基于無(wú)線局域網(wǎng)的路燈節(jié)電智能控制器設(shè)計(jì)

鄭 浪，王 栗，楊澤明，王 超

（湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

現(xiàn)有的節(jié)約道路照明用電方案分為兩大類:第一類是基于傳統(tǒng)的分時(shí)段控制方式的路燈節(jié)電技術(shù)［1－2］，這一類控制方式只是簡(jiǎn)單的基于時(shí)間來(lái)控制、改變路燈的亮度，節(jié)能效果有限，并且影響路面的人、車正常通行；第二類是對(duì)路燈采用智能控制技術(shù)進(jìn)行節(jié)能［3－4］。如中科院廣州分院軟件所2012年開發(fā)的公共照明智能管理技術(shù)，基于電力線載波技術(shù)把路燈聯(lián)網(wǎng)，再通過(guò)攝像頭檢測(cè)路面交通信息，根據(jù)路面交通信息對(duì)路燈的亮度進(jìn)行控制。相對(duì)傳統(tǒng)路燈控制方式而言，這是一個(gè)質(zhì)的進(jìn)步，但成本比較高，且電力線載波只能對(duì)傳統(tǒng)市電路燈進(jìn)行控制，無(wú)法對(duì)太陽(yáng)能等新能源路燈進(jìn)行控制。

因此，開發(fā)出一個(gè)低成本且運(yùn)行穩(wěn)定的路燈節(jié)電智能控制器具有重要意義，可避免很多節(jié)能產(chǎn)品“節(jié)能環(huán)保不省錢”的尷尬局面。

1 路燈節(jié)電智能控制器方案設(shè)計(jì)

1.1 無(wú)線局域網(wǎng)組網(wǎng)通信功能方案

現(xiàn)有的路燈通信組網(wǎng)技術(shù)分為有線和無(wú)線兩種方式。有線組網(wǎng)方式主要是電力線載波技術(shù)［5］，此技術(shù)需安裝專門的濾波器，成本較高，并且無(wú)法控制太陽(yáng)能路燈。無(wú)線組網(wǎng)方式大部分采用Zigbee協(xié)議［6］。Zigbee協(xié)議是一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是目前在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用較多的一種無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，能夠在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信［7］?？刂坡窡舻臒o(wú)線局域網(wǎng)的特點(diǎn)是:低成本、低數(shù)據(jù)率、響應(yīng)較快、對(duì)兼容性要求不高等。但是，Zigbee是以犧牲成本和性能為代價(jià)來(lái)?yè)Q取兼容性的，而且Zigbee協(xié)議十分復(fù)雜，用于路燈控制并不合適。

基于上述考慮，自主開發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)潔實(shí)用的無(wú)線通信協(xié)議。其通信組網(wǎng)的底層硬件平臺(tái)選用通用無(wú)線收發(fā)器芯片nRF24L01，它是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4～2.5GHz ISM 頻段［8］。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型SchockBurstTM技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可以進(jìn)行配置。其功耗也比較低，當(dāng)工作在發(fā)射模式下，發(fā)射功率為－6dBm時(shí)電流消耗為9mA，接收模式時(shí)為12.3mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低，有利于節(jié)能設(shè)計(jì)。

圖1 路燈無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

該通信協(xié)議的指令格式設(shè)計(jì)借鑒了工業(yè)控制協(xié)議Modbus的一些思想，具體格式如下:轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)接收節(jié)點(diǎn)地址，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址，最終接收節(jié)點(diǎn)地址，最初發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址，指令碼，指令數(shù)據(jù)，累計(jì)轉(zhuǎn)發(fā)計(jì)數(shù)器，最大轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)限制值，CRC校驗(yàn)碼。協(xié)議的故障處理機(jī)制:正常情況時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只和相鄰節(jié)點(diǎn)通信；如果有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，連續(xù)3次重發(fā)，仍無(wú)響應(yīng)的，即確定為故障節(jié)點(diǎn)，可以跳開這個(gè)故障節(jié)點(diǎn)，和下一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信，并把故障信息存起來(lái)，等到遙控器查詢時(shí)，上報(bào)故障信息（圖1）。

1.2 采用傳感器對(duì)路面信息檢測(cè)的方案

1.2.1 熱釋電紅外傳感器檢測(cè)行人方案 熱釋電紅外傳感器即PIR傳感器，是通過(guò)檢測(cè)人體輻射出的特定波長(zhǎng)的紅外線來(lái)檢測(cè)行人的。PIR傳感器輸出的信號(hào)極其微弱，一般只有幾mV，需要使用放大電路去放大輸出信號(hào)，用透明塑料做成的菲涅爾透鏡來(lái)增強(qiáng)入射紅外信號(hào)，這樣使得PIR傳感器的檢測(cè)范圍可以達(dá)到10m左右。PIR信號(hào)處理電路包括:放大、低通濾波、鑒幅、波形保留等環(huán)節(jié)。

