一種路燈節能控制系統的研究

張雨 陳大志 吳杭頤 陳志剛

摘要：針對夜晚人流量較少的地區，路燈通宵長亮造成能源浪費的現狀，本文設計了一種路燈節能控制系統。該系統由路況檢測模塊、中央處理模塊、無線通信模塊等部分構成，遵循“車來前方燈變亮，車走后方燈變暗”的控制模式，利用組網通信技術，實現區域內路燈的互相通信，各自以最合適的亮度工作，以提高路燈的利用效率。經過路燈節能模型分析，該系統節能效果顯著。

基金：2019年度國家級大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號：201910459041

關鍵詞：路燈，節能控制，單片機

0前言

近年來，國家大力發展節能減排產業，建設低能耗環保經濟。路燈作為一項重要公共設施，占據的能源與經濟支出不可忽視。目前大多數城市仍使用傳統的路燈控制系統，通宵高亮度照明，造成了不必要的電能浪費。因此，本文將針對夜晚人流量較為稀少的地區，如鄉鎮、郊區、工業園區等地，設計一種智能的路燈節能控制系統，以提高能源利用率。

1系統總體方案設計

路燈控制系統由路況檢測模塊、單片機、燈光亮度調節模塊和無線通信模塊等組成，控制方案如圖1所示。通過無線通信模塊，可以接收和發送數據到控制端。路況檢測模塊檢測物體和物體的移動速度，并把數據傳輸到中央處理器（單片機）。中央處理器對信號和數據進行處理，再根據程序控制燈光亮度調節模塊，自動調節路燈的亮度。

2硬件電路設計

2.1硬件電路示意圖

電路結構如圖2所示，控制芯片采用STC51系列單片機，通信模塊選用NRF24L01 2.4G單片收發芯片，與路況檢測模塊、電源電路以及路燈連接組成。

2.2路況檢測模塊

路況檢測模塊用于檢測道路上是否有車輛行人通過，其檢測距離較遠，對檢測時間的要求較高，同時為了降低成本，故選用激光測距模塊，并采用脈沖法測量。由激光發射系統發出一個持續時間極短的脈沖激光，經過待測距離之后，被目標物體反射，回波信號被激光接收系統中的光電探測器接收，時間間隔電路通過計算激光發射和回波信號到達之間的時間，得出目標物體與發射出的距離（為光速）。

2.3燈光控制模式

本設計采用直流PWM調壓模塊實現燈光的亮度調節。輸入為220V直流電壓，通過單片機輸出不同占空比的PWM信號以調節輸出電壓的大小，得到5V-60V的直流輸出電壓，進而實現燈光的亮度調節。

3系統軟件設計

通過路況檢測模塊的響應，可以配合無線通信模塊，根據一定的程序實現路燈之間的聯動，以及路燈亮度的調節。根據每兩盞路燈檢測到車輛（行人）的時間差，可以得到車輛（行人）的移動速度，進而調整前方一定范圍內的路燈亮度，車輛（行人）經過后，路燈恢復最低亮度初始值。

3.1移動目標速度檢測算法

具體實現方法如下：設定每兩盞路燈之間的距離為Li，以路燈為節點，當收到上一節點發送的移動信息時，本節點清零當前模塊的移動目標累積計時時間，Tb=0;并開始計時。當本節點路況檢測模塊檢測到移動目標時，記錄Tb=t;設定計時最小門限Tmin和最大門限Tmax，根據以下檢測規則計算移動目標的移動速度：TbTmax時，移動目標速度為V=0，從而避開干擾信號。否則，V=Li/Tb。

3.2燈光亮度調整增量算法

當前節點路燈與上一節點路燈之間的距離為Li，獲得移動目標從上一節點到本節點的時間差Ti，Ti=Li/Vi，對Ti進行判定，設定路燈全亮亮度為Lux_max，最小值Lux_min，單位時間亮度增量為Lux_zl，當前亮度為Lux_now。Ti≤Tmin時，路燈進入全亮狀態，Lux_now=Lux_max，Ti>Tmax時，路燈進入設定的最低亮度狀態Lux_now=Lux_min，否則，按照路燈照度的比例，獲得單位時間路燈的亮度增量值Lux_zl=（Lux_max- Lux_now）/Ti。

3.3燈光亮度調整減量算法

根據移動目標的速度，查詢臨近節點的距離L，計算移動目標到達下一節點的時間Tp=2*L/（3*V）;以Lux_zl=（Lux_max- Lux_min）/Tp的遞減光照度進行路燈的逐漸減滅，也可以采用非線性增量進行減滅操作，直至恢復路燈亮度初始值。

4節能效果評估

通過建立路燈節能控制系統能耗模型，可以估算出本文所述路燈節能控制系統的效能及效益。首先假設在1KM長的試驗道路上安裝本文所述控制系統的路燈，道路兩邊分別以50m間隔一個路燈，共計42盞路燈。

設定一個節能率指標以評價節能率，對節能率指標作以下定義：

5結論

本文通過對系統的控制方案設計、軟硬件設計討論了一種節能路燈控制系統的模型，以提高路燈利用效率。本文設計的路燈節能控制系統硬件電路可靠性高，成本較低;軟件算法效率高，可移植性強。經過節能模型計算，該系統節能效率高，經濟效益顯著。

參考文獻

[1]張偉，楊森林.基于單片機控制的智能路燈控制系統設計[J].現代電子技術，2018，41（14）：110-113.

[2]李超，姚冰瑩，聶軍.一種智能路燈照明控制系統的設計與實現[J].工業控制計算機，2016，29（12）：55-56+58.

[3]王正，王洪誠，傅磊.基于單片機的智能型節能路燈控制系統[J].電氣技術，2014（10）：55-58.