基于模糊控制的LED路燈控制系統的理論研究

李蓮李立

(天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津理工大學自動化學院，天津 300384)

1 引言

當前，國內外路燈控制方式主要采用光控和時控相結合的方法，也有部分城市為了達到節能的目的，在后半夜道路行駛車輛較少時關閉部分路燈——即所謂的“半夜燈”。這種控制方法雖然達到了節約電能的目的，但是由于路面照度不均，反而帶來了更多的安全隱患［1］。為了避免交通事故的發生，大多城市仍采用了“全夜燈恒照度”的路燈控制方式，這無疑造成了很大的浪費。本文主要針對后半夜道路行駛車輛少的情況，利用道路現有的雷達測速儀與照度傳感器相結合，運用模糊控制算法設計了一個智能路燈節能控制系統，使得車輛行駛方向前方的部分路燈保持在一個較高的亮度，而車輛行駛過后路燈恢復到一個較低的亮度，從而達到節能的目的。

2 節能系統總體設計

系統采用模糊控制算法，根據實際的照明需求，對路燈電壓及照度情況進行動態的智能化管理。系統的基本控制流程圖如圖1所示。當后半夜城市道路行駛車輛較少時，使車輛行駛前方的部分路燈處于較高的亮度，隨著車輛的不斷前進，前方的路燈一盞一盞的變亮，而后方的路燈隨之變暗［2］。

系統的通信方式主要采用GPRS與ZigBee技術相結合的無線通信技術，達到對路燈單燈控制的目的。路燈控制方面硬件主要包括照度傳感器，雷達測速儀，智能控制器，ZigBee終端設備，GPRS模塊等。

如圖1所示，照度傳感器用來感應外界的光照，當外界環境的亮度低于某一特定值時，則自動開啟路燈，經過一定的延時后，智能控制器通過可變電抗器調節路燈到一個較低的亮度;雷達測速儀主要用于后半夜，道路行駛車輛較少時來測量車速，經模糊化處理得到調節路燈亮度的延時;可變電抗器接收智能控制器的命令進行調壓，從而改變路燈端電壓，實現路燈的亮度調節功能;GPRS模塊負責控制中心與路燈ZigBee終端設備的通信。

圖1 系統的硬件框圖

3 無線通信模塊

本系統的無線通信主要采用GPRS與ZigBee相結合的通信方式，上層網絡通過GPRS模塊與上位機進行通信，下層通信主要是由ZigBee終端模塊完成的。下層網絡采用的ZigBee網絡支持星型網、樹狀網和網狀網三種拓撲。網狀網是一種可靠性高的Ad hoc網絡，網絡中的所有結點都是平等的，任何結點的離開或者加入都不會影響整個系統的運行。因此，將每一條街道劃分為一個子區域，子區域內的網絡采用網狀網，每個子區域設置一個ZigBee協調器，各個單燈結點通過協調器與GPRS網絡連接 (圖2)。

圖2 系統網絡結構圖

本系統采用的ZigBee無線終端設備為CC2430無線通信模塊，CC2430芯片內集成增強的8051微處理器內核和符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz射頻收發器，具有優良的天線接收靈敏度和強大的抗干擾性能，處于休眠模式時功耗小，是首款符合ZigBee技術標準的系統單芯片。由于CC2430中帶有一個8位的8051微控制器，所以在硬件設計中可以省去微控制器模塊，降低控制系統的成本［3］［4］。

4 模糊控制器的設計

本設計將LED路燈工作情況分為三個等級:全功率、半功率和關閉。夜晚車輛多時，路燈處于全功率工作狀態，進入后半夜車輛較少時，在半功率狀態工作。模糊控制的實現過程為:當雷達測速儀檢測到車輛的速度信號時，首先調整特定范圍內的路燈亮度，速度信號經A/D轉換后送入智能控制器進行模糊化處理后得到時間t，即特定范圍外下一盞路燈變亮的延遲時間，同時也是車輛行駛過后，路燈逐漸變暗的時間。控制原理圖如圖3所示［5］。

