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新型智能节能路灯的设计
作者:管理员    发布于:2016-02-24 08:37:20    文字:【】【】【

  飞思卡尔FTF"绿色"设计应用大赛中国站获奖论文新型智能节能路灯的设计北京矿通信息技术有限公司武汉研发部邵子扬路灯是城市照明工程的主要组成部分,它在起着重要作用的同时,也在消耗着大量的能源。传统路灯主要是高压钠灯,一盏路灯的功率约为100W~400W,―些大型路灯甚至可以达到1000W以上。以一盏路灯200W来计算,一个晚上照明12小时(从晚上7点到第二天早上7点),那么一盏路灯就要消耗200X12/1000 =2.4度电能。假设路灯之间的间距是20米,一条长2公里的街道就有2X2000/20=200盏路灯(道路两边各有一盏路灯,所以要乘2),那么这条街道一晚上消耗的电能就有200X2.4=480度,1年消耗的电能是480X365=17.52万度。

  在一个城市中,除了主干道外,还有很多次干道和小的路段,这些街道在夜晚的人流量和车流量都比较小。特别是一些郊区和比较偏僻的路段,在半夜1点钟以后,人流量和车流量一般非常少。但是即使没有人或车经过,这些路灯也是长期点亮的,这时电能就被白白浪费掉了。很多路段真正有效的照明时间只占到整个照明时间的20~30,也就是说大部分电能被浪费掉了。

  如果有效照明时间是30,那么一条街道浪费的电能就有17.52X0.7=12万度。一个中等规模的城市这样的街道可能就有100个以上,一个大城市往往有数百条这样的街道,那么就是说一个城市每年在路灯上浪费的电能就有数百到数千万度以上。考虑到全国有数百个大型城市,中小规模的城市更多,浪费的电能总量是非常巨大的。据统计,杭州市一年用于城市照明的费用就高达3亿元以上。如果采取一定的节能措施,比如说在没有人和车经过时自动关闭路灯,就可以得到明显的节能效果。在能源日益紧张的今天,特别是很多城市存在电力不足的矛盾,这方面的研究无疑是非常有意义的。

  目前常见的节能方式目前路灯的主要节能技术有LED路灯、太阳能LED路灯等。

  LED照明是一种较新的技术,它具有效率高、使用寿命长等优点。

  一个LED路灯,如果要达到和普通的高压钠灯和高压水银灯那样的亮度,大约需要消耗40W以上的功耗,只有传统路灯的25~40.随着技术的发展,LED已经开始逐渐取代白炽灯,广泛用于各种照明中,目前LED路灯己经在一些大城市开始试用了。但是这种LED路灯只是提高了电能到光能的转换效率,和传统路灯一样,仍然存在整体照明效率不高的问题。

  目前还有一种太阳能方式的LED路灯,它在白天利用太阳能给蓄电池进行充电,晚上利用电池驱动LED照明。这种方式虽然不需要交流供电,但是缺点很多,存在着成本高、功率小(亮度低)、维护量大、电池寿命短、可靠性差等缺点。完全使用太阳能,会造成一些情况下路灯无法使用的问题。所以太阳能路灯目前并没有得到广泛应用。

  还有一些城市在夜间采取了间隔照明的方式,即每隔一盏路灯就关闭一盏,也就是关闭一半的路灯。

  虽然这样可以节约一半的电力消耗,但是也带来不少隐患,如照明亮度降低,存在照明死角,容易造成交通事故。同时,另外一半的路灯仍然存在能源浪费的问题,并没有真正解决节能的问题。

  智能节能路灯的原理基于以上原因,本文设计了这样一种高效率的智能节能路灯,它由两部分组成:节能控制和ZigBee控制。

  节能控制包含有下面两部分:传统的高压钠灯或高压水银灯有更高的效率,可以显著节约能源。因为LED是使用AD/DC稳压后供电的,允许较宽的电源输入范围,照明效率不受电网电压波动的影响,这飞思卡尔FTF"绿色"设计应用大赛中国站获奖论文也可以提高照明的效率。而且传统的高压水银灯和高压钠灯,因为需要预热,启动时间长,不适合频繁的开关控制,所以不在考虑范围之内。

  当有人或车辆经过时,控制路灯自动控制打开路灯或者增强路灯的亮度;而在一段时间内没有人或车辆经过,自动延时后关闭路灯或者减弱路灯亮度,这样就可以大限度地提高路灯的照明效率,达到节约能源的目的。

  ZigBee是一种新兴的无线控制技术,它具有可靠性高、抗干扰性能好、功耗低等特点。在一般情况下,使用芯片自身的信号发射强度,可靠的传递距离为40~100米。路灯的间距一般都在20~30米,而且路灯之间没有障碍物,不会对无线信号造成阻挡。这使得在路灯管理中非常适合使用ZigBee技术。使用ZigBee无线通信,可以实现以下功能:关的控制信号从控制中心发送到整个路灯照明系统的每个节点,可以实现每个路灯的控制。

