城郊道路路燈照明運(yùn)行模式與智能控制方法研究

魏艷楠，陳賀鵬，陳雨菲，何 煦，劉奇明

(河南城建學(xué)院，河南 平頂山 467000)

城郊道路路燈照明運(yùn)行模式與智能控制方法研究

魏艷楠，陳賀鵬，陳雨菲，何 煦，劉奇明

(河南城建學(xué)院，河南 平頂山 467000)

基于紅外感應(yīng)原理，利用485通訊技術(shù)和LED照明設(shè)備，研究了一種城郊照明系統(tǒng)的智能控制方法。在保證行車安全的前提下，本研究設(shè)置了城郊道路照明系統(tǒng)的常規(guī)照明模式和動(dòng)態(tài)跟蹤照明控制兩種模式，實(shí)現(xiàn)城郊道路照明系統(tǒng)的改進(jìn)措施。

動(dòng)態(tài)跟蹤照明；紅外感應(yīng)；LED燈；智能控制；綠色照明工程

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本研究通過設(shè)置城郊道路照明系統(tǒng)的常規(guī)照明模式和動(dòng)態(tài)跟蹤照明控制兩種模式，來實(shí)現(xiàn)城郊道路照明系統(tǒng)的智能控制。常規(guī)照明模式包括感光控制模式和長亮模式，實(shí)現(xiàn)交通流量較大情況下的照明控制；動(dòng)態(tài)跟蹤照明控制模式，在有車輛行駛時(shí)保證其安全距離內(nèi)的路燈亮起，實(shí)現(xiàn)交通流量較小時(shí)的動(dòng)態(tài)控制，達(dá)到城郊照明系統(tǒng)節(jié)能控制目的。

工作系統(tǒng)架構(gòu)主要分為兩部分：常規(guī)控制系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)。在常規(guī)工作系統(tǒng)中由時(shí)間監(jiān)測(cè)裝置和感光控制系統(tǒng)對(duì)路燈進(jìn)行控制，動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)中由信息識(shí)別、信息儲(chǔ)存和信息交互組成，根據(jù)道路上交通參與者檢測(cè)識(shí)別和時(shí)間設(shè)置來決定是否實(shí)行“動(dòng)態(tài)跟蹤照明”。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)流程

整個(gè)系統(tǒng)由時(shí)間監(jiān)測(cè)裝置、光照強(qiáng)度感應(yīng)裝置和紅外感應(yīng)裝置控制，將路燈運(yùn)行時(shí)間劃分為不同時(shí)段段，在交通參與者較多時(shí)保持長亮，在午夜交通參與者較少的情況下實(shí)行“動(dòng)態(tài)跟蹤照明”。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

1.3 動(dòng)態(tài)跟蹤原理

利用紅外感應(yīng)裝置檢測(cè)道路上的行人或者機(jī)動(dòng)車輛，當(dāng)檢測(cè)到行人或者機(jī)動(dòng)車輛時(shí)，熱紅外裝置輸出低電平信號(hào)，傳輸?shù)降较挛粰C(jī)。上位機(jī)分別讀取下位機(jī)的數(shù)據(jù)，分析處理后對(duì)下位機(jī)下達(dá)命令，下位機(jī)以此控制LED燈驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而控制LED燈動(dòng)態(tài)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)路面情況實(shí)時(shí)刷新，使路燈按照設(shè)計(jì)好的方案執(zhí)行，動(dòng)態(tài)跟蹤過程如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

圖3 “跟蹤照明”運(yùn)行示意圖

1.4 紅外感應(yīng)原理

由光的波段特點(diǎn)可知，紅外線單一光子能量小于太陽光的單一光子能量，所以對(duì)人體無害。其輻射半徑為8 m，輻射角度為120°，采用兩個(gè)模塊組合的方法使輻射角度達(dá)到180°。燈柱間距30 m，三個(gè)組合的模塊可以實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。若城郊道路設(shè)置了非機(jī)動(dòng)車道或人行道，則可以用三個(gè)紅外感應(yīng)裝置組合，使覆蓋角度達(dá)到120°×3=360°實(shí)現(xiàn)無死角覆蓋，如圖4。

圖4 紅外感應(yīng)組合裝置示意圖

1.5 照明距離的確定

當(dāng)車輛行駛時(shí)，駕駛員應(yīng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)前方障礙物，或迎面開來的車輛，有足夠的時(shí)間或者距離采取措施，防止車輛與障礙物或車輛與車輛相撞。以此，智能路燈系統(tǒng)的照明距離應(yīng)滿足停車視距。

查《城市道路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》得，停車視距由反應(yīng)距離、制動(dòng)距離及安全距離組成，按式(1)計(jì)算

(1)

式中：V為設(shè)計(jì)速度，km/h；t為反應(yīng)時(shí)間，取1.2 s；βs為安全系數(shù)，取1.2；μs為路面摩擦系數(shù)，取0.4；Sa為安全距離，取5 m；φ為縱坡度(%)，上坡為“+”，下坡為“-”。

表1 不同設(shè)計(jì)車速對(duì)應(yīng)的停車視距

表1所給出的停車視距為白天的停車視距。本研究主要針對(duì)城郊道路夜間路燈運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在夜晚駕駛員視認(rèn)能力下降，導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間延長同時(shí)考慮司機(jī)不遵守交通規(guī)則等特殊情況，計(jì)算夜晚停車視距時(shí)取反應(yīng)時(shí)間為3 s，車速取60 km/h，坡度取0.2%。則夜晚情況下城郊道路停車視距可化為