圖3 模糊控制系統原理圖

模糊控制器的設計主要包括以下步驟:模糊化過程、模糊控制規則的建立、精確化計算。

(1)模糊化過程

模糊化過程就是把輸入的數值，根據輸入變量模糊子集的隸屬度函數找出相應的隸屬度值的過程。本模糊控制系統只有一個輸入變量:車輛的速度值。將該速度值分為大 (PB)、較大 (PS)、中 (ZE)、較小 (NS)、小 (NB)代表了夜晚車速的全部情況。將輸出變量延時時間t分為短、中、較長、長四級，輸入輸出變量的隸屬度函數如圖4所示［6］。

圖4 輸入輸出變量的隸屬度函數圖

(2)模糊控制規則的建立

模糊系統是用一系列基于專家知識的語言來描述的，專家知識常用“IF THEN”規則的行駛，而這些規則很容易通過模糊邏輯條件語句來實現。以下面的規則來對模糊控制器的工作情況進行簡單的說明:

規則1:如果速度為中，則延遲時間t為中

規則2:如果速度為正小，則延遲時間t為較快

(3)精確化計算

精確化計算就是把語言表達的模糊量回復到精確的數值，假定速度為48km/h計算，則

對應規則1，速度為中的隸屬度是0.2，延遲時間t為中的隸屬度為0.2;

對應規則2，速度為正小的隸屬度是0.8，延遲時間t為較快的隸屬度為0.8。

延遲時間t的模糊集如圖5中陰影部分所示，為了達到這一模糊集的最佳等效精確值，套用精確化過程重心計算法的積分公式，可得:

圖5 推理出的延遲時間隸屬度

從而得到延遲時間的確切值3.54s。路燈間距為50米時，速度為48km/h的車輛行駛一個路燈間距所用的時間為3.75s，與智能控制器輸出時間相差僅為0.21s，誤差較小，可以滿足車輛行駛前方特定范圍內路燈保持較高亮度的要求。

模糊控制器得出的延遲時間信號，經由ZigBee終端設備在局域網內傳遞給下一盞路燈，從而實現根據車輛的行駛速度來控制路燈的工作情況，既保證了行車的安全性，又達到了節能的效果。

5 系統的軟件設計

系統開關燈及節能控制的軟件流程圖如圖6所示。

系統上電后，先對各個單元進行初始化，然后根據照度傳感器的數值來進行判斷是否要開關燈，當照度達到一定要求，系統自動打開路燈并開始計時;計時時間到，LED路燈進入半功率工作狀態，之后當雷達測速儀檢測到車輛的速度信號后，由模糊控制器處理后得到路燈的延遲信號，信號通過ZigBee無線網絡傳輸給下一盞路燈以及距離車輛最近的路燈，從而控制路燈的工作狀態。

圖6 系統的軟件流程圖

6 結論

本節能控制系統采用了GPRS與ZigBee相結合的無線通訊技術，針對城市后半夜車輛的行駛情況運用模糊控制算法對路燈進行控制，真正做到了“在保證照明的情況下開著燈節電”，既達到了能源節約的目標，又滿足了城市的照明需求，具有廣闊的應用前景。

［1］曾一凡，吳春美，楊曉紅等．基于模糊決策的路燈節電等級控制系統的設計 ［J］．節能，2006，9:36～41．

［2］安雙利，錢銳，陸翔宇等．基于單片機智能控制的路燈節能系統的研制 ［J］．上海第二工業大學學報，2011年3月，28(3):49～53．

［3］郭佑民，劉娟，孟凡剛等．基于ZigBee的智能型LED路燈照明系統設計［J］．蘭州交通大學學報，2010年8月，29(4):36～39．

［4］張偉，王宏剛，程培溫．基于GPRS的智能路燈遠程監控系統的研究［J］．計算機測量與控制，2010，18(9):2104～2106．

［5］韋巍．智能控制技術 ［M］．機械工業出版社，2003．

［6］林濤，馬立君．基于模糊控制的路燈節能系統的設計［J］．電子科技，2008，220(1):6～8．