基于ZigBee的两阶段照明模式路灯组设计

　　摘要:提出了由路灯监控终端、路灯控制终端、GPRS通信网络、ZigBee通信网络和路灯传感装置组成的智能化节能路灯组，将路灯照明过程分为常亮和感应照明两个阶段，构建了路灯节能控制系统，远程实时监控路灯的工作状态，提高了道路照明智能化管理水平。

　　关键词:智能，节能，ZigBee通信网络，GPRS通信网络

　　0引言

　　据不完全统计，目前我国国内城市道路照明的总灯数约400万只(套)，加上高速公路、工矿企业、机场、码头等非市政照明灯具约100万只(套)，总数超过500多万只，并且每年以10%以上的速度递增。其中城市公共照明在我国照明耗电中占30%的比例，约439亿kWh，以平均电价元/kWh计算，一年开支达285亿元，成为各地财政部门的一大负担。

　　照明论文范例：建筑电气照明节能技术的研究

　　本文首先列举出了国内外常见道路照明系统，并对其特点进行了简要分析，大部分的研究在具有一定优越性的同时也会显现出不足之处，针对这些存在的问题，我们提出了智能化节能路灯组这一方案，以更加智能和节能的手段构建城市道路照明系统。

　　1国内外研究现状

　　1.1国内研究现状

　　大部分研究没有考虑到道路不同时段的车流量存在差异而引起的道路照明需要的不同，且大都只是研究单一路灯的明暗变化，没有涉及到一排路灯根据车或人的不同而产生相应反应，此外也没有考虑到路灯突然变亮会刺激驾驶员，不利于行车安全。

　　其中一种研究是通过摄像头(计算机视觉)[1]来检测有无车辆(人)通过来使系统实现自动调节，这种技术十分困难，且本身装置耗电量很大，节能效果不好;另外一种研究是利用车联网与车进行联动[2]，这个研究需要在车和路灯上加装感应设备，十分复杂，且让每辆车都加装感应设备不容易实现，此研究也没有考虑到行人通过的情况;还有一种是通过光学传感器感应来车的灯光进而判断有无车辆通过[3]，因为车辆灯光本身差别不大，光学传感器很难判别，所以这一研究不太合理，也没有考虑到行人通过的情况。

　　1.2国外研究现状

　　荷兰代尔夫特理工大学研究了一种可自动调节亮度和诊断路障的智能路灯系统[4]，这套系统不仅比现有系统节电80%，维护费用也更为低廉，但是该研究只在期刊中大致说明，并无后续跟进内容，且该研究并没有推广使用。匈牙利通用电气公司研究出一种基于e+电网系统控制的智能路灯[5]，它采用LED灯具，可以根据气象条件调整开关时间，有一定的节能效果;印度乡村应用的一种智慧路灯[6]利用太阳能运行，无配电损耗，寿命长，但是初期费用较高，受气候条件影响较大。

　　1.3ZigBee通信网络的应用

　　目前存在一些将ZigBee通信网络作为路灯控制系统的研究和专利，但是数量较少且侧重点为ZigBee通信网络的优越性，并没有关于多元控制方式的研究。这些研究验证了我们加装的ZigBee通信网络的优越性，但是对系统控制的研究帮助不大。

　　2基于ZigBee的两阶段照明模式路灯组设计

　　针对现有技术存在的不足，本设计的目的是建设城市智能化路灯照明系统，以解决传统路灯智能性差、节能效果不理想、损坏维修不及时等问题。本设计将实现城市路灯智能化控制、实时监控、故障自动报警等功能且极大程度地节约能耗，将城市照明区域化、网络化，使路灯符合未来发展趋势和可持续发展理念 。

　　2.1具体装置及其作用

　　基于ZigBee的两阶段照明模式路灯组，包括单片机，还包括车辆速度传感应器、光电传感器、计数器、GPRS无线传输模块、ZigBee无线传输模块、LED路灯等装置。由路灯监控终端、路灯控制终端、路灯监控终端和路灯控制终端之间的GPRS通信网络、路灯控制终端和路灯之间的ZigBee通信网络及路灯传感装置组成。

　　其中，路灯传感装置的作用是对相应信息进行记录;路灯控制终端的作用是利用相应程序和公式对接收到的数据进行计算和比较判断，进而能够实现对路灯的有效控制;路灯监控终端的作用是将控制终端传递来的信息进行统计和整合，进而将整个系统的实时信息传递给操控人员，ZigBee通信网络是实现路灯控制终端和路灯之间的通信、GPRS通信网络是实现路灯监控终端和路灯控制终端之间的通信。