(2)

該數(shù)值取整為50.1+28.35+5=83.45 m，采用值為90 m。路燈間距為30 m，為保證行車安全，則前方應(yīng)亮燈4盞。

1.6 經(jīng)濟(jì)性分析

目前國內(nèi)路燈照明光源一般采用高壓鈉燈、高壓汞燈和金屬鹵化物燈。一般功率為150 W、250 W、400 W，目前最常用的是250 W和400 W兩種。

表2 LED路燈常用瓦數(shù)及燈桿高度對(duì)比表

通過對(duì)平頂山市平安大道夜間車流量進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查顯示夜間車流量比較低，所以本研究具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義。調(diào)查結(jié)果如表3所示。

表3 平安大道車流量調(diào)查表

(1)傳統(tǒng)高壓鈉燈耗電計(jì)算

以功率250 W計(jì)算，一年一個(gè)路燈的電量W年=0.25 kW·h·13 h·365 d=1 186.25 kW·h。

(2) LED路燈耗電計(jì)算

由調(diào)查可知LED路燈以功率80 W計(jì)算。汽車速度取20 km/h，則23∶00～5∶00LED工作時(shí)間累計(jì)2 h，則每晚工作時(shí)間為7+2=9 h，則一年一個(gè)LED路燈的電量由公式(2)：得：W年=0.08 kW·h·9 h·365 d=262.8 kW·h

(3)紅外感應(yīng)裝置耗電計(jì)算

紅外感應(yīng)裝置為微功耗元件，其靜態(tài)電流為0.065 A，電壓為5 V，由公式

P=UI

(3)

得：W=P·3 600 s=1 170 J=0.000 325 kW·h

W年=6*0.000 325 kW·h·6 h·365 d=4.27 kW·h

綜上所述求得，實(shí)行智能動(dòng)態(tài)照明后1 000 m內(nèi)路燈一年可節(jié)省電量為

W年=(1 186.25-262.8-4.27)×66=60 665.9 kW·h

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式

系統(tǒng)用到了PC機(jī)、485通訊技術(shù)、人體熱紅外感應(yīng)傳感器、光強(qiáng)檢測(cè)傳感器等，上位機(jī)通過RS485總線通訊方式實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)路燈的實(shí)時(shí)通訊以及智能控制。若PC機(jī)出現(xiàn)故障，則采用應(yīng)急措施使所有路燈亮起。

2.2 上位機(jī)RS232與RS485轉(zhuǎn)換電路

RS232-485轉(zhuǎn)換器主要包括了電源、232電平轉(zhuǎn)換、485電路三部分。通過控制 MAX485 實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收狀態(tài)的切換，平時(shí) MAX485處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，當(dāng) PC 機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MAX232 的 9 號(hào)引腳輸出低電平，經(jīng) Q1 倒相后，使 MAX485 的/RE 和 DE 為高電平而處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。

2.3 主從式多機(jī)通訊的布線及規(guī)則

上位機(jī)采用PC機(jī)，下位機(jī)采用單片機(jī)，每一個(gè)單片機(jī)都有屬于自己的地址，為了便于布線，在道路的左側(cè)與右側(cè)分別采用485總線布線方式，這樣就避免了控制線路與道路有交叉。上位機(jī)與下位機(jī)的通訊遵從主從式多機(jī)通信協(xié)議約定。

2.4 大功率 LED 燈具的驅(qū)動(dòng)方法

按驅(qū)動(dòng)器輸出的電壓電流特性分，當(dāng)前驅(qū)動(dòng)大功率LED 燈具的方法主要有恒壓驅(qū)動(dòng)法、恒流驅(qū)動(dòng)法和恒壓恒流驅(qū)動(dòng)法三種方法。

2.5 路燈的自動(dòng)調(diào)光設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用光強(qiáng)檢測(cè)傳感器，光強(qiáng)檢測(cè)傳感器檢測(cè)天空的亮度，將檢測(cè)結(jié)果通過單片機(jī)送給PC機(jī)，PC機(jī)給各下位機(jī)發(fā)出命令，下位機(jī)執(zhí)行命令，通過PWM脈寬調(diào)制方式，改變LED路燈的亮度。天亮則LED路燈較暗，天暗則LED路燈明亮。

3 小 結(jié)

本研究在低碳節(jié)能和智慧城市的大背景下，立足于“綠色照明工程”戰(zhàn)略，根據(jù)城郊道路夜間交通流量分時(shí)段變化特征，改進(jìn)現(xiàn)有燈光照明系統(tǒng)控制模式的不足，基于紅外感應(yīng)原理，利用485通訊技術(shù)，提出了城郊道路照明系統(tǒng)的智能控制模式，具有現(xiàn)實(shí)研究意義。

[1] 徐新光.淺談綠色照明工程的發(fā)展與應(yīng)用狀況[J].科技信息，2009，(17)：344-345.

[2] 劉承東.LED路燈在道路照明中的應(yīng)用[J].中國照明電器，2009，(3)：30-34.

[3] 魯進(jìn)；郭利進(jìn). 基于ZigBee的LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32(32)：78-80.

2017-02-14

魏艷楠(1989-)，女，河南洛陽人，助教，研究方向：交通運(yùn)輸工程。

U491

：A

：1008-3383(2017)07-0187-02