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路燈是城市照明工程的主要組成部分，在夜晚，路燈的照明起到非常重要的作用。但是路燈在起著重要作用的同時，也在消耗著大量的能源。目前一般的傳統路燈，主要是高壓鈉燈，一盞路燈的功率約為100W-400W，一些大型路燈功率可以達到1000W以上。我們以一盞路燈200W來計算，一個晚上照明12個小時(從晚上7點到第二天早上7點)，那么一盞路燈就要消耗200×12/1000 = 2.4度電能。假設路燈之間的間距是20米，一條長2公里的街道就有2×2000/20 = 200盞路燈(道路兩邊各有一盞路燈，所以要乘2)，那么這條街道一晚上消耗的電能就有200×2.4 = 480度，1年消耗的電能是480×365=17.52萬度。 在一個城市中，除了主干道外，還有很多次干道和小的路段，這些街道在夜晚的人流量和車流量都比較小。特別是一些郊區和比較偏僻的路段，在半夜1點鐘以后，人流量和車流量一般非常少。但是即使沒有人或車經過，這些路燈也是長期點亮的，這時電能就被白白浪費掉了。很多路段真正有效的照明時間只占到整個照明時間的20%-30%，也就是說大部分電能被浪費掉了。 如果有效照明時間是30%，那么一條街道浪費的電能就有17.52×0.7=12萬度。一個中等規模的城市這樣的街道可能就有100個以上，一個大城市往往有數百個這樣的街道，那么就是說一個城市每年在路燈上浪費的電能就有數百到數千萬度以上。考慮到全國有數百個大型城市，中小規模的城市更多，總的浪費電能是非常巨大的。據統計，杭州市一年用于城市照明的費用就高達3億元以上。如果我們采取一定的節能措施，比如說在沒有人和車經過時自動關閉路燈，就可以收到明顯的節能效果。在能源日益緊張的今天，特別是很多城市存在電力不足的矛盾，這無疑是非常有意義的。 目前常見的節能方式 目前路燈的主要節能技術有LED路燈、太陽能LED路燈等。 LED照明是一種較新的技術，它具有效率高、使用壽命長等優點。一個LED路燈，如果要達到和普通的高壓鈉燈和高壓水銀燈那樣的亮度，大約需要消耗的40W以上功耗，只有傳統路燈的25%-40%。隨著技術的發展，LED已經開始逐漸取代白熾燈，廣泛用于各種照明中，目前LED路燈已經在一些大城市開始試用了。但是這種LED路燈只是提高了電能到光能的轉換效率，和傳統路燈一樣，仍然存在整體照明效率不高的問題。 目前還有一種太陽能方式的LED路燈，它在白天利用太陽能給蓄電池進行充電，晚上利用電池驅動LED照明。這種方式雖然不需要交流供電，但是它的缺點很多，存在著成本高、功率小(亮度低)、維護量大、電池壽命短、可靠性差等缺點。完全使用太陽能，會造成一些情況下路燈無法使用的問題。所以太陽能路燈目前并沒有得到廣泛應用。 還有一些城市在夜間為了節約路燈照明使用的電能，采樣了間隔照明的方式，即每隔一盞路燈就關閉一盞，也就是關閉一半的路燈。雖然這樣可以節約一半的電力消耗，但是也帶來不少隱患，如照明亮度降低，存在照明死角，容易造成交通事故。同時，另外一半的路燈仍然存在能源浪費的問題，并沒有真正解決節能的問題。 智能節能路燈的原理 出于以上原因，我們設計了這樣一種高效率的智能節能路燈。它由兩個部分組成：節能控制和Zigbee控制。 節能控制 節能控制包含有下面兩個部分： 使用LED照明 使用LED作為路燈照明，比傳統的高壓鈉燈或高壓水銀燈有更高的效率，可以顯著節約能源。因為LED是使用AD/DC穩壓后供電的，允許較寬的電源輸入范圍，照明效率不受電網電壓波動的影響，這也可以提高照明的效率。而且傳統的高壓水銀燈和高壓鈉燈，因為需要預熱，啟動時間長，不適合頻繁的開關控制，所以不在考慮的范圍之內。 智能感應控制 當有人或車輛經過時，控制路燈自動控制打開路燈或者增強路燈的亮度;而在一段時間內沒有人或車輛經過，自動延時后關閉路燈或者減弱路燈亮度，這樣就可以最大限度的提高路燈的照明效率，達到節約能源的目的。 ZigBee無線控制 Zigbee是一種新興的無線控制技術，它具有可靠性高、抗干擾性能好、功耗低、自動路由等特點。在一般情況下，使用芯片自身的信號發射強度，信號可靠的傳遞距離為40-100米。路燈的間距一般都在20-30米，而且路燈之間沒有障礙物，不會對無線信號造成阻擋。