基于毫米波雷達(dá)的智能路燈設(shè)計(jì)及其前景預(yù)測

赫培崢，舒青山

西南科技大學(xué) 國防科技學(xué)院，四川 綿陽 621000

0 引言

我國的城市路燈已經(jīng)超過1×108盞，功率達(dá)2.5×107kW，年耗電總量超過5.9×1010kW·h。目前，國內(nèi)外的城市路燈照明主要采用“全夜燈恒照度”的照明方式，其照明方案分為兩種：一是全時(shí)段照明，無論道路上車流量多少，路燈在夜間時(shí)段保持常亮狀態(tài)；二是通過時(shí)間控制實(shí)現(xiàn)路燈照明，即路燈在上半夜全功率運(yùn)行，下半夜半功率運(yùn)行。以上兩種照明方案可以保證夜間的照明需求，但資源浪費(fèi)嚴(yán)重[1]。

基于此，文章設(shè)計(jì)了一款能實(shí)現(xiàn)按需照明的路燈，以期能夠解決“全夜燈恒照度”照明方案存在的高能耗問題。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的路燈與目前城市普遍采用照明路燈相比，預(yù)計(jì)單路段能耗將減少30%～40%，路燈壽命可延長2 倍以上，有效降低城市路燈經(jīng)濟(jì)投入，應(yīng)用前景廣闊。

1 路燈行業(yè)應(yīng)用、發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)路燈的應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)有的照明系統(tǒng)無法自動(dòng)監(jiān)控路燈的運(yùn)行狀態(tài)，只能通過人工巡邏的方式對路燈進(jìn)行管理和維護(hù)。隨著路燈系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這種巡邏方式會(huì)浪費(fèi)越來越多的人力，而且存在嚴(yán)重的滯后性。

現(xiàn)行的“全夜燈恒照度”照明方式雖然可以保證夜間基本照明和交通安全，但會(huì)造成電力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。城市居民大多在下半夜處于睡眠或休息狀態(tài)，街道上的汽車和行人很少，而所有的燈都處于恒亮狀態(tài)，會(huì)造成電力資源的浪費(fèi)。

1.2 智能路燈的發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 智能路燈得到廣泛應(yīng)用

2010 年以來，我國在控制科學(xué)、通信等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展越來越快，計(jì)算機(jī)與電子信息領(lǐng)域的科技水平得到了很大程度的提升，極大地促進(jìn)了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與進(jìn)步。隨著中國通信與照明技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，智能路燈在城市建設(shè)中也得到廣泛應(yīng)用，極大提高了城市照明系統(tǒng)的建設(shè)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了更有效的城市照明管控[2]。目前，中國的專家學(xué)者在路燈系統(tǒng)節(jié)能控制技術(shù)研究方面取得了重要進(jìn)步，主要包括時(shí)空光學(xué)控制技術(shù)和能效控制技術(shù)兩個(gè)方面。

1.2.2 智能路燈仍有不足

總體來看，隨著智慧城市建設(shè)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，智能路燈為城市建設(shè)帶來了新思路，發(fā)展前景良好。隨著我國居民生活水平的不斷提高，對電力能源的需求量越來越大，這給電力相關(guān)行業(yè)提供了廣闊的市場空間。然而，目前仍然存在一些問題，如成本下降和技術(shù)提升等問題，還有電能消耗過度等問題需要繼續(xù)探索，智能路燈距離大規(guī)模落地應(yīng)用仍有一段距離。

2 基于毫米波雷達(dá)的智能路燈設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

文章設(shè)計(jì)的智能路燈采用24 GHz 雷達(dá)技術(shù)，能夠隨時(shí)偵測人、車活動(dòng)的變化狀態(tài)，對路燈周圍一定范圍內(nèi)狀況進(jìn)行監(jiān)控，透過雷達(dá)感應(yīng)傳感器，根據(jù)車輛和行人之間的距離自動(dòng)調(diào)整燈光亮度。監(jiān)測范圍內(nèi)無目標(biāo)時(shí)路燈熄滅，減少能耗；有目標(biāo)時(shí)路燈開啟，并根據(jù)目標(biāo)的距離，通過控制模塊控制路燈的照明亮度，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)光照明。在滿足正常照明需求的同時(shí)，又達(dá)到節(jié)省能源、提高照明效率、延長路燈使用壽命的效果，能有效地解決現(xiàn)有路燈“通宵照明，恒光照明”帶來的能源過度消耗問題，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果的同時(shí)，保證道路交通安全。

