智能太陽能噴霧防霾路燈設計

朱琳穎 王建飛 陳潤苗 趙紅飛

【摘要】霧霾越來越成為普遍關注的社會問題，治理霧霾也成為政府的重要工作之一。借助于太陽能智能路燈融入抑塵除霾系統，來自動監測環境、自動噴淋，充分合理地利用太陽能優化道路，清潔環境，改善空氣質量。

【關鍵詞】太陽能路燈；灑水噴霧；抑塵除霾；云平臺

【中圖分類號】J525 【文獻標識碼】A

太陽能作為清潔能源，在道路照明、交通發光指示標志等領域應用廣泛。智能化抑塵除霾太陽能路燈的設計，將優秀治理霧霾作為緩解城市污染、改善城市環境的有效手段。現階段，霧霾治理的關鍵在于對空氣揚塵、霧霾進行淡化，借助于城市路燈燈桿的支撐作用，對現有太陽能路燈進行智能化改造，融入抑塵除霾系統功能提升太陽能路燈的實用性，減少資源浪費，提升城市環境空氣質量。

一、基于智能太陽能路燈灑水噴霧抑塵除霾系統的設計方案

在現有的智能太陽能路燈設計基礎上，可以利用PLC可編程控制器來優化太陽能發電、智能充放電，以及城市環境監測等功能，實現對空氣PM2.5、地面濕度、溫度等數據的實時監測，在無人值守條件下，利用自動噴淋系統來灑水抑塵除霾。

（一）智能噴霧防霾太陽能路燈的工作原理

在現有智能太陽能路燈設計中，功能利用率低，資源浪費突出，實時性控制能力不強，成為制約智能太陽能路燈系統的主要缺陷。從城市抑塵防霾視角，引入城市環境監測系統、自動噴淋系統來采集空氣質量相關數據，并將之通過以太網傳送至云平臺，利用遠程控制終端來進行智能化設置，改善智能太陽能路燈的灑水抑塵功能。所以，從噴霧防霾功能上，在克服現有太陽能路燈功能利用率低的情況下，借助于PLC智能控制器來整合太陽能路燈灑水噴霧、抑塵除霾等功能。通過PLC系統實現對道路空氣污染、空氣濕度、溫度、風向、風速等指標的自動測量，并將之整合到路燈智能化數據模塊中，借助于上位機系統來監控各項指標數據，并對整個工作過程進行自動控制。另外，在提升資源利用上，每個路燈的灑水噴霧除霾系統可以單獨完成噴霧防霾作業，也可以根據路面車輛、行人進行動態避讓，提升灑水噴淋的智能化、人性化。在進行空氣灑水、除霾作業中，還可以將路面車輛、行人數據信息進行實時記錄，傳送到云平臺，為實現道路交通管理提供參考數據指標。

（二）智能噴霧防霾太陽能路燈的方案設計

根據對智能太陽能路燈灑水噴霧防霾功能的分析，在優化系統整體方案設計上，我們選擇三菱的FX3U系統作為智能控制器的核心PLC單元，實現對各個太陽能路燈的智能化控制。其結構主要有太陽能路燈照明系統、城市道路環境監測控制模塊、灑水噴淋除霾電路、遠程控制模塊，以及便民充電系統模塊等輔助功能。在太陽能照明系統設計中，主要借助于太陽能板的充放電模塊為整個路燈提供電能。在充放電模塊設計上，引入亮度監測系統，利用亮度傳感器結合亮度變化指標智能化開啟路燈開關，減少電能浪費。在路燈環境設計模塊中，主要結合光照檢測模塊、空氣濕度檢測模塊、空氣溫度檢測模塊、PM2.5檢測模塊等，對路燈周圍環境的環境信息數據進行實時監測，并利用中央控制器PLC單元，將這些數據進行收集和存儲，分別提供給環境檢測、通信電流、通信模塊等使用。在灑水噴霧除霾系統設計中，引入自動噴淋裝置，結合環境檢測系統獲得的溫濕度、PM2.5等監測數據，通過比值對比分析，觸發對道路車輛、行人等動態信息的檢測，確保在無人、無車情況下，對路面實施噴淋灑水，且可以滿足自動旋轉噴水。該系統主要通過水箱、步進電機和系統驅動單元對噴淋噴頭的供水、旋轉角度進行控制，完成自動噴淋功能。在遠程云平臺控制系統設計中，利用太陽能路燈智能網絡結構，將各個路燈系統傳感器所采集的數據，通過以太網來傳送至云平臺，管理者可以通過遠程手機APP、PC等終端對監測數據進行管理，也可以利用遠程PLC可控制器，設置相應的控制指令，實現太陽能路燈的智能化抑塵除霾管理。

