1中交城乡建设规划设计研究院有限公司 湖北武汉 4300522武汉理工大设计研究院有限公司 湖北武汉 430070
摘要：近年来，随着经济的高速发展和汽车的逐渐普及，城市的交通问题已经引起人们越来越多的关注，城市道路照明的重要性也日益增大。目前，我国大部分城市的路灯照明都采用“全夜灯恒照度”的方式，控制方式仍然是简单的光控和时控等传统方式，这大大增加了城市的用电量，为此，政府承担着巨额的财政支出，而路灯照明设备的使用寿命也大大降低。因此，引入智能交通系统（ＩＴＳ）成为提高城市交通管理水平的一个重要途径。
关键词：智慧城市建设；LED路灯；智能控制；系统设计
导言：随着信息技术的不断发展和城市信息化需求的不断提高?“智慧交通”引领着智慧城市的建设。作为智慧城市建设的重要组成部分，智慧交通是解决城市交通拥堵、实现交通运输基础设施智能化和促进交通运输业可持续发展的重要突破口。随着智慧城市建设的逐步深入?对城市道路照明监控管理系统的智能化和网络化需求也越来越大、要求也越来越高。城市道路照明监控管理系统的建设质量直接关系到人们的工作和生活，关系到整个城市的形象，关系到是否能有效利用资源。开发出一套智慧、高效、节能和低成本的城市道路照明监控管理系统是一项迫切的任务。本文基于微波检测技术、模糊控制技术和ＺｉｇＢｅｅ无线通信技术等多项技术，进行面向智慧城市建设的ＬＥＤ路灯智能控制系统研究开发.设计了一套新颖、低成本、智能化的无线ＬＥＤ路灯控制系统，实现了对城市路灯的“面－线－点”智能化节能控制.为城市道路信息采集、路灯控制及信息跟踪等提供技术手段，有效提高了城市道路照明监控管理的自动化、智能化和网络化水平。
1城市道路照明监控管理模式现状
现有城市路灯控制存在非智能化且形式单一、车辆检测技术性能不佳、缺乏单灯独立开关与调光控制、布线复杂及维护困难等不足。即便是已使用路灯智能监控系统的城市，大多仍采用传统光控或时控等开关灯方式，缺乏实用性和创新性.当前，尚无根据车流及人流情况实现现场感应并控制ＬＥＤ路灯工作状态的应用案例.ＬＥＤ（发光二极管）是新一代固体冷光源，具有无污染、耗电少、光效高和寿命长等优点?被越来越广泛地应用于城市道路照明.ＬＥＤ路灯响应速度快、控制电压低、频繁亮灭对使用寿命影响小?，为路灯控制新方法的研究与推广创造了有利条件，为降低城市道路照明能耗发挥了重要作用.但现有路灯控制技术是制约其发展的关键问题之一。通过智能化和网络化方式实现道路ＬＥＤ路灯的远程实时监控，具有良好的应用前景.在灯杆间的通信方式上，当前大多采用基于电力线载波的有线通信方式或基于公共网络（ＧＰＲＳ、ＧＳＭ、ＣＤＭＡ等）技术的无线通信方式。电力线载波方式，由于电力线干扰的来源复杂且具有较大随机性、电力线负载变化导致负荷阻抗变化等因素，造成电力线载波传输的不稳定和不准确，不适合公用变压器的路灯线路及超长传输线路等场合。基于公共网络的通信技术虽然比较成熟，但使用网络需向运营商提交申请并交纳一定资费，导致路灯运营和维护成本增加。此外，在ＧＰＲＳ信号未能覆盖的偏僻角落，网络无法使用。
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2LED路灯智能控制系统硬件设计
本次设计关键器件主控芯片使用TI公司的ZigBee芯片CC2430，车辆检测传感器在综合考虑超声波检测方式、激光检测方式、视频检测方式、微波技术、红外检测方式等多种检测方式，并进行优缺点对比，最终确定使用微波技术，采用平面微带多普勒雷达和外围电子电路作为车辆检测模块。多普勒雷达型号最终确定为Agilis公司开发的HB100多普勒微波模块。