1.2.2 光敏電阻配合聲控傳感器來(lái)檢測(cè)汽車的方案 通過(guò)檢測(cè)汽車燈光來(lái)檢測(cè)汽車的存在，這一方案能否順利實(shí)施的關(guān)鍵是要抗干擾，在軟件上設(shè)置了一個(gè)抗干擾的算法，具體思路如下:通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，汽車燈光比環(huán)境干擾光的亮度要亮很多，汽車燈光照射光敏電阻時(shí)，阻值變化較大進(jìn)而可以使光敏傳感器電路產(chǎn)生電平變化，因此，使用一個(gè)模糊控制的算法可以比較有效的辨識(shí)出汽車燈光信號(hào)。另外，在路燈桿上部安裝光敏電阻可以判斷是否是閃電光的干擾；同時(shí)為了提高靈敏度和抗干擾能力可以結(jié)合聲控傳感器，智能判斷是干擾還是有汽車駛來(lái)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，此種方法看起來(lái)雖簡(jiǎn)單，但在沒(méi)有綠化帶遮擋、寬度10m以內(nèi)的支路道路上行之有效，并且誤觸發(fā)率也比較低，不到5%。

1.3 路燈節(jié)電智能控制器的電氣原理圖

本設(shè)計(jì)有兩個(gè)版本，分別針對(duì)太陽(yáng)能供電路燈和市電供電路燈。盡管目前實(shí)際使用的路燈中，太陽(yáng)能路燈所占比例不大，但是經(jīng)仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn):將太陽(yáng)能路燈與節(jié)電智能控制器相結(jié)合后相得益彰，將產(chǎn)生很多好處。

1）太陽(yáng)能路燈的太陽(yáng)能電池板和蓄電池容量與燈具的耗電量是成正比的，采用路燈節(jié)電智能控制器后，視具體情況而定，燈具耗電量一般將下降40%～80%，因此，所配置的太陽(yáng)能電池板和蓄電池容量也可以下降40%～80%，太陽(yáng)能路燈的造價(jià)主要是太陽(yáng)能電池板和蓄電池的費(fèi)用，所以相當(dāng)于太陽(yáng)能路燈的造價(jià)可以下降40%～80%，這將極大的推動(dòng)太陽(yáng)能路燈的普及；

2）太陽(yáng)能路燈沒(méi)有輸電線，所以無(wú)法集中控制，而路燈節(jié)電智能控制器擁有一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)，可以很方便的實(shí)現(xiàn)各種控制功能，并能對(duì)路燈狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

路燈節(jié)電智能照明控制器對(duì)路燈光源的要求是:1）能快速的、反復(fù)的開關(guān)燈；2）最好能調(diào)光。根據(jù)以上要求，LED燈是最佳選擇，其次是氙氣燈；而像高壓鈉燈、高壓汞燈、金屬鹵化物燈等因?yàn)閱?dòng)過(guò)程太慢，故不適合用于路燈節(jié)電智能控制器，可以用LED替換這些效率相對(duì)較低的光源，節(jié)省的電費(fèi)可以彌補(bǔ)換燈的費(fèi)用。圖2與圖3為節(jié)電智能控制器應(yīng)用于太陽(yáng)能路燈和市電供電路燈的電氣原理圖。

圖2 太陽(yáng)能路燈的電氣原理圖

圖3 市電供電路燈的電氣原理圖

2 主要模塊硬件設(shè)計(jì)及原理分析

本設(shè)計(jì)是針對(duì)太陽(yáng)能供電的LED智能照明控制器，考慮到實(shí)驗(yàn)成本，把太陽(yáng)能電池板、蓄電池以及LED燈的容量都做了等比例縮小，制作出的太陽(yáng)能LED路燈的容量配置如下:太陽(yáng)能電池板峰值功率10W，蓄電池為12V/4Ah鋰電池，LED燈5 W。

2.1 充放電電路及控制策略

由圖4可知，當(dāng)能量從Vin＋流向V＋時(shí)，晶體管N－1工作，晶體管N－2不工作，此電路為Buck電路即降壓電路，光伏太陽(yáng)能經(jīng)過(guò)降壓后給蓄電池充電，同時(shí)檢測(cè)蓄電池兩端的電壓，當(dāng)充電電壓達(dá)到額定電壓的1.2倍（14.4V）時(shí)，由P3控制晶體管N－1關(guān)斷。為了防止蓄電池給太陽(yáng)能反向充電，由二極管D6來(lái)禁止反向充電。當(dāng)能量從V＋流向Vin＋時(shí)，晶體管N－1不工作，晶體管N－2工作，此電路為Boost電路即升壓電路，蓄電池由12V升壓至16V左右給5W的LED路燈供電。為了防止蓄電池電壓過(guò)放，檢測(cè)其兩端的電壓，低于10.7 V時(shí)，控制NPN三極管Q2關(guān)斷。

