智慧調光新能源路燈設計

王犖犖，楊 輝，張 旭

珠海城市職業技術學院，廣東 珠海 519000

0 引言

目前中國的路燈大部分都是采用簡單高壓鈉光源或者LED燈，LED路燈大部分都是采用5 500 K左右的發光源，這種類型的光源發光效率更高也更節能，但5 500 K的發光源燈光色溫會給人陰冷的視覺效果，炫目感強，容易產生視覺疲勞，降低駕駛員在道路上行駛的安全性[1]。在雨霧的天氣下，這種照明對于燈光的通風和穿透性能相對較差，嚴重地影響了人們的生活和出行安全。傳統高壓鈉燈的色溫在2 800 K左右，不會產生眩暈，在雨霧環境中的燈光穿透能力更強，但耗能嚴重。如何結合兩種路燈的優點，做到既節能又不會使人產生眩暈，還能在雨霧環境中有較強的穿透能力，對國家建設、交通安全、提高能源利用率有著重要意義。

1 路燈控制系統總體設計

1.1 結構設計

新能源智能路燈系統由控制系統和路燈單燈系統兩大部分構成。控制系統主要包括集中式控制器、單燈型控制器和監測中心。路燈單燈系統包括太陽能電池板、三色溫燈陣列、單燈控制器、超級電容器等。控制系統通過4G/PLC（電力線載波）的形式對任意一盞路燈實現智慧管理，其系統結構如圖1所示。

太陽能發光電池板白天發光可以直接吸收大量太陽能的光能，因此可以利用最大功率點跟蹤（MPPT）算法進行跟蹤，并將太陽能放在電池板的最高最大功率發電點后，再結合DC-DC降壓電路，給超級法拉電容器充電。Arduino微控制器通過AD轉換檢測和讀取電容器端電壓及外界PM2.5、溫度、濕度等數據，從而調控Arduino產生的脈寬調制（PWM）波占空比。自動調光、自動按需調色溫的功能，可通過調控后的PWM波傳至調光電路實現。微控制器以電力線載波技術為基礎，通過電力線傳輸微控制器所檢測到的電壓及天氣相關數據來實時監控和控制系統。在陽光不充足的情況下，超級電容器電力不足，此時供電方式被微控制器切換為市區供電，從而保障整個區域內智慧路燈系統的穩定性和可靠性。

1.2 模塊設計

系統所采用的控制器模塊均為技術成熟的模塊，有著大量的開發資源，降低了研發的成本，提高了系統的可靠性。另外，所采用的傳感器模塊均為市場批量生產，采購條件較低。

（1）數據傳感器模塊。PM2.5數據采集工作是采用日本夏普公司開發的GP2Y1010AU0F傳感器來實現的，該傳感器可以測量空氣中的PM2.5指數。因為灰塵的密度相對較低，導致采集結果具有間斷性，所以需要加上濾波算法。為此，可以采用均值濾波、限幅濾波等濾波算法實現濾波[2]。通常以5 500 K的燈光色溫工作，在霧、霾、沙塵等惡劣氣候條件下，系統將所采集的數據進行梯度分配。處理器將燈光精準分配調整到相應的色溫值，使路燈發出的燈光穿透性增強，道路可見度提高，從而保證駕駛員夜間行車的安全。

（2）溫濕度傳感器。溫濕度采集的方式和儀器設備較多，考慮到成本、體積、便捷程度等因素，采用SiliconLabs公司生產的溫濕度傳感器模塊，型號為SI7021。在暴風雪、冰凍等不良的氣候環境下，通過采集溫度、濕度、雨水等的相關數據，由系統對所采集的相關數據進行梯度分配，再由處理器精準地通過燈光分配來調整相應色溫值，使得發出的燈光更適合人體視覺感官[3]，這利于降低路人的視覺疲勞感，提升人的遠處觀察能力。

（3）系統微控制器。該系統的微控制器采用Arduino微處理器，具有功耗低、性能強、兼容性強、價格低廉等特點。微控制器作為系統的CPU，主要將其他模塊所采集的數據進行處理，并與程序植入的數據進行對比，從而觸發特定的模式[4]。

2 路燈智慧調光設計

調光系統整體設計方案采用一個PWM自動調光開關驅動控制電源，并在驅動電源后端的驅動電路中分別增設一個色溫控制調節驅動電路，該種色溫控制調節驅動電路主要是利用一個PWM調光開關通過調光的兩種方式自動調節燈光冷白LED系統陣列和燈光暖白LED系列陣列的燈光導通值和時間值，使其成正比，實現對色溫的自動調節。自動調光、調色溫系統結構如圖2所示。

為了實現色溫調節，將導通壓降比較接近的一路冷白LED陣列和一路暖白LED陣列并聯接于電源輸出端，采用功率開關管Mos1和Mos2分別控制冷白LED陣列和暖白LED陣列的通斷。PWM2信號連接Mos1的柵極，實現對冷白LED陣列導通時間的控制，PWM2經反相器后得到反相的信號PWM3連接Mos2柵極，控制暖白LED陣列的導通時間。PWM2為高電平時，PWM3為低電平，故冷白LED陣列導通，暖白LED陣列斷開，反之亦然。調節PWM2的占空比來調節單位時間內冷白LED陣列和暖白LED陣列的導通時間比例，實現燈光色溫按需精準變化的效果。

使用E3F-20C1對射激光傳感器來模擬車流量。將對射激光傳感器的引腳直接插入面板，在Arduino中分別設置好了對射激光傳感器的模塊功能，通過對射激光傳感器的記錄，規定當每分鐘通過次數大于10次時，PWM3為低電平，PWM2為高電平，暖白LED陣列的光導通；當其中一個每分鐘通過次數小于10次時，PWM2為低電平，PWM3為高電平，冷白LED陣列的光導通。對射激光傳感器的記錄每分鐘刷新一次。該設計的優勢在于路燈在車流量少的情況下開啟白色LED燈節能，車流量多的情況下開啟黃色LED燈，從而緩解駕駛員的視覺疲勞。

3 新能源超級電容設計

在一些太陽能發電路燈系統中，蓄電池的直流充放電溫度控制策略將可能直接影響其使用安全性。對于鉛酸蓄電池而言，常見的充電方式有恒壓充電、三階段充電、恒流充電、兩階段充電和恒壓限流充電。要想提升電池的壽命，必須選擇合適的充電方法，同時對于充電效率也會有較大的提高。超級電容器是一種新型儲能元件，在脈沖電源方面有著得天獨厚的優勢，文章設計將超級電容與MPPT最大功率算法相結合，一方面用MPPT算法保證太陽能板輸出功率始終保持最佳光照角度，另一方面通過超級電容提升充電利用率，最終實現高效率和高壽命的超級電容充電模組結構。

超級電容充電結構如圖3所示，使用STM32微控制器對光伏發電系統進行充電控制，DC-DC回路輸入端接入太陽能光伏電池板，輸出端接超級電容器組儲能裝置，通過DC-DC電路的各個端口可以采集和計算出所需要的電壓和電流數據進行MPPT，實現太陽能電池板在變化的外界環境下（如光度和溫度）尋找最大功率點。

圖3 超級電容充電結構圖

4 結束語

文章針對傳統路燈不可調光的問題設計了一種可以基于車流量和環境因素進行自動調光的智慧路燈，很好地解決了單色光對照明的影響，提升了路燈的安全性。同時，該路燈采用新能源路燈作為本體，通過超級電容設計在減少能源消耗的同時，提升了路燈的使用壽命，使其符合節約能源的需求。智慧路燈還可以通過5G等網絡接入物聯網，發展前景廣闊。