基于ZigBee的兩階段照明模式路燈組設計★

孫垂科 王博傲 曹琴雯 沈 迪 李火妙 張文會

(東北林業大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

據不完全統計，目前我國國內城市道路照明的總燈數約400萬只(套)，加上高速公路、工礦企業、機場、碼頭等非市政照明燈具約100萬只(套)，總數超過500多萬只，并且每年以10%以上的速度遞增。其中城市公共照明在我國照明耗電中占30%的比例，約439億kWh，以平均電價元/kWh計算，一年開支達285億元，成為各地財政部門的一大負擔。

本文首先列舉出了國內外常見道路照明系統，并對其特點進行了簡要分析，大部分的研究在具有一定優越性的同時也會顯現出不足之處，針對這些存在的問題，我們提出了智能化節能路燈組這一方案，以更加智能和節能的手段構建城市道路照明系統。

1 國內外研究現狀

1.1 國內研究現狀

大部分研究沒有考慮到道路不同時段的車流量存在差異而引起的道路照明需要的不同，且大都只是研究單一路燈的明暗變化，沒有涉及到一排路燈根據車或人的不同而產生相應反應，此外也沒有考慮到路燈突然變亮會刺激駕駛員，不利于行車安全。其中一種研究是通過攝像頭(計算機視覺)[1]來檢測有無車輛(人)通過來使系統實現自動調節，這種技術十分困難，且本身裝置耗電量很大，節能效果不好；另外一種研究是利用車聯網與車進行聯動[2]，這個研究需要在車和路燈上加裝感應設備，十分復雜，且讓每輛車都加裝感應設備不容易實現，此研究也沒有考慮到行人通過的情況；還有一種是通過光學傳感器感應來車的燈光進而判斷有無車輛通過[3]，因為車輛燈光本身差別不大，光學傳感器很難判別，所以這一研究不太合理，也沒有考慮到行人通過的情況。

1.2 國外研究現狀

荷蘭代爾夫特理工大學研究了一種可自動調節亮度和診斷路障的智能路燈系統[4]，這套系統不僅比現有系統節電80%，維護費用也更為低廉，但是該研究只在期刊中大致說明，并無后續跟進內容，且該研究并沒有推廣使用。匈牙利通用電氣公司研究出一種基于e+電網系統控制的智能路燈[5]，它采用LED燈具，可以根據氣象條件調整開關時間，有一定的節能效果；印度鄉村應用的一種智慧路燈[6]利用太陽能運行，無配電損耗，壽命長，但是初期費用較高，受氣候條件影響較大。

1.3 ZigBee通信網絡的應用

目前存在一些將ZigBee通信網絡作為路燈控制系統的研究和專利，但是數量較少且側重點為ZigBee通信網絡的優越性，并沒有關于多元控制方式的研究。這些研究驗證了我們加裝的ZigBee通信網絡的優越性，但是對系統控制的研究幫助不大。

2 基于ZigBee的兩階段照明模式路燈組設計

針對現有技術存在的不足，本設計的目的是建設城市智能化路燈照明系統，以解決傳統路燈智能性差、節能效果不理想、損壞維修不及時等問題。本設計將實現城市路燈智能化控制、實時監控、故障自動報警等功能且極大程度地節約能耗，將城市照明區域化、網絡化，使路燈符合未來發展趨勢和可持續發展理念。

2.1 具體裝置及其作用

基于ZigBee的兩階段照明模式路燈組，包括單片機，還包括車輛速度傳感應器、光電傳感器、計數器、GPRS無線傳輸模塊、ZigBee無線傳輸模塊、LED路燈等裝置。由路燈監控終端、路燈控制終端、路燈監控終端和路燈控制終端之間的GPRS通信網絡、路燈控制終端和路燈之間的ZigBee通信網絡及路燈傳感裝置組成。其中，路燈傳感裝置的作用是對相應信息進行記錄；路燈控制終端的作用是利用相應程序和公式對接收到的數據進行計算和比較判斷，進而能夠實現對路燈的有效控制；路燈監控終端的作用是將控制終端傳遞來的信息進行統計和整合，進而將整個系統的實時信息傳遞給操控人員，ZigBee 通信網絡是實現路燈控制終端和路燈之間的通信、GPRS通信網絡是實現路燈監控終端和路燈控制終端之間的通信。

2.2 技術方案

如圖1所示，基于ZigBee的兩階段照明模式路燈組采用兩階段式照明模式，將道路需要照明的時段分為兩個階段，根據不同階段的實時情況調節路燈系統的照明方式與亮度。第一階段為常亮階段，當環境亮度低于設定值時，路燈組以相同亮度亮起提供照明，此階段以光電傳感器為核心，根據環境亮度自動調節路燈照明亮度，此時第一個速度傳感器和計數器起統計車流量的作用；第二階段為感應照明階段，當第一階段的計數器和第一個速度傳感器收集的車流量數據低于預設值時，系統自動進入第二階段，路燈不再常亮，而是根據情況自行調節。此階段的核心為速度傳感器，速度傳感器通過采集速度來區分車輛與行人，考慮到車輛與行人速度的差異，當車通過時，路燈系統成組亮起，一段時間后再熄滅；當行人通過時，路燈逐個亮起，行人走后逐個熄滅，路燈變化速度由速度傳感器采集的速度經公式計算得到。最后當環境亮度高于光學傳感器設定值時，系統全部關閉，由此循環。