這使得在路燈管理中非常適合使用Zigbee技術。使用Zigbee無線通信，我們可以實現以下一些功能： 無線控制。通過Zigbee可以快速將路燈開關的控制信號從控制中心發送到整個路燈照明系統的每個節點，可以實現每個路燈的精確控制。 信號傳遞。將本路段人和車輛的情況傳遞到下一個路段，可以通知下一個路段提前點亮路燈。 快速巡檢。檢修人員可以不用對每個路燈逐一檢查維修，通過Zigbee在監控中心就可以迅速查看每個路燈的工作狀況以及歷史工作情況。并且利用路燈中帶有的傳感器實時檢測，可以進行故障預警，及時通知進行維護。 傳遞一些輔助控制信號和監視信號。使用Zigbee網絡傳遞消息到一些戶外設備上，比如街頭文字廣告牌、出租車后的滾動消息、公共汽車運行提示、交通情況監視、重點路段噪聲監視、空氣質量監視等，這比目前廣泛使用的GPRS或短信方式更加簡單可靠、成本低、數據量大。 交通燈智能管理。目前交通燈基本都是采用定時切換的工作方式，就是按一定時間間隔輪流改變交通燈的狀態，這種方式效率很低。如果在現有節能路燈基礎上，增加適當的傳感器，就可以判斷出每條道路上需要通過車輛的數量，再通過Zigbee網絡將各路口車輛數據匯總到交通燈中心的處理器上，根據每條道路的車流量，按照一定的算法就可以計算出最優化的切換時間。這樣可以將車輛整體的排隊等待時間減少，提高道路的利用效率，同時減少了汽車因為等待造成尾氣的排放量，這也是一種環境保護的方式。 理論上一個Zigbee網絡可以有65000個節點，但是實際使用中，考慮到速度和其他因素，一般的Zigbee網絡可以有1000個節點。而一個路段的路燈總數一般不會超出1000(即使有超過的，也可以人為的劃分為多個小路段處理)，正好適合。這樣每一條街道都是一個獨立的小ZigBee系統，同一街道的路燈之間可以進行通信，傳遞信息，而不同街道的路燈之間是不直接聯系的，互不干擾。對于每個路段，我們還設置Zigbee網關，網關包含兩個獨立的Zigbee系統，一個和本路段的Zigbee相連，另外一個和控制中心相連。和控制中心連接的部分使用外部功率放大器來增強發射功率，增加通信距離(目前有的廠家的ZigBee模塊可以達到數十公里的距離，完全可以滿足覆蓋一個城市的要求)，這樣多個路段的ZigBee網關又組成一個大范圍的ZigBee網絡。 無線通信網絡結構圖 系統結構 智能節能路燈使用了功能強大的MC9S08QE64單片機作為控制器，利用單片機自身集成的中斷、ADC、PWM等功能模塊，實現了環境信號檢測、LED控制、ZigBee通信等多種功能。Zigbee部分使用了MC13202作為控制芯片，使用SPI接口和單片機連接。 LED驅動部分利用MC9S08單片機帶有的增強的TPM模塊來產生PWM信號，驅動多路白光LED進行照明(使用多路LED是為了保證照明的亮度)。通過調節PWM信號的占空比，就可以調整LED的亮度。同時對LED的電流和照明光強進行檢測，并反饋到PWM控制中，這樣可以保證照明的亮度。 為了可靠的檢測到人或者車輛的經過，我們使用了紅外、壓力、振動、聲音等多種傳感器來感知人體和車輛的運動，并綜合進行判斷，這樣可以有效的檢測到人和車輛的經過，同時減少了干擾信號對系統的影響。圖一顯示了整個系統的結構。 系統框圖 紅外傳感器 當人或車輛經過時，會產生不可見的紅外信號。利用集成了菲利爾透鏡的紅外傳感器，就可以有效的檢測出有人或車輛的經過。目前使用的紅外傳感器有效的檢測距離是8-10米。 壓力傳感器 用于檢測車輛和人經過時在地面產生的壓力，壓力傳感器分布在道路的主要位置的路面下。 光敏傳感器 有兩個作用，檢測環境光和檢測LED光強。在LED關閉時檢測環境光強度，在LED點亮時檢測LED發光亮度;當LED老化導致發光亮度下降時可以產生一個調整信號，使得照明亮度不變。如果始終亮度不足，將產生一個告警信號，提示及時更換和維護。 振動傳感器 在車輛經過時，會產生振動信號。檢測這個信號可以判斷是否有車輛經過。 聲音傳感器 主要檢測車輛經過時產生的噪聲。 因為實際使用環境是非常復雜的，傳感器不但需要靈敏度高，還要有一定的感應距離(》10米)。使用單一的傳感器很難兼顧各種情況，很容易造成一些錯誤判斷。綜合多個傳感器的信號，并按照一定的算法進行綜合判斷，這樣可以得到比較準確的結果，有效的控制路燈狀態。 |