圖5 為IR2103的同步驅(qū)動(dòng)電路，由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM接到IR2103的高端輸入HIN和低端輸入LIN，使其產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM波P1和P2，進(jìn)而控制晶體管N－1和N－2的導(dǎo)通與關(guān)斷，使電路處于不同的模式。

2.2 無(wú)線通信模塊電路設(shè)計(jì)

由NRF24L01組成的無(wú)線通信模塊電路見圖6，軟件設(shè)計(jì)流程見圖7。

圖5 同步驅(qū)動(dòng)電路

圖6 無(wú)線通信模塊電路

圖7 無(wú)線通信模塊軟件流程

2.3 PIR傳感器電路設(shè)計(jì)

圖8 為PIR傳感器電路。電路通電后，當(dāng)無(wú)人進(jìn)入熱釋電傳感器監(jiān)控范圍時(shí)，熱釋電紅外傳感器信號(hào)處理集成電路BISS0001處于復(fù)位狀態(tài)，控制信號(hào)輸出（第2腳）Vo輸出低電平。電子開關(guān)Q3處于截止?fàn)顟B(tài)，照明路燈不亮。當(dāng)有人進(jìn)入熱釋電傳感器PIR監(jiān)控范圍內(nèi)并移動(dòng)時(shí)，PIR可將人體散發(fā)出的紅外線變化為電信號(hào)輸出，輸出信號(hào)頻率為0.1～10Hz，觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)芯片內(nèi)部的延時(shí)定時(shí)器，最后狀態(tài)控制器從第2腳輸出高電平信號(hào)，使Q3導(dǎo)通，照明路燈點(diǎn)亮。

圖8 熱釋電傳感器PIR電路

2.4 光敏傳感器電路

圖9 為光敏傳感器電路。光照強(qiáng)度不同引起光敏電阻阻值的改變，決定1腳電平的高低，從而影響三極管Q5的導(dǎo)通與否。當(dāng)Q5導(dǎo)通時(shí)，Vout為高電平；當(dāng)Q5關(guān)斷時(shí)，Vout為低電平。單片機(jī)通過(guò)讀取Vout端口的電平，來(lái)決定照明系統(tǒng)是否工作。該電路不僅可以用來(lái)判斷汽車是否經(jīng)過(guò)，而且還可以實(shí)現(xiàn)路燈晚上自動(dòng)開燈，白天自動(dòng)關(guān)燈。

圖9 光敏電阻電路

3 測(cè)試結(jié)果

圖10的左圖顯示當(dāng)人在PIR傳感器感應(yīng)范圍以內(nèi)時(shí)，放在方凳上的LED燈變亮，并將信號(hào)傳給下一盞LED燈（左圖中未拍出）使其變亮；圖10的中圖和右圖是對(duì)車輛的檢測(cè)，中圖顯示當(dāng)車輛還在遠(yuǎn)處時(shí)，兩盞LED燈處于熄滅狀態(tài)，右圖顯示當(dāng)汽車前燈燈光射向第一只LED燈時(shí)，LED燈迅速點(diǎn)亮，并將信號(hào)傳給后繼LED燈使其變亮。

圖10 人、車輛檢測(cè)及通信組網(wǎng)等功能的測(cè)試圖

如下圖11為節(jié)電智能控制器的實(shí)物圖，圖12為手持遙控器的實(shí)物圖。

圖11 節(jié)電智能控制器的電氣實(shí)物圖

圖12 手持遙控監(jiān)測(cè)器電氣實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

路燈節(jié)電智能控制器的節(jié)能效果與路燈照明空閑時(shí)間和路燈照明的空閑率有關(guān)。路燈照明的空閑時(shí)間指的是路燈正常開燈時(shí)，在其有效照明范圍內(nèi)，道路上沒(méi)有人及車輛通過(guò)的狀態(tài)的累積時(shí)間。路燈照明的空閑率指的是晚上某段時(shí)間內(nèi)路燈照明空閑時(shí)間與這一段照明總時(shí)間的比值。路燈照明的空閑率反映了夜間道路交通的繁忙程度，也反映了路燈照明用電浪費(fèi)的比例。路燈照明的空閑率越高，智能控制器的節(jié)能效果越好。以校園里一盞功率為70W的LED路燈為例。假定晚上照明時(shí)間為10 h，路燈照明的空閑率平均為60%。按照傳統(tǒng)控制方式，需耗電約0.7kWh，若使用路燈節(jié)電智能控制器，需耗電約0.28kWh，耗電量下降了60%，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了路燈的通信組網(wǎng)，通過(guò)手持遙控器對(duì)每盞路燈的亮滅以及亮度調(diào)整，能夠根據(jù)路面狀況信息自動(dòng)調(diào)光。

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