  将本路段人和车辆的情况传递到下一个路段,可以通知下一个路段提前点亮路灯。

  检修人员可以不用对每个路灯逐一检查维修,通过ZigBee在监控中心就可以迅速查看每个路灯的工作状况以及历史工作情况。并且利用路灯中带有的传感器实时检测,可以进行故障预警,及时通知进行维护。

  传递一些辅助控制信号和监视信号。

  些户外设备上,比如街头文字广告牌、出租车后的滚动消息、公共汽车运行提示、交通情况监视、重点路段噪声监视、空气质量监视等,与目前广泛使用的GPRS或短信方式相比,它更加简单可靠、成本低且数据量大。

  目前交通灯基本都是采用定时切换的工作方式,就是按一定时间间隔轮流改变交通灯的状态,这种方式效率很低。如果在现有节能路灯基础上,增加适当的传感器,就可以判断出每条道路上需要通过车辆的数量,再通过Zigbee网络将各路口车辆数据汇总到交通灯中心的处理器上,根据每条道路的车流量,按照一定的算法就可以计算出优化的切换时间。这样可以将车辆整体的排队等待时间减少,提高道路的利用效率,同时减少了汽车因为等待造成尾气的排放量,这也是一种环境保护的方式。

  65000个节点,但是实际使用中,考虑到速度和其他因素,一般的ZigBee网络可以有1000个节点。而一个路段的路灯总数一般也不会超出1000(即使有超过的,也可以人为地划分为多个小路段处理)。这样每一条街道都是一个独立的小ZigBee系统,同一街道的路灯之间可以进行通信,传递信息,而不同街道的路灯之间是不直接联系的,互不干扰。对于每个路段,还设置ZigBee网关,网关包含两个独立的ZigBee系统,一个和本路段的ZigBee相连,另外一个和控制中心相连。和控制中心连接的部分使用外部功率放大器来增强发射功率,增加通信距离(目前有的厂家3gBee模块可以达到数十公里的距离,完全可以满足覆盖一个城市的要求),这样多个路段的ZigBee网关又组成一个大范围的ZigBee网络。ZigBee无线通信网络结构图见飞思卡尔FTF"绿色"设计应用大赛中国站获奖论文系统结构智能节能路灯使用了功能强大的MC9S08QE64单片机作为控制器,利用单片机自身集成的中断、ADC、PWM等功能模块,实现了环境信号检测、LED控制、ZigBee通信等多种功能。Zigbee部分使用了MC13202作为控制芯片,使用SPI接口和单片机连接。电路图见。

  LED驱动部分利用MC9S08单片机带有的增强的TPM模块来产生PWM信号,驱动多路白光LED进行照明(使用多路LED是为了保证照当人或车辆经过时,会产生不可见的红外信号。利用集成了菲利尔透镜的红外传感器,就可以有效检测出人或车辆的经过。目前使用的红外传感器,其有效检测距离是用于检测车辆和人经过时在地面产生的压力,压力传感器分布在道路主要位置的路面下。

  有两个作用,检测环境光和检测LED光强。在LED关闭时检测环境光强度,在LED点亮时检测LED发光亮度;当LED老化导致发光亮度下降时可以产生一个调整信号,使得照明亮度不变。如果始终亮度不足,将产生一个告警信号,提示及时更换和维护。

  在车辆经过时,会产屯振动信号。检测这个信号可以判断是否有车辆经过。

  主要检测车辆经过时产生的噪声。明的亮度)。通过调节PWM信号的占空比,就可以调整LED的亮度。同时对LED的电流和照明光强进行检测,并反馈到PWM控制中,这样可以保证照明的亮度。LED驱动电路图见。

  为了可靠地检测到人或者车辆的经过,使用了红外、压力、振动、声音等多种传感器来感知人体和车辆的运动,并综合进行判断,这样可以有效检测到人和车辆的经过,同时减少了干扰信号对系统的影响。系统硬件电路图见。

  飞思卡尔FTF"绿色"设计应用大赛中国站获奖论文因为实际使用环境非常复杂,不但要求传感器灵敏度高,还要有一定的感应距离(>10米)。使用单一的传感器很难兼顾各种情况,很容易造成一些错误判断。综合多个传感器的信号,并按照一定的算法进行综合判断,这样可以得到比较准确的结果,可有效控制路灯状态。

  软件结构系统软件的基本流程框图见。

  为了防止在路灯状态突然变化时造成眼睛的不适应,路灯在点亮时和关闭时采用渐亮和渐暗的方。

  为了防止1f扰信号的影响,信号量需要多次采样。程序不使用中断触发的方式,而是采取了多次读取状态值,并进行数字滤波,然后根据多次采样的结果进行判断。

  为了防止路灯因为干扰信号造成的状态反复变化,设置一个小延时时间,超过这个时间后才允许关闭。

  心知下一步预备完善或增加的功能:提高传感器的性能;优化模糊控制算法,根据不同地点、使用场合(比如节假日、周末等)、天气等因素,产生不同的控制参数,同时使用优化的有针对性的控制算法,提高整体照明效率;优化ZigBee网络控制,提高通信效率,减少通信延时;智能交通管理,这涉及到比

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