該智能路燈主要由智能控制器、光照傳感器、雷達(dá)傳感器、LED 驅(qū)動(dòng)等組成，如圖1 所示。燈光信號通過設(shè)置在路面上的光照傳感器發(fā)送到智能控制器，信號處理后，智能控制器決定是否需要打開路燈。當(dāng)路燈開啟時(shí)，LED 路燈自動(dòng)保持30%的低亮度，此時(shí)，智能控制器接收來自雷達(dá)傳感器的信號。當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，點(diǎn)亮路燈，保證前方一定范圍內(nèi)的路燈保持較高的亮度，以滿足照明需要；當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離路燈時(shí)，根據(jù)目標(biāo)距離調(diào)整燈光，最終恢復(fù)30%的低亮度，保證照明需求的同時(shí)降低功耗，節(jié)約能源，提高照明效率[3]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

文章設(shè)計(jì)的智能路燈將雷達(dá)傳感器與系統(tǒng)控制板安裝于現(xiàn)代城市路燈上。毫米波雷達(dá)工作原理如圖2所示，毫米波通過雷達(dá)微束天線向外發(fā)射，雷達(dá)微束天線接收目標(biāo)反射信號，處理后迅速準(zhǔn)確取得目標(biāo)信息（與目標(biāo)的相對距離、相對速度、角度、運(yùn)動(dòng)方向），然后將檢測到的物體信息通過USB 旋轉(zhuǎn)TTL 串行適配器傳送到數(shù)據(jù)處理部，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過軟件處理計(jì)算目標(biāo)距離。

圖2 毫米波雷達(dá)工作原理

2.2 LED 亮度調(diào)節(jié)

LED 路燈本質(zhì)上是發(fā)光二極管，可以用微秒開關(guān)控制。由于LED 光源本身具有高能量密度、短波長等特點(diǎn)，在照明方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景[4]。因此，LED 調(diào)光控制裝置可以將電源轉(zhuǎn)換為脈沖恒定電流源，改變脈沖寬度，從而調(diào)節(jié)LED 的亮度，這稱為脈沖寬度調(diào)制。亮度與PWM 輸出的關(guān)系如圖3 所示。假如脈沖寬度為t，脈沖周期為T，

圖3 亮度與PWM 輸出的關(guān)系

改變占空比D的大小即可改變LED 的亮度。PWM調(diào)光的優(yōu)勢在于調(diào)光過程不會(huì)產(chǎn)生任何色彩偏移現(xiàn)象，即使是大范圍調(diào)光也不會(huì)發(fā)生閃爍現(xiàn)象，具有極高的調(diào)光精度。根據(jù)目標(biāo)距離調(diào)節(jié)電壓PWM 輸出，使路燈亮度連續(xù)平穩(wěn)變化，實(shí)現(xiàn)路燈無極調(diào)光，既滿足了照明需要，又滿足了亮度舒適性。

3 基于毫米波雷達(dá)的智能路燈的技術(shù)原理與算法

3.1 雷達(dá)測量目標(biāo)信息技術(shù)

文章設(shè)計(jì)的智能路燈通過微波陣列天線向外部放出毫米波，接收目標(biāo)的反射信號，迅速且準(zhǔn)確地取得目標(biāo)周圍的信息（如距離目標(biāo)的距離、角度、運(yùn)動(dòng)方向等）之后，根據(jù)所探知的目標(biāo)信息，由中央處理單元進(jìn)行智能處理，實(shí)現(xiàn)路燈亮度的無級調(diào)光，確保行車安全舒適，降低事故發(fā)生概率[5]。雷達(dá)原理如圖4所示。

圖4 雷達(dá)原理示意圖

對于靜止目標(biāo)，如圖4 中第一個(gè)掃描三角形所示，回波信號和發(fā)射信號有相同的形狀，只是相差一個(gè)時(shí)延τ，有

式中：R為目標(biāo)物體的距離；c為光速。

差頻信號大小可以由相似三角形的關(guān)系得出：

式中：T為調(diào)制三角波信號的周期；f0為中頻頻率；ΔF為調(diào)頻帶寬。從式（3）可以看出，目標(biāo)距離與毫米波雷達(dá)回波的中頻頻率成正比。通過式（2）（3）可得：