3 具體實施方式

3.1 裝置布置

路燈組以一組5個路燈為基礎單位，每兩個路燈的間距為70 m，在第1個路燈前280 m處加裝第一個速度傳感器和計數器，在第一組路燈的第2個路燈處加裝第二個速度傳感器(控制第二組路燈)，在第二組路燈的第2個路燈上加裝第三個速度傳感器(控制第三組路燈)，以此類推，在每組路燈的第2個路燈上加裝速度傳感器。將光電傳感器加裝到不受路燈燈光影響的位置，路燈控制終端(單片機+ZigBee接收模塊+GPRS發射模塊)安裝在路燈組的中心位置(圖2中安裝在⑤號路燈上)，路燈監控終端(計算機+GPRS接收模塊)根據操控人員的需要安裝在合適位置，再在每個路燈上都加裝ZigBee發射模塊，光電傳感器根據道路實際情況安裝在不受路燈燈光影響的位置。

3.2 舉例說明

如圖2所示，以10個路燈為例，將10個路燈從①～⑩依次標號，等間距排成一列，前5個為一組，后5個一組，在①號路燈前280 m處加裝第一個速度傳感器和計數器，在②號路燈上加裝第二個速度傳感器，在每個路燈上都加裝ZigBee通信模塊，再將光電傳感器加裝到不受路燈燈光影響的位置；將路燈控制終端安裝在⑤號路燈上，編寫單片機程序，通過基于ZigBee通訊系統的數據傳輸線路，將單片機和路燈連接起來，再通過基于GPRS通訊系統將路燈控制終端和路燈監控終端連接起來。

所述光電傳感器將所測得環境亮度的實時數值L反饋至控制終端，若單片機判斷其數值L

I1=I×K1

(1)

其中，I1為天逐漸變暗時，路燈實時照明亮度;I為最大光照亮度；K1為光照系數，K1=1-L/15；L為光電傳感器所測數值。

所述計數器將所測得單位時間車流量的實時數值Q反饋至控制終端，若單片機判斷QV1時，判斷通過物體為車輛，計算車輛通過的時間T1，并控制第一組路燈以亮度I亮起，并持續亮起t1。T1和t1的計算公式分別為式(2)，式(3)：

T1=350×3.6/V

(2)

其中，T1為當物體速度大于V1時,物體(此處假設為車輛)通過每組路燈時間；V1為區別行人與車輛的預設值；V為速度傳感器所測的物體速度。

t1=T1+e2

(3)

其中，t1為當物體速度大于V1時，第一組路燈亮起的時間；V1為區別行人與車輛的預設值；T1為當物體速度大于V1時,物體(此處假設為車輛)通過每組路燈時間；e2為預設值，根據實際情況取不同的值。

第二組路燈與第一組路燈相同，但其數據基于第二個速度傳感器測得的數據；若單片機判斷V≤V1時，判斷通過物體為行人，計算行人通過時間T2，并控制第一組路燈在一定時間T3后以亮度I依次亮起，路燈依次亮起的時間間隔T4，且每個路燈都持續照明t2，第二組路燈與第一組路燈相同，其數據基于第二個速度傳感器。當光電傳感器將所測得環境亮度的實時數值L>L1時，控制終端控制路燈關閉，由此循環。T2,T3,T4和t2的計算公式分別為式(4)～式(7)：

T2=350×3.6/V

(4)

其中，T2為當物體速度不大于V1時,物體(此處假設為行人)通過每組路燈的時間；V為速度傳感器所測的物體速度。

T3=280×3.6/V-e1

(5)

其中，T3為當物體速度不大于V1時，物體從第一個傳感器到第一個路燈所需的大概時間；e1為預設值，根據實際情況取不同的值。

T4=T2/5

(6)

其中，T4為當物體速度不大于V1時，路燈依次亮起的時間間隔。

t2=T2/5+e3

(7)

其中，t2為當物體速度不大于V1時，每個路燈亮起的時間；e3為預設值，根據實際情況取不同的值。

4 基于ZigBee的兩階段照明模式路燈組的特色

1)考慮到不同時段道路照明需要的不同，將系統分為兩個主要階段。

2)在第一階段使路燈的亮度隨環境亮度的逐漸變暗而逐漸變亮，且考慮到此時的車流量較大，將系統設置為常亮。

3)在第二階段考慮到此時的車流量較小，將系統設置為感應照明，且考慮到車輛和行人速度的差異，將系統分為兩種情況：成組或逐個變亮。

4)考慮到路燈突然變亮會對駕駛員產生刺激，不利于行車安全，使路燈提前亮起且給路燈照明的持續時間加設容錯值，保障行車安全。

5)實現了系統的全自動控制和實時反饋信息及故障報警功能。

5 結語

在城市道路照明耗電量十分巨大的今天，城市路燈的節能化研究已是大勢所驅，且隨著5G時代的到來，智能化控制也是時代潮流，所以本設計從智能化和節能兩大主題出發，研制出智能化節能路燈組以實現對城市路燈照明的智能化精確控制以節約人力，且保證充足照明的情況下極大程度地減少了路燈照明時間，減少了能源消耗。后續對于智能化節能路燈組進行深入探索，希望能增加更多使用價值。