌水量柱狀圖，如圖9所示，其中黑色為灌水量，灰色為降水量，總灌水量為465 mm。

圖9 2018年灌溉期灌水量柱狀圖

2.3 風(fēng)光互補(bǔ)理論分析

2.3.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

基于本作品特性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)選用螺旋形垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。該風(fēng)力發(fā)電機(jī)較水平軸風(fēng)機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速低，占據(jù)位置小，對(duì)于外界風(fēng)向及風(fēng)速變化適應(yīng)性更強(qiáng)。

式（2）（3）中：為風(fēng)機(jī)的輸出功率；P為風(fēng)輪的功率系數(shù)；為空氣密度；為風(fēng)輪掃掠面積；為風(fēng)速；為風(fēng)輪半徑。

以武漢市為例，離地高10 m處年均風(fēng)速為3.56~ 3.60 m/s，取3.60 m/s計(jì)算[7]，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的平均有效功率=126 W。

2.3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

本作品所設(shè)計(jì)的光伏系統(tǒng)采用Sunpower24 V半柔性太陽(yáng)能電池板，鋪設(shè)面積為0.87 m2。在實(shí)際光照及溫度條件下，發(fā)電功率約為81 W。太陽(yáng)能電池板的額定功率1為0.10～0.12 kW/m2，光伏陣列額定功率=1×，其中為布置的太陽(yáng)能電池板的面積。

據(jù)計(jì)算，太陽(yáng)能電池板發(fā)電功率=1×=90 W。

以武漢市為例，年平均日輻射量為11.768 kW/m2，光伏陣列到負(fù)載的效率為0.85，即光伏陣列有效功率=×= 83 W。

3 節(jié)能減排效益評(píng)估

3.1 減排效益評(píng)估

以一根智能燈桿為評(píng)估對(duì)象，該燈桿運(yùn)行一年的發(fā)電量約為1 830 kW·h。

根據(jù)國(guó)家碳排放計(jì)算器提供的資料，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中1 t無(wú)煙煤燃燒后排放二氧化碳質(zhì)量2約為3 117 kg，因此可計(jì)算本作品可減少二氧化碳排放量2，2計(jì)算公式為2=21，可得單臺(tái)裝置一年可減少二氧化碳排放量約1.7×106t。

3.2 節(jié)水效益評(píng)估

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.1.4條，可推算出處于相對(duì)干旱地區(qū)的北京市市政綠化灑水年用水量的日平均值為2～3.0 mm。465÷275÷2=84%，465÷275÷3=56%，因此采用可以節(jié)約的水量為16%～44%。

2019年北京市道路綠化帶綠化面積約為1.2億平方米，總用水量為24～36萬(wàn)噸，至少可節(jié)約3.84萬(wàn)噸水。

3.3 節(jié)能減排效益總結(jié)

綜上所述，單臺(tái)本作品所述裝置功率可達(dá)209 W，一年即可節(jié)約煤炭0.66 t，減少二氧化碳排放2.06 t。綠化灌溉系統(tǒng)一年可為北京市節(jié)約澆灌用水3.84萬(wàn)噸，在霧霾天氣中能在3～5 min內(nèi)有效去除20 m范圍內(nèi)的霧霾顆粒，節(jié)能減排效益凸顯。

4 總結(jié)

以燈桿為載體，在上方模塊化安裝綠化噴灌系統(tǒng)、除霾裝置和風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模塊，可在一定程度上為城市的除霾、灌溉工程提供便利，同時(shí)為城市居民的生活帶來(lái)極大的便利。按照現(xiàn)如今的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)家對(duì)環(huán)境的保護(hù)越來(lái)越重視、城市智能化程度越來(lái)越高，未來(lái)智慧路燈的規(guī)模將會(huì)越來(lái)越大，運(yùn)維的難度也將增大，本系統(tǒng)將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

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TU113.6+66

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.007

2095－6835（2020）14－0023－04

周啟沛（1999—），男，湖北鐘祥人，本科在讀，輪機(jī)工程專(zhuān)業(yè)。

〔編輯：王霞〕