智能節(jié)能路燈設(shè)計(jì)

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。但是路燈在起著重要作用的同時，也在消耗著大量的能源。目前一般的傳統(tǒng)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(dá)到1000W以上。我們以一盞路燈200W來計(jì)算，一個晚上照明12個小時(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(shè)路燈之間的間距是20米，一條長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＝17.52萬度。

在一個城市中，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流量都比較小。特別是一些郊區(qū)和比較偏僻的路段，在半夜1點(diǎn)鐘以后，人流量和車流量一般非常少。但是即使沒有人或車經(jīng)過，這些路燈也是長期點(diǎn)亮的，這時電能就被白白浪費(fèi)掉了。很多路段真正有效的照明時間只占到整個照明時間的20%－30%，也就是說大部分電能被浪費(fèi)掉了。

如果有效照明時間是30%，那么一條街道浪費(fèi)的電能就有17.52×0.7＝12萬度。一個中等規(guī)模的城市這樣的街道可能就有100個以上，一個大城市往往有數(shù)百個這樣的街道，那么就是說一個城市每年在路燈上浪費(fèi)的電能就有數(shù)百到數(shù)千萬度以上?？紤]到全國有數(shù)百個大型城市，中小規(guī)模的城市更多，總的浪費(fèi)電能是非常巨大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，杭州市一年用于城市照明的費(fèi)用就高達(dá)3億元以上。如果我們采取一定的節(jié)能措施，比如說在沒有人和車經(jīng)過時自動關(guān)閉路燈，就可以收到明顯的節(jié)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，這無疑是非常有意義的。

目前常見的節(jié)能方式

目前路燈的主要節(jié)能技術(shù)有LED路燈、太陽能LED路燈等。

LED照明是一種較新的技術(shù)，它具有效率高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。一個LED路燈，如果要達(dá)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(tǒng)路燈的25%－40%。隨著技術(shù)的發(fā)展，LED已經(jīng)開始逐漸取代白熾燈，廣泛用于各種照明中，目前LED路燈已經(jīng)在一些大城市開始試用了。但是這種LED路燈只是提高了電能到光能的轉(zhuǎn)換效率，和傳統(tǒng)路燈一樣，仍然存在整體照明效率不高的問題。

目前還有一種太陽能方式的LED路燈，它在白天利用太陽能給蓄電池進(jìn)行充電，晚上利用電池驅(qū)動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，存在著成本高、功率?。炼鹊停?、維護(hù)量大、電池壽命短、可靠性差等缺點(diǎn)。完全使用太陽能，會造成一些情況下路燈無法使用的問題。所以太陽能路燈目前并沒有得到廣泛應(yīng)用。 還有一些城市在夜間為了節(jié)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(jié)約一半的電力消耗，但是也帶來不少隱患，如照明亮度降低，存在照明死角，容易造成交通事故。同時，另外一半的路燈仍然存在能源浪費(fèi)的問題，并沒有真正解決節(jié)能的問題。

智能節(jié)能路燈的原理

出于以上原因，我們設(shè)計(jì)了這樣一種高效率的智能節(jié)能路燈。它由兩個部分組成：節(jié)能控制和Zigbee控制。

節(jié)能控制
節(jié)能控制包含有下面兩個部分：

使用LED照明
使用LED作為路燈照明，比傳統(tǒng)的高壓鈉燈或高壓水銀燈有更高的效率，可以顯著節(jié)約能源。因?yàn)長ED是使用AD/DC穩(wěn)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)電壓波動的影響，這也可以提高照明的效率。而且傳統(tǒng)的高壓水銀燈和高壓鈉燈，因?yàn)樾枰A(yù)熱，啟動時間長，不適合頻繁的開關(guān)控制，所以不在考慮的范圍之內(nèi)。

智能感應(yīng)控制
當(dāng)有人或車輛經(jīng)過時，控制路燈自動控制打開路燈或者增強(qiáng)路燈的亮度；而在一段時間內(nèi)沒有人或車輛經(jīng)過，自動延時后關(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(dá)到節(jié)約能源的目的。 ZigBee無線控制
Zigbee是一種新興的無線控制技術(shù)，它具有可靠性高、抗干擾性能好、功耗低、自動路由等特點(diǎn)。在一般情況下，使用芯片自身的信號發(fā)射強(qiáng)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，而且路燈之間沒有障礙物，不會對無線信號造成阻擋。這使得在路燈管理中非常適合使用Zigbee技術(shù)。使用Zigbee無線通信，我們可以實(shí)現(xiàn)以下一些功能：

