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          智能節(jié)能路燈設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2009-03-11 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          是城市工程的主要組成部分,在夜晚,起到非常重要的作用。但是在起著重要作用的同時(shí),也在消耗著大量的能源。目前一般的傳統(tǒng)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(dá)到1000W以上。我們以一盞路燈200W來計(jì)算,一個(gè)晚上12個(gè)小時(shí)(從晚上7點(diǎn)到第二天早上7點(diǎn)),那么一盞路燈就要消耗200×12/1000 = 2.4度電能。假設(shè)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。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/169535.htm

          在一個(gè)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(qū)和比較偏僻的路段,在半夜1點(diǎn)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(jīng)過,這些路燈也是長期點(diǎn)亮的,這時(shí)電能就被白白浪費(fèi)掉了。很多路段真正有效的照明時(shí)間只占到整個(gè)照明時(shí)間的20%-30%,也就是說大部分電能被浪費(fèi)掉了。

          如果有效照明時(shí)間是30%,那么一條街道浪費(fèi)的電能就有17.52×0.7=12萬度。一個(gè)中等規(guī)模的城市這樣的街道可能就有100個(gè)以上,一個(gè)大城市往往有數(shù)百個(gè)這樣的街道,那么就是說一個(gè)城市每年在路燈上浪費(fèi)的電能就有數(shù)百到數(shù)千萬度以上??紤]到全國有數(shù)百個(gè)大型城市,中小規(guī)模的城市更多,總的浪費(fèi)電能是非常巨大的。據(jù)統(tǒng)計(jì),杭州市一年用于城市照明的費(fèi)用就高達(dá)3億元以上。如果我們采取一定的措施,比如說在沒有人和車經(jīng)過時(shí)自動關(guān)閉路燈,就可以收到明顯的效果。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。


          目前常見的方式

          目前路燈的主要節(jié)能技術(shù)有LED路燈、太陽能LED路燈等。

          LED照明是一種較新的技術(shù),它具有效率高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)LED路燈,如果要達(dá)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(tǒng)路燈的25%-40%。隨著技術(shù)的發(fā)展,LED已經(jīng)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(jīng)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(zhuǎn)換效率,和傳統(tǒng)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(jìn)行充電,晚上利用電池驅(qū)動LED照明。這種方式雖然不需要交流供電,但是它的缺點(diǎn)很多,存在著成本高、功率?。炼鹊停?、維護(hù)量大、電池壽命短、可靠性差等缺點(diǎn)。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(yīng)用。 還有一些城市在夜間為了節(jié)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(guān)閉一盞,也就是關(guān)閉一半的路燈。雖然這樣可以節(jié)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(shí),另外一半的路燈仍然存在能源浪費(fèi)的問題,并沒有真正解決節(jié)能的問題。


          節(jié)能路燈的原理

          出于以上原因,我們了這樣一種高效率的節(jié)能路燈。它由兩個(gè)部分組成:節(jié)能控制和Zigbee控制。

          節(jié)能控制
          節(jié)能控制包含有下面兩個(gè)部分:

          使用LED照明
          使用LED作為路燈照明,比傳統(tǒng)的高壓鈉燈或高壓水銀燈有更高的效率,可以顯著節(jié)約能源。因?yàn)長ED是使用AD/DC穩(wěn)壓后供電的,允許較寬的電源輸入范圍,照明效率不受電網(wǎng)電壓波動的影響,這也可以提高照明的效率。而且傳統(tǒng)的高壓水銀燈和高壓鈉燈,因?yàn)樾枰A(yù)熱,啟動時(shí)間長,不適合頻繁的開關(guān)控制,所以不在考慮的范圍之內(nèi)。

          感應(yīng)控制
          當(dāng)有人或車輛經(jīng)過時(shí),控制路燈自動控制打開路燈或者增強(qiáng)路燈的亮度;而在一段時(shí)間內(nèi)沒有人或車輛經(jīng)過,自動延時(shí)后關(guān)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(dá)到節(jié)約能源的目的。 ZigBee無線控制
          Zigbee是一種新興的無線控制技術(shù),它具有可靠性高、抗干擾性能好、功耗低、自動路由等特點(diǎn)。在一般情況下,使用芯片自身的信號發(fā)射強(qiáng)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(shù)。使用Zigbee無線,我們可以實(shí)現(xiàn)以下一些功能:

          無線控制。通過Zigbee可以快速將路燈開關(guān)的控制信號從控制中心發(fā)送到整個(gè)路燈照明系統(tǒng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)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(gè)路段,可以通知下一個(gè)路段提前點(diǎn)亮路燈。
          快速巡檢。檢修人員可以不用對每個(gè)路燈逐一檢查維修,通過Zigbee在監(jiān)控中心就可以迅速查看每個(gè)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器實(shí)時(shí)檢測,可以進(jìn)行故障預(yù)警,及時(shí)通知進(jìn)行維護(hù)。
          傳遞一些輔助控制信號和監(jiān)視信號。使用Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳遞消息到一些戶外設(shè)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(yùn)行提示、交通情況監(jiān)視、重點(diǎn)路段噪聲監(jiān)視、空氣質(zhì)量監(jiān)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(shù)據(jù)量大。
          交通燈智能管理。目前交通燈基本都是采用定時(shí)切換的工作方式,就是按一定時(shí)間間隔輪流改變交通燈的狀態(tài),這種方式效率很低。如果在現(xiàn)有節(jié)能路燈基礎(chǔ)上,增加適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/傳感">傳感器,就可以判斷出每條道路上需要通過車輛的數(shù)量,再通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將各路口車輛數(shù)據(jù)匯總到交通燈中心的處理器上,根據(jù)每條道路的車流量,按照一定的算法就可以計(jì)算出最優(yōu)化的切換時(shí)間。這樣可以將車輛整體的排隊(duì)等待時(shí)間減少,提高道路的利用效率,同時(shí)減少了汽車因?yàn)榈却斐晌矚獾呐欧帕浚@也是一種環(huán)境保護(hù)的方式。

          理論上一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以有65000個(gè)節(jié)點(diǎn),但是實(shí)際使用中,考慮到速度和其他因素,一般的Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以有1000個(gè)節(jié)點(diǎn)。而一個(gè)路段的路燈總數(shù)一般不會超出1000(即使有超過的,也可以人為的劃分為多個(gè)小路段處理),正好適合。這樣每一條街道都是一個(gè)獨(dú)立的小ZigBee系統(tǒng),同一街道的路燈之間可以進(jìn)行,傳遞信息,而不同街道的路燈之間是不直接聯(lián)系的,互不干擾。對于每個(gè)路段,我們還設(shè)置Zigbee網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)包含兩個(gè)獨(dú)立的Zigbee系統(tǒng),一個(gè)和本路段的Zigbee相連,另外一個(gè)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(qiáng)發(fā)射功率,增加距離(目前有的廠家的ZigBee模塊可以達(dá)到數(shù)十公里的距離,完全可以滿足覆蓋一個(gè)城市的要求),這樣多個(gè)路段的ZigBee網(wǎng)關(guān)又組成一個(gè)大范圍的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

          無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

          系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

          智能節(jié)能路燈使用了功能強(qiáng)大的MC9S08QE64單片機(jī)作為控制器,利用單片機(jī)自身集成的中斷、ADC、PWM等功能模塊,實(shí)現(xiàn)了環(huán)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(jī)連接。

          LED驅(qū)動部分利用MC9S08單片機(jī)帶有的增強(qiáng)的TPM模塊來產(chǎn)生PWM信號,驅(qū)動多路白光LED進(jìn)行照明(使用多路LED是為了保證照明的亮度)。通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比,就可以調(diào)整LED的亮度。同時(shí)對LED的電流和照明光強(qiáng)進(jìn)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(jīng)過,我們使用了紅外、壓力、振動、聲音等多種器來感知人體和車輛的運(yùn)動,并綜合進(jìn)行判斷,這樣可以有效的檢測到人和車輛的經(jīng)過,同時(shí)減少了干擾信號對系統(tǒng)的影響。圖一顯示了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

          系統(tǒng)框圖

          紅外傳感器
          當(dāng)人或車輛經(jīng)過時(shí),會產(chǎn)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(jīng)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(jīng)過時(shí)在地面產(chǎn)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(gè)作用,檢測環(huán)境光和檢測LED光強(qiáng)。在LED關(guān)閉時(shí)檢測環(huán)境光強(qiáng)度,在LED點(diǎn)亮?xí)r檢測LED發(fā)光亮度;當(dāng)LED老化導(dǎo)致發(fā)光亮度下降時(shí)可以產(chǎn)生一個(gè)調(diào)整信號,使得照明亮度不變。如果始終亮度不足,將產(chǎn)生一個(gè)告警信號,提示及時(shí)更換和維護(hù)。

          振動傳感器
          在車輛經(jīng)過時(shí),會產(chǎn)生振動信號。檢測這個(gè)信號可以判斷是否有車輛經(jīng)過。

          聲音傳感器
          主要檢測車輛經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的噪聲。

          因?yàn)閷?shí)際使用環(huán)境是非常復(fù)雜的,傳感器不但需要靈敏度高,還要有一定的感應(yīng)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(cuò)誤判斷。綜合多個(gè)傳感器的信號,并按照一定的算法進(jìn)行綜合判斷,這樣可以得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果,有效的控制路燈狀態(tài)。







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