摘要：随着能源短缺的日益加剧，基于太阳能LED照明已经成功的应用到路灯照明领域。针对目前现有系统智能化程度不够、价格昂贵且维护成本高，设计了以C8051F852为主控制器、由太阳能电池板、铅酸蓄电池以及LED驱动电路组成的智能路灯控制系统。实验表明，该系统能够满足极端阴雨天情况下的LED路灯控制要求，有效防止蓄电池过充，通用性好且成本低廉，具有很高的使用价值，对于智能照明领域的发展也具有一定促进作用。
关键词：智慧城市；LED路灯；智能路灯
引言
智能路灯通过采用兼容国际标准的电力线载波通信技术、PWM（脉冲调制）数字化亮度调节技术和无线GPRS通信技术等，达到对路灯的远程控制与管理，从而实现最优的照明节能。智能路灯具有根据昼夜、车、人流量变化进行自动调节亮度、远程照明控制、故障主动报警、灯具线缆防盗、实时监控等功能，能够大幅节省电力资源，提升公共照明管理水平，节省维护成本，对城市智慧照明具有十分重要的意义。
1、LED智能路灯控制系统设计
1.1蓄电池充电控制模块软硬件设计
经测试并根据实际需求，在晚上需要启用LED照明时，太阳能电池板开路电压为2.1V左右。蓄电池在充满的情况下其开路电压为13.6V左右。白天在接收太阳辐射的情况下，利用光伏效应原理制成的太阳能电池板将太阳能转化为电能输出[9-10]。当单片机通过AD采样到蓄电池电压小于13.6V时，利用蓄电池充电控制模块对蓄电池充电。当采样到蓄电池两端电压等于13.6V时，停止对蓄电池充电，有效防止因过充导致蓄电池寿命缩短。由于蓄电池内阻相对固定，对太阳能电池板输出特性影响可以忽略不计，根据太阳能电池板和蓄电池的特性，本项目设计中采用恒流充电法，虽然充电时间较长，但是由于白天一般不需要照明，因此不影响系统正常工作。
1.2 PWM调光软硬件设计
为了满足最大化节能，通过P1.2引脚采样太阳能电池板输出电压（采样原理与蓄电池电压采样相同），当检测到太阳能电池板输出电压在2.1V时，认为自然光强不够，需要启用LED照明，当采样电压大于2.1V时，则认为自然光强足够，无需启用LED。通常情况下，当系统确定需要启动LED路灯时，一般是处于天刚黑的情况，此时路上行人量、车流量比较大，因此，通过单片机控制，前4小时让LED路灯工作在40W状态下，使路面有足够的光强，防止交通事故发生。4小时之后，由于一般都处于晚上22时之后，此时行人量以及车流量较少，应该控制LED工作在低功率下，节约蓄电池电能，特别是在连续阴雨天时（由于自然光强不足，太阳能电池板不能给蓄电池充电）显得尤为重要，经过项目组实地反复测试，这种情况下LED路灯工作在10W即可满足基本的照明需求。PWM调光电路设计如图4所示。LED灯具的正极接LED驱动电路输出端，负极通过PWM控制。当PWM输出占空比为0的电压时，光耦不导通，致使MOS管Q4截止，LED灯具负极不能有效接地，不能被点亮。当PWM输出电压占空比不为0，在输出高电平期间光耦导通，致使Q4导通，LED负极接地，灯具被点亮。通过单片机AD采样与MOS管并联的2个0.22Ω/3W的功率电阻上的电压，就可以知道此时LED路灯的工作电流，通过PWM调制LED路灯的工作电流大小，从而控制LED路灯功率，起到智能调光，实现最大化节能。值得注意的是，LED灯珠只有在额定电压下工作，流过其电流值才是连续稳定的值，低于额定电压的工作，流过LED的电流是不规律的，所以编程时，也需要AD采样100次，取平均值作为有效的采样值。
2、LED路灯在道路照明应用的优势
LED路灯作为现代绿色照明的新能源，具有环保无污染、安全、耗电少、光效高、寿命长等特点，符合当下资源紧缺的现代社会，因此越来越受到人们的重视，对城市照明节能的意义非常重大，主要是应用在主干路、次干路、城乡道路、城市广场等领域。实现新型智慧城市，利用LED路灯作为载体是最好的实施途径。相对于其他传统灯具，LED路灯将成为城市照明建设中节能改造的最佳选择，且具有以下无可比拟的优势：1、光效高，与传统灯具相比，能够节约60%-80%的电费支出；2、分散数个LED模块，彻底解决大功率LED散热问题，灯具散热器多面立体结构与空气接触面积大，加速空气自然对流，散热效果好；3、专利二次非成像光学系统，有多种配光方案可选，满足各种道路对照度、亮度的要求，符合道路照明标准；4、可轻松对LED和电器模组进行规换，无须更换整套灯具，从而使系统升级和维护工作简单易行，安装方式灵活。