無線控制。通過Zigbee可以快速將路燈開關(guān)的控制信號從控制中心發(fā)送到整個路燈照明系統(tǒng)的每個節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)每個路燈的精確控制。
信號傳遞。將本路段人和車輛的情況傳遞到下一個路段，可以通知下一個路段提前點(diǎn)亮路燈。
快速巡檢。檢修人員可以不用對每個路燈逐一檢查維修，通過Zigbee在監(jiān)控中心就可以迅速查看每個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)時檢測，可以進(jìn)行故障預(yù)警，及時通知進(jìn)行維護(hù)。
傳遞一些輔助控制信號和監(jiān)視信號。使用Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳遞消息到一些戶外設(shè)備上，比如街頭文字廣告牌、出租車后的滾動消息、公共汽車運(yùn)行提示、交通情況監(jiān)視、重點(diǎn)路段噪聲監(jiān)視、空氣質(zhì)量監(jiān)視等，這比目前廣泛使用的GPRS或短信方式更加簡單可靠、成本低、數(shù)據(jù)量大。
交通燈智能管理。目前交通燈基本都是采用定時切換的工作方式，就是按一定時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(xiàn)有節(jié)能路燈基礎(chǔ)上，增加適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/傳感">傳感器，就可以判斷出每條道路上需要通過車輛的數(shù)量，再通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將各路口車輛數(shù)據(jù)匯總到交通燈中心的處理器上，根據(jù)每條道路的車流量，按照一定的算法就可以計(jì)算出最優(yōu)化的切換時間。這樣可以將車輛整體的排隊(duì)等待時間減少，提高道路的利用效率，同時減少了汽車因?yàn)榈却斐晌矚獾呐欧帕?，這也是一種環(huán)境保護(hù)的方式。

理論上一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以有65000個節(jié)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個節(jié)點(diǎn)。而一個路段的路燈總數(shù)一般不會超出1000（即使有超過的，也可以人為的劃分為多個小路段處理），正好適合。這樣每一條街道都是一個獨(dú)立的小ZigBee系統(tǒng)，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。對于每個路段，我們還設(shè)置Zigbee網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)包含兩個獨(dú)立的Zigbee系統(tǒng)，一個和本路段的Zigbee相連，另外一個和控制中心相連。和控制中心連接的部分使用外部功率放大器來增強(qiáng)發(fā)射功率，增加通信距離（目前有的廠家的ZigBee模塊可以達(dá)到數(shù)十公里的距離，完全可以滿足覆蓋一個城市的要求），這樣多個路段的ZigBee網(wǎng)關(guān)又組成一個大范圍的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能節(jié)能路燈使用了功能強(qiáng)大的MC9S08QE64單片機(jī)作為控制器，利用單片機(jī)自身集成的中斷、ADC、PWM等功能模塊，實(shí)現(xiàn)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(jī)連接。

LED驅(qū)動部分利用MC9S08單片機(jī)帶有的增強(qiáng)的TPM模塊來產(chǎn)生PWM信號，驅(qū)動多路白光LED進(jìn)行照明（使用多路LED是為了保證照明的亮度）。通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，就可以調(diào)整LED的亮度。同時對LED的電流和照明光強(qiáng)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輛的經(jīng)過，我們使用了紅外、壓力、振動、聲音等多種傳感器來感知人體和車輛的運(yùn)動，并綜合進(jìn)行判斷，這樣可以有效的檢測到人和車輛的經(jīng)過，同時減少了干擾信號對系統(tǒng)的影響。圖一顯示了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)框圖

紅外傳感器
當(dāng)人或車輛經(jīng)過時，會產(chǎn)生不可見的紅外信號。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輛的經(jīng)過。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
用于檢測車輛和人經(jīng)過時在地面產(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
有兩個作用，檢測環(huán)境光和檢測LED光強(qiáng)。在LED關(guān)閉時檢測環(huán)境光強(qiáng)度，在LED點(diǎn)亮?xí)r檢測LED發(fā)光亮度；當(dāng)LED老化導(dǎo)致發(fā)光亮度下降時可以產(chǎn)生一個調(diào)整信號，使得照明亮度不變。如果始終亮度不足，將產(chǎn)生一個告警信號，提示及時更換和維護(hù)。

振動傳感器
在車輛經(jīng)過時，會產(chǎn)生振動信號。檢測這個信號可以判斷是否有車輛經(jīng)過。

聲音傳感器
主要檢測車輛經(jīng)過時產(chǎn)生的噪聲。

因?yàn)閷?shí)際使用環(huán)境是非常復(fù)雜的，傳感器不但需要靈敏度高，還要有一定的感應(yīng)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(zhǔn)確的結(jié)果，有效的控制路燈狀態(tài)。