2.1电源电路。稳定的电源是保证整个系统正常运行的一个基本条件[1]。在LED路灯智能控制系统中需要电源供电的主要有3个部分，包含ZigBee模块、运算放大器、比较器。其中ZigBee模块需要3.3V稳定电压，运算放大器、比较器需要5V稳定电压，因此使用三端稳压芯片LM1117。在ZigBee节点电路中，CC2430的集成化程度高，外围电路只需要连接少量电阻、电容和电感等元件及晶振即可工作。运算放大器选用LM358芯片。
2.2微波检测电路，车辆检测雷达由传感器模块、多普勒信号调理电路、决策控制部分3部分组成，本次设计采用的HB100多普勒移动传感模块采用微带平面天线，微波振荡源产生的X波段连续波等幅信号经微带发射天线向空间定向辐射，同时接收天线接收到运动目标反射的回拨信号，经过低噪声放大器放大后再通过混频器与本振信号混频，经过中频放大，检波等处理方式，将能够反映出目标移动速度的多普勒频率信号传送到信号输出端。在设计的过程中，需要注意的是HB100的脉冲供电电压需要控制在4.75V～5.25V之间。
2.3串口通信模块，本次设计拟采用CC2430的USARTO接口作用于UART异步通信模式。在进行串口电平转换过程中，本次设计拟采用MAXIM公司设计生产的MAX232芯片，使用三根线（接收、发送、地线）完成串口通信。
2.4光敏电阻采样电路，本次设计使用光敏电子作为模拟信号的输入，利用ADC通道进行单次采样，连接AD，用来采样环境亮度信息。
2.5路灯控制模块，其结构为CC2430→光耦隔离单元→继电器单元→受控路灯。在完成了整个系统的硬件设计构思后，下一步进行软件设计。
3系统软件设计
根据硬件设计时各个模块的功能和要求，系统软件的设计主要是和硬件电路相结合。本次设计将系统功能分为具有独立子功能的控制模块。设计采用模块化的方式更易于阅读和理解，软件结构更加清晰，而且利于软件调试。系统软件方案主要由初始化程序、背景光检测程序、人体红外信号检测程序和ＲＳ－４８５协议等［６］构成。电路上电启动后，单片机进行初始化操作，电路控制系统进入工作状态，该系统的工作流程图如图４所示。在规定亮灯时间内，如果背景光强度较弱，上位机向下位机发送开始工作命令和信息，否则下位机等待响应上位机发送命令。下位机响应后，当有人或者车辆进入红外探测区域单片机根据背景光的强度，输出脉宽调制信号ＰＷＭ，驱动控制器点亮ＬＥＤ，保证ＬＥＤ光强度足以满足路面的可见度。如果下位机没有探测到红外信号，路灯ＬＥＤ熄灭。
结束语
本文针对现有城市道路路灯照明监控管理模式存在的问题，设计开发了一套面向智慧城市建设的ＬＥＤ路灯智能控制系统，可实现道路信息检测、通讯功能、远程监控、查询管理、故障检测和ＩＤ设定６项功能.通过引入ＺｉｇＢｅｅ无线通信技术及微波检测技术等，根据城市道路的实际情况实时调整ＬＥＤ路灯的工作状态，有效补充和提升了现有路灯控制技术。另外，为实现路灯监控系统的智能化和节能的最大化，提出了基于模糊决策的路灯智能控制方法，实时调整路灯照度等级，在满足行人车辆照明需求的前提下实现节能最大化。
参考文献：
[1]申利民，翁桂鹏.基于ZigBee的智能小区LED路灯控制系统设计[J].中国照明电器，2011，33（2）：26-29.
[2]甘本鑫，徐少明，苏红艳.基于单片机的LED路灯模拟控制系统的设计与实现[J].现代电子技术，2011，29（3）：205-207.
[3]喻春雨，孔凌历，何春舅，张盛东.基于RFID技术的LED路灯智能控制系统设计[J].中国照明电器，2011，27（6）：13-15.
论文作者:1祝晓潇 2甘鹏
论文发表刊物:《建筑细部》2018年1月中
论文发表时间:2018/8/13
标签：路灯论文; 多普勒论文; 方式论文; 控制系统论文; 城市道路论文; 信号论文; 模块论文; 《建筑细部》2018年1月中论文;