3、城市公共照明的现状
在社会、经济、技术高速发展的今天，城市基建日新月异，简单的远程控制及时控手段已经无法满足当下需求。每当夜幕降临后，路灯照明成了城市能耗的主要设施之一，城市照明缺乏有效的管理问题越来越突出，由此带来的照明设备过度照明、白天亮灯、早亮灯、晚熄灯等造成的电力浪费愈来愈严重。因此，道路照明的节能成了城市节能的首要目标，良好的城市照明能带来巨大的社会效益、环境效益和经济效益。不管是路灯照明还是景观照明都能让这个城市的面貌焕然一新。为了实现科学照明、绿色照明、节约能源、减低能耗，建设优质高效、生态环保的城市照明环境，确保城市照明节能减排任务全面完成，实施照明智能化、节能化建设已刻不容缓。
4、LED智能路灯在智慧公共照明管理系统中的应用
4.1部署智慧公共照明管理平台
智能照明控制系统主要用于电业局、物业、工厂、市政、学校等大中型用户，对用电量进行科学管理，具有区域管理、集中器管理、灯装置管理、线损分析以及对灯装置停送电功能。其权限管理模块采用多级权限组模式，可适用于各种复杂组织机构的使用。便于对于照明进行精细管理，使用照明系统更加自动化、智能化、人性化。系统主站通过浏览器直接登录，无须安装客户端。系统可将监测范围内所有灯具设施、数据采集、故障报警、能耗统计集于一体，并通过广播控制、分组控制和单灯控制实现对不同监控对象的控制功能。
4.2安装集中控制器和节点控制器
照明控制器是智能照明管理系统中重要的组成部分，详细如下介绍：（1）在配电柜中加装集中控制器设备；连接集中控制器与管理后台，通过GPRS/4G，LAN等方式。智能集中控制器作为现场主控核心，与智能照明控制器以及其他扩展设施，构架物联网通讯控制网络，结合监控中心及相应软件系统，为用户提供照明控制箱及单灯智能化解决方案，专门实际用于监测、控制、测量和诊断户外照明设施，以实现按需照明、节能减排、精细管理的目的。（2）安装节点控制器，安装在灯具、灯杆，或直接使用电源内置节点控制器的LED灯具；登记灯具的地理坐标信息。采用兼容国际标准的电力线载波通信技术，与中间层设备及其他扩展设施构成现场物联网通讯控制网络，结合数据中心以及相应软件系统，为用户提供端到端的单灯网络解决方案，专门设计用于监测、控制、测量和诊断室外照明灯具，可以实现每盏灯具的开关、无极调光控制，监控每盏灯具的使用年限和运行状况，并报告任意故障的确切位置，从而实现最优的照明节能，并延长灯具寿命，大幅降低维护成本。
4.3安装智能传感设备
安装车流量视频检测器，温度、光照度、物体及气体传感器等设备，实现不同的功能。
5、结语
LED智能路灯有助于加强公共照明管理信息化的建设，道路照明管理系统主要是由计算机系统软件自动管理和维护，在管理中心可实现对道路上的每一盏路灯可进行远程控制和智能无极调光，即结合光控、又根据日夜更替进行亮度调节，实现分时段、分区域的调节，所有控制操作均有系统自动完成，无须人工干预即可完成路灯的照明需求，真正意义上实现按需照明，实现了城市智慧照明管理。
参考文献
[1]彭依彧.LED路灯智能控制系统[J].电子技术与软件工程,2017(17):96-96.
[2]贺一鸣,王崇贵,刘进宇.智能路灯控制系统设计与应用研究[J].现代电子技术,2010,33(1):207-210.
论文作者:李政
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/11
标签：路灯论文; 蓄电池论文; 智能论文; 电压论文; 电池板论文; 灯具论文; 调光论文; 《电力设备》2019年第3期论文;