智能節能路燈設計

　　路燈是城市照明工程的主要組成部分，在夜晚，路燈的照明起到非常重要的作用。但是路燈在起著(zhù)重要作用的同時(shí)，也在消耗著(zhù)大量的能源。目前一般的傳統路燈，主要是高壓鈉燈，一盞路燈的功率約為100W-400W，一些大型路燈功率可以達到1000W以上。我們以一盞路燈200W來(lái)計算，一個(gè)晚上照明12個(gè)小時(shí)(從晚上7點(diǎn)到第二天早上7點(diǎn))，那么一盞路燈就要消耗200×12/1000 = 2.4度電能。假設路燈之間的間距是20米，一條長(cháng)2公里的街道就有2×2000/20 = 200盞路燈(道路兩邊各有一盞路燈，所以要乘2)，那么這條街道一晚上消耗的電能就有200×2.4 = 480度，1年消耗的電能是480×365=17.52萬(wàn)度。

　　在一個(gè)城市中，除了主干道外，還有很多次干道和小的路段，這些街道在夜晚的人流量和車(chē)流量都比較小。特別是一些郊區和比較偏僻的路段，在半夜1點(diǎn)鐘以后，人流量和車(chē)流量一般非常少。但是即使沒(méi)有人或車(chē)經(jīng)過(guò)，這些路燈也是長(cháng)期點(diǎn)亮的，這時(shí)電能就被白白浪費掉了。很多路段真正有效的照明時(shí)間只占到整個(gè)照明時(shí)間的20%-30%，也就是說(shuō)大部分電能被浪費掉了。

　　如果有效照明時(shí)間是30%，那么一條街道浪費的電能就有17.52×0.7=12萬(wàn)度。一個(gè)中等規模的城市這樣的街道可能就有100個(gè)以上，一個(gè)大城市往往有數百個(gè)這樣的街道，那么就是說(shuō)一個(gè)城市每年在路燈上浪費的電能就有數百到數千萬(wàn)度以上?？紤]到全國有數百個(gè)大型城市，中小規模的城市更多，總的浪費電能是非常巨大的。據統計，杭州市一年用于城市照明的費用就高達3億元以上。如果我們采取一定的節能措施，比如說(shuō)在沒(méi)有人和車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)自動(dòng)關(guān)閉路燈，就可以收到明顯的節能效果。在能源日益緊張的今天，特別是很多城市存在電力不足的矛盾，這無(wú)疑是非常有意義的。

　　目前常見(jiàn)的節能方式

　　目前路燈的主要節能技術(shù)有LED路燈、太陽(yáng)能LED路燈等。

　　LED照明是一種較新的技術(shù)，它具有效率高、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)LED路燈，如果要達到和普通的高壓鈉燈和高壓水銀燈那樣的亮度，大約需要消耗的40W以上功耗，只有傳統路燈的25%-40%。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，LED已經(jīng)開(kāi)始逐漸取代白熾燈，廣泛用于各種照明中，目前LED路燈已經(jīng)在一些大城市開(kāi)始試用了。但是這種LED路燈只是提高了電能到光能的轉換效率，和傳統路燈一樣，仍然存在整體照明效率不高的問(wèn)題。

　　目前還有一種太陽(yáng)能方式的LED路燈，它在白天利用太陽(yáng)能給蓄電池進(jìn)行充電，晚上利用電池驅動(dòng)LED照明。這種方式雖然不需要交流供電，但是它的缺點(diǎn)很多，存在著(zhù)成本高、功率小(亮度低)、維護量大、電池壽命短、可靠性差等缺點(diǎn)。完全使用太陽(yáng)能，會(huì )造成一些情況下路燈無(wú)法使用的問(wèn)題。所以太陽(yáng)能路燈目前并沒(méi)有得到廣泛應用。 還有一些城市在夜間為了節約路燈照明使用的電能，采樣了間隔照明的方式，即每隔一盞路燈就關(guān)閉一盞，也就是關(guān)閉一半的路燈。雖然這樣可以節約一半的電力消耗，但是也帶來(lái)不少隱患，如照明亮度降低，存在照明死角，容易造成交通事故。同時(shí)，另外一半的路燈仍然存在能源浪費的問(wèn)題，并沒(méi)有真正解決節能的問(wèn)題。