　　2.2技术方案

　　基于ZigBee的两阶段照明模式路灯组采用两阶段式照明模式，将道路需要照明的时段分为两个阶段，根据不同阶段的实时情况调节路灯系统的照明方式与亮度。第一阶段为常亮阶段，当环境亮度低于设定值时，路灯组以相同亮度亮起提供照明，此阶段以光电传感器为核心，根据环境亮度自动调节路灯照明亮度，此时第一个速度传感器和计数器起统计车流量的作用;第二阶段为感应照明阶段，当第一阶段的计数器和第一个速度传感器收集的车流量数据低于预设值时，系统自动进入第二阶段，路灯不再常亮，而是根据情况自行调节。此阶段的核心为速度传感器，速度传感器通过采集速度来区分车辆与行人，考虑到车辆与行人速度的差异，当车通过时，路灯系统成组亮起，一段时间后再熄灭;当行人通过时，路灯逐个亮起，行人走后逐个熄灭，路灯变化速度由速度传感器采集的速度经公式计算得到。最后当环境亮度高于光学传感器设定值时，系统全部关闭，由此循环。

　　3具体实施方式

　　3.1装置布置

　　路灯组以一组5个路灯为基础单位，每两个路灯的间距为70m，在第1个路灯前280m处加装第一个速度传感器和计数器，在第一组路灯的第2个路灯处加装第二个速度传感器(控制第二组路灯)，在第二组路灯的第2个路灯上加装第三个速度传感器(控制第三组路灯)，以此类推，在每组路灯的第2个路灯上加装速度传感器。将光电传感器加装到不受路灯灯光影响的位置，路灯控制终端(单片机+ZigBee接收模块+GPRS发射模块)安装在路灯组的中心位置(图2中安装在⑤号路灯上)，路灯监控终端(计算机+GPRS接收模块)根据操控人员的需要安装在合适位置，再在每个路灯上都加装ZigBee发射模块，光电传感器根据道路实际情况安装在不受路灯灯光影响的位置。

　　3.2举例说明

　　以10个路灯为例，将10个路灯从①～⑩依次标号，等间距排成一列，前5个为一组，后5个一组，在①号路灯前280m处加装第一个速度传感器和计数器，在②号路灯上加装第二个速度传感器，在每个路灯上都加装ZigBee通信模块，再将光电传感器加装到不受路灯灯光影响的位置;将路灯控制终端安装在⑤号路灯上，编写单片机程序，通过基于ZigBee通讯系统的数据传输线路，将单片机和路灯连接起来，再通过基于GPRS通讯系统将路灯控制终端和路灯监控终端连接起来。

　　4基于ZigBee的两阶段照明模式路灯组的特色

　　1)考虑到不同时段道路照明需要的不同，将系统分为两个主要阶段。2)在第一阶段使路灯的亮度随环境亮度的逐渐变暗而逐渐变亮，且考虑到此时的车流量较大，将系统设置为常亮。3)在第二阶段考虑到此时的车流量较小，将系统设置为感应照明，且考虑到车辆和行人速度的差异，将系统分为两种情况:成组或逐个变亮。4)考虑到路灯突然变亮会对驾驶员产生刺激，不利于行车安全，使路灯提前亮起且给路灯照明的持续时间加设容错值，保障行车安全。5)实现了系统的全自动控制和实时反馈信息及故障报警功能。

　　5结语

　　在城市道路照明耗电量十分巨大的今天，城市路灯的节能化研究已是大势所驱，且随着5G时代的到来，智能化控制也是时代潮流，所以本设计从智能化和节能两大主题出发，研制出智能化节能路灯组以实现对城市路灯照明的智能化精确控制以节约人力，且保证充足照明的情况下极大程度地减少了路灯照明时间，减少了能源消耗。后续对于智能化节能路灯组进行深入探索，希望能增加更多使用价值。

　　参考文献：

　　[1]高峰，吴青.基于视频的城市道路智能照明控制系统设计[J].交通信息与安全，2009(6):107-110.

　　[2]米文辉，刘倩，于海霞.基于“车联网”的V2R智能路灯控制系统[J].中国新通信，2020(5):69-71.

　　[3]唐燕妮.基于ZigBee的物联网智能LED路灯控制系统设计[J].科教文汇(上旬刊)，2015(2):217-219.

　　作者：孙垂科王博傲曹琴雯沈迪李火妙张文会