對于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，回波信號中包含了由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移fd。此時(shí)，在三角波掃描正程和逆程區(qū)域上，差頻信號頻率fb+和fb-可以分別表示為

多普勒頻移可由下面公式得到：

式中：fc為電磁波頻率。由式（4）～（7）式可以得出目標(biāo)的距離和速度表達(dá)式：

3.2 智能無極調(diào)光算法

通過軟件算法設(shè)計(jì)，提取數(shù)據(jù)報(bào)文目標(biāo)距離信息，采用PWM 調(diào)制輸出方式，根據(jù)測量目標(biāo)距離調(diào)整輸出電壓占空比，實(shí)現(xiàn)街燈0～100%的亮度無極調(diào)光。在滿足正常照明需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)按需節(jié)能調(diào)光。例如，單位時(shí)間輸出電壓占空比為50%，亮度為50%。

4 基于毫米波雷達(dá)智能路燈的特點(diǎn)與優(yōu)勢

4.1 毫米波雷達(dá)精準(zhǔn)探測

毫米波雷達(dá)具有穿透力強(qiáng)、不受惡劣天氣影響、探測距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，可滿足各種環(huán)境下道路探測的需求。根據(jù)毫米波雷達(dá)測量反饋的數(shù)據(jù)，可以隨時(shí)改變傳統(tǒng)路燈的工作狀態(tài)，包括滅、30%、50%、75%、100%五種狀態(tài)，也可以通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)LED 路燈無極調(diào)光，即0～100%亮度漸變，按需調(diào)整。在實(shí)際使用過程中能夠進(jìn)行全面調(diào)控。由于裝置使用了直流供電，可以減少燈具的工作時(shí)間和負(fù)荷，對于夜間車少、人少的路段可以不工作，既節(jié)約能源又提升路燈壽命。

4.2 方案兼容性強(qiáng)

文章設(shè)計(jì)的智能路燈融合了多項(xiàng)傳感技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)，能與現(xiàn)有的路燈管理系統(tǒng)進(jìn)行無縫兼容，可在現(xiàn)有的線路基礎(chǔ)上直接運(yùn)行該系統(tǒng)，免去了二次布線，只需對終端控制器進(jìn)行合理整合，不需要再耗費(fèi)大量人力、物力進(jìn)行線路改造和設(shè)備升級。

5 基于毫米波雷達(dá)的智能路燈應(yīng)用前景

基于毫米波雷達(dá)的智能路燈設(shè)計(jì)方案廣泛應(yīng)用于社區(qū)、道路照明、高速照明等場景。該裝置根據(jù)不同場景可有不同的照明策略。例如，當(dāng)路燈附近無目標(biāo)時(shí)，路燈低亮度照明，有助于滿足行人的方向定位和尋找目標(biāo)需要；當(dāng)行人或車輛靠近該燈時(shí)，路燈將以最大功率照明，確保行人能清楚地看到路況，從而了解車輛的速度和方向，并判斷與其他車輛的距離。

智能路燈是物聯(lián)網(wǎng)在城市中的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，其應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)改造后可以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)交互環(huán)境下的智能照明、智慧交通、環(huán)境監(jiān)測等功能。文章設(shè)計(jì)的智能路燈將實(shí)現(xiàn)路燈的智能化與節(jié)能化，未來還可以延伸出更多的應(yīng)用前景。

6 結(jié)束語

在國家相關(guān)政策的大力支持和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的推動(dòng)下，城市智能路燈將得到進(jìn)一步升級和發(fā)展。隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們對生活品質(zhì)要求越來越高。城市照明作為城市重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，也逐步朝著智能化方向邁進(jìn)。未來智能路燈或?qū)⒊蔀橹腔鄢鞘小⒅腔劢煌ǖ妮d體，在智能化基礎(chǔ)上拓展出更多應(yīng)用前景。在這個(gè)過程中，要做好路燈在智能化與節(jié)能化的雙線建設(shè)，既要滿足人們對照明的品質(zhì)的需求，更要降低能源消耗。