　　智能節能路燈的原理

　　出于以上原因，我們設計了這樣一種高效率的智能節能路燈。它由兩個(gè)部分組成：節能控制和Zigbee控制。

　　節能控制

　　節能控制包含有下面兩個(gè)部分：

　　使用LED照明

　　使用LED作為路燈照明，比傳統的高壓鈉燈或高壓水銀燈有更高的效率，可以顯著(zhù)節約能源。因為L(cháng)ED是使用AD/DC穩壓后供電的，允許較寬的電源輸入范圍，照明效率不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，這也可以提高照明的效率。而且傳統的高壓水銀燈和高壓鈉燈，因為需要預熱，啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)，不適合頻繁的開(kāi)關(guān)控制，所以不在考慮的范圍之內。

　　智能感應控制

　　當有人或車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，控制路燈自動(dòng)控制打開(kāi)路燈或者增強路燈的亮度;而在一段時(shí)間內沒(méi)有人或車(chē)輛經(jīng)過(guò)，自動(dòng)延時(shí)后關(guān)閉路燈或者減弱路燈亮度，這樣就可以最大限度的提高路燈的照明效率，達到節約能源的目的。 ZigBee無(wú)線(xiàn)控制

　　Zigbee是一種新興的無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)，它具有可靠性高、抗干擾性能好、功耗低、自動(dòng)路由等特點(diǎn)。在一般情況下，使用芯片自身的信號發(fā)射強度，信號可靠的傳遞距離為40-100米。路燈的間距一般都在20-30米，而且路燈之間沒(méi)有障礙物，不會(huì )對無(wú)線(xiàn)信號造成阻擋。這使得在路燈管理中非常適合使用Zigbee技術(shù)。使用Zigbee無(wú)線(xiàn)通信，我們可以實(shí)現以下一些功能：

　　無(wú)線(xiàn)控制。通過(guò)Zigbee可以快速將路燈開(kāi)關(guān)的控制信號從控制中心發(fā)送到整個(gè)路燈照明系統的每個(gè)節點(diǎn)，可以實(shí)現每個(gè)路燈的精確控制。

　　信號傳遞。將本路段人和車(chē)輛的情況傳遞到下一個(gè)路段，可以通知下一個(gè)路段提前點(diǎn)亮路燈。

　　快速巡檢。檢修人員可以不用對每個(gè)路燈逐一檢查維修，通過(guò)Zigbee在監控中心就可以迅速查看每個(gè)路燈的工作狀況以及歷史工作情況。并且利用路燈中帶有的傳感器實(shí)時(shí)檢測，可以進(jìn)行故障預警，及時(shí)通知進(jìn)行維護。

　　傳遞一些輔助控制信號和監視信號。使用Zigbee網(wǎng)絡(luò )傳遞消息到一些戶(hù)外設備上，比如街頭文字廣告牌、出租車(chē)后的滾動(dòng)消息、公共汽車(chē)運行提示、交通情況監視、重點(diǎn)路段噪聲監視、空氣質(zhì)量監視等，這比目前廣泛使用的GPRS或短信方式更加簡(jiǎn)單可靠、成本低、數據量大。

　　交通燈智能管理。目前交通燈基本都是采用定時(shí)切換的工作方式，就是按一定時(shí)間間隔輪流改變交通燈的狀態(tài)，這種方式效率很低。如果在現有節能路燈基礎上，增加適當的傳感器，就可以判斷出每條道路上需要通過(guò)車(chē)輛的數量，再通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò )將各路口車(chē)輛數據匯總到交通燈中心的處理器上，根據每條道路的車(chē)流量，按照一定的算法就可以計算出最優(yōu)化的切換時(shí)間。這樣可以將車(chē)輛整體的排隊等待時(shí)間減少，提高道路的利用效率，同時(shí)減少了汽車(chē)因為等待造成尾氣的排放量，這也是一種環(huán)境保護的方式。