二、智能太陽能路燈灑水噴霧抑塵除霾系統構成

在智能太陽能路燈噴霧防霾設計上，其構成設備主要由太陽能路燈，包括太陽能電池板、LED路燈、LED路燈顯示器，以及空氣環境監測設備、步進電機及驅動單元、自動灑水噴淋系統、水箱、水泵、支架等。由于該系統包含較多輔助功能，在利用FX3U智能控制器過程中，需要對不同設備設置相應的地址，以便于動態優化各系統參數，完成智能化控制。如在系統設計I/O地址分配上，步進電機限位1設置為X000，主要接收脈沖信號；步進電機限位2設置為X001，主要接收驅動器方向指標；變頻運行信號設置為X002，實現對變頻電機的啟動；變頻故障信號設置為X003，主要完成變頻系統的復位功能；紅外感應信號設置為X004，主要調整變頻系統的速度指標。另外，根據系統設計功能，對環境監測模塊的控制，也需要通過PLC控制器來采集相應的環境數據，如空氣溫濕度變化，PM2.5信息監測數據，并完成對相關監測數據的存儲和運算處理。當環境監測指標符合自動噴淋條件時，觸發路面灑水系統，并對路面進行噴霧除霾。

三、智能太陽能路燈灑水噴霧抑塵除霾系統軟件的設計

軟件系統設計是實現智能太陽能路燈動態化噴淋除霾和照明的重要部分，根據太陽能路燈工作原理及特點，在軟件設計上需要細化作業流程。通過上位機通電后，完成智能太陽能路燈控制系統的初始化，主要是對照明系統、噴水系統、環境監測系統、道路行人車輛監測系統進行復位。然后啟動環境監測單元，對周圍空氣溫濕度、PM2.5含量進行監測，當與程序設計中的開關量及監測指標進行對比符合噴水除霾條件時，觸發道路區域車輛、行人監測單元，如果有車輛行人，則繼續監測，當無行人車輛時，觸發噴水系統。如打開噴水閥，啟動水泵，噴水時間設定、水泵運行狀況反饋，噴頭搖擺等。在云平臺系統設計中，需要從PLC與各監測單元進行開關量、數據量的運算處理，符合作業條件時觸發相應動作。

四、系統效益分析

隨著智慧城市建設的不斷推進，對道路照明系統設計更需要從科學、節能、高效的智能化管理中提升城市照明效率，改善照明質量。智能太陽能噴霧防霾路燈設計融合了可編程控制器、太陽能發電、智能化放電，以及環境監測、遠程控制、自動噴淋等子系統，以清潔太陽能能源實現對城市道路環境的動態監測與抑塵除霾，具有較高的經濟效益和市場推廣價值。我們通過對太陽能噴霧防霾路燈照明設施進行系統效益分析計算，以某城區道路3千米為例，每30米一盞路燈，所需路燈總數為202盞。每盞路燈初始設計電機功率為60瓦，此段道路每年節約的費用約為24萬元。同時，借助于對空氣PM2.5濃度的監測，可以有效降低道路霧霾濃度，減少大氣污染。由于該系統采用太陽能設計，每年可以節約標準煤約368.577千克，減少10.84噸二氧化硫排放，減少375.48千克二氧化碳排放，也對城市環境治理做出了較大貢獻。

五、結語

總體而言，智能太陽能噴霧防霾路燈具有以下優勢：一是滿足一燈多用，且具備按需提供照明、高效節能環保特點。如利用色溫監測實現多種色溫照明變化，提升人體舒適度；二是滿足智能化數據采集與反饋，可以利用手機端APP進行動態管控，省時省心，維護便捷；三是具備噴霧防霾功能，利用內置IC終端控制器，實現對光源的動態調節，并滿足對色溫、霧、霾的監控與處理。通過對智能太陽能路燈系統灑水除霾功能的優化設計，該系統具有節約用水、智能環保，抑塵除霾系統與照明系統可以分別獨立運行，提升了系統可用性。如在灑水作業時，可以通過對車輛、行人的避讓增強除霾人性化水平，還可以通過遠程登錄端進行數據監測、報警記錄查看，以及遠程PLC控制等功能，具有較高的推廣應用價值。

參考文獻：

[1]周志敏，紀愛華，新能源LED路燈設計與工程應用[M]電子工業出版社，2013（2）：25-44.

[2]周志敏，紀愛華，太陽能光伏系統設計與工程實例[M]中國電力出版社，2016（3）：2-1.

[3]周志敏，風光互補LED路燈設計與工程應用[M]中國電力出版社，2012（2）：26-38.

[4]宋樂鵬，彭軍，變量噴霧智能控制[M]西南交通大學出版社，2012（1）：30-34.

[5]陳玲，楊繼全，3D打印模型設計及應用[M]南京師范大學出版社，2016（3）：37-39.

作者簡介：朱琳穎（1995-），女，陜西西安人，動漫設計與制作專業，14級，研究方向：動漫設計；王建飛（1996-），男，陜西銅川人，動漫設計與制作專業，14級，研究方向：動漫策劃；陳潤苗（1995-），女，陜西渭南人，動漫設計與制作專業，14級，研究方向：動漫設計；指導老師：趙紅飛（1979-），男，陜西咸陽人，講師，文藝學碩士，研究方向：影視策劃。