　　理論上一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò )可以有65000個(gè)節點(diǎn)，但是實(shí)際使用中，考慮到速度和其他因素，一般的Zigbee網(wǎng)絡(luò )可以有1000個(gè)節點(diǎn)。而一個(gè)路段的路燈總數一般不會(huì )超出1000(即使有超過(guò)的，也可以人為的劃分為多個(gè)小路段處理)，正好適合。這樣每一條街道都是一個(gè)獨立的小ZigBee系統，同一街道的路燈之間可以進(jìn)行通信，傳遞信息，而不同街道的路燈之間是不直接聯(lián)系的，互不干擾。對于每個(gè)路段，我們還設置Zigbee網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)包含兩個(gè)獨立的Zigbee系統，一個(gè)和本路段的Zigbee相連，另外一個(gè)和控制中心相連。和控制中心連接的部分使用外部功率放大器來(lái)增強發(fā)射功率，增加通信距離(目前有的廠(chǎng)家的ZigBee模塊可以達到數十公里的距離，完全可以滿(mǎn)足覆蓋一個(gè)城市的要求)，這樣多個(gè)路段的ZigBee網(wǎng)關(guān)又組成一個(gè)大范圍的ZigBee網(wǎng)絡(luò )。

　　無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )結構圖

　　系統結構

　　智能節能路燈使用了功能強大的MC9S08QE64單片機作為控制器，利用單片機自身集成的中斷、ADC、PWM等功能模塊，實(shí)現了環(huán)境信號檢測、LED控制、ZigBee通信等多種功能。Zigbee部分使用了MC13202作為控制芯片，使用SPI接口和單片機連接。

　　LED驅動(dòng)部分利用MC9S08單片機帶有的增強的TPM模塊來(lái)產(chǎn)生PWM信號，驅動(dòng)多路白光LED進(jìn)行照明(使用多路LED是為了保證照明的亮度)。通過(guò)調節PWM信號的占空比，就可以調整LED的亮度。同時(shí)對LED的電流和照明光強進(jìn)行檢測，并反饋到PWM控制中，這樣可以保證照明的亮度。

　　為了可靠的檢測到人或者車(chē)輛的經(jīng)過(guò)，我們使用了紅外、壓力、振動(dòng)、聲音等多種傳感器來(lái)感知人體和車(chē)輛的運動(dòng)，并綜合進(jìn)行判斷，這樣可以有效的檢測到人和車(chē)輛的經(jīng)過(guò)，同時(shí)減少了干擾信號對系統的影響。圖一顯示了整個(gè)系統的結構。

　　系統框圖

　　紅外傳感器

　　當人或車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì )產(chǎn)生不可見(jiàn)的紅外信號。利用集成了菲利爾透鏡的紅外傳感器，就可以有效的檢測出有人或車(chē)輛的經(jīng)過(guò)。目前使用的紅外傳感器有效的檢測距離是8-10米。

　　壓力傳感器

　　用于檢測車(chē)輛和人經(jīng)過(guò)時(shí)在地面產(chǎn)生的壓力，壓力傳感器分布在道路的主要位置的路面下。

　　光敏傳感器

　　有兩個(gè)作用，檢測環(huán)境光和檢測LED光強。在LED關(guān)閉時(shí)檢測環(huán)境光強度，在LED點(diǎn)亮時(shí)檢測LED發(fā)光亮度;當LED老化導致發(fā)光亮度下降時(shí)可以產(chǎn)生一個(gè)調整信號，使得照明亮度不變。如果始終亮度不足，將產(chǎn)生一個(gè)告警信號，提示及時(shí)更換和維護。

　　振動(dòng)傳感器

　　在車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)信號。檢測這個(gè)信號可以判斷是否有車(chē)輛經(jīng)過(guò)。

　　聲音傳感器

　　主要檢測車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的噪聲。

　　因為實(shí)際使用環(huán)境是非常復雜的，傳感器不但需要靈敏度高，還要有一定的感應距離(》10米)。使用單一的傳感器很難兼顧各種情況，很容易造成一些錯誤判斷。綜合多個(gè)傳感器的信號，并按照一定的算法進(jìn)行綜合判斷，這樣可以得到比較準確的結果，有效的控制路燈狀態(tài)。