说明书-小区灯杆节能控制系统设计-华南理工大学.doc

小区灯杆节能控制系统设计说明书设计者：秦彦哲，吴保国,苗捷,陈泽鳞,成世海指导老师：胡勇有 （华南理工大学环境科学与工程学院，510006） 作品内容简介根据目前小区路灯浪费电力资源的现状，针对当前的一些节电技术的缺陷和小区自身特点，我们设计出一种适合小区使用的新型节电器并制作实物。它不仅比当前已有技术具有更大节能潜力，成本更低，而且避免了当前技术导致的亮度盲区或局部过亮过暗的问题，更加关注小区居民的感官舒适度，从而为节能产品争取民意的支持。本作品重要的创新点是将路灯分为亮度较低的节能状态和正常照明状态（这两种状态的亮度可根据某盏灯的位置分别调节），加入了行人、车辆探测器，并能够将车辆探测器设置在较远处，给予司机一定的反应时间。晚间18点-21点时间段为小区人流、车流在高峰区，路灯需要持续正常照明。21点到第二天凌晨6点，探测器可预测出即将经过照明区域的行人、车辆，在行人离路灯15m、车辆离路灯50m时，即将经过的路灯将由节能状态缓慢恢复至正常照明状态，行人、车辆经过之后，路灯又将从正常照明状态恢复至节能状态。为了保证行车安全，设置在路口的车辆探测器使车辆即将进入的整条小区直线道路上的庭院灯亮起。该产品可以根据附近建筑物布局调整特定某盏路灯节能状态和正常状态的亮度。从而避免市面上无法调节节能状态和正常状态亮度的产品在小区的复杂建筑物和绿化布局下导致的亮度盲区和局部过亮过暗的问题。为了避免刺激司机行人，亮度变化用软件设置成缓慢变化，并且采用了成熟的调光控制技术，避免影响灯具寿命。该产品的意义在于，由于针对小区特点，达到了更大的节能潜力和满足小区居民感观舒适度的要求。结合我们在市场中已买的一些作品中需要的装置、部件，本研究技术产品平均到每盏灯杆所需的节能控制器成本为66元，论证整个装置节电率为33%。相比与市场上现有的节能控制技术设备，大部分后半夜亮度减半的节能控制器价格为200元以上，平均节电量为25%。我们的研究技术无论是从节电率上还是成本上都占据很大的优势，而且照顾到小区居民心理感受，更容易被接受。所以我们研发的这项技术市场潜力很大。目录1小区庭院灯运行现状研究32当前公共照明主要节电控制技术53当前技术应用在小区的可行性研究54.根据小区特点设计节电器的创新点55研究报告的主要设计内容85.1研究方案的分步设计85.2研究方案的主要流程及装置图106经济成本分析与比较126.1 节能控制器的成本计算126.2 节能控制器节约电能计算126.3 节能控制器与其他节电设施的可行性比较137方案需改进的地方和下一阶段任务137.1需改进的地方137.2针对需改进的地方提出的下一阶段（过初赛后）的开发任务148研究项目的应用前景14参考文献15附件：161小区庭院灯运行现状研究节能这一概念与人们的生活息息相关，面对电力资源日益紧缺现状，路灯节能这一方面也日益受到关注。当前不少城市道路照明路灯采取了相应的节能措施，也取得了可观的节能效果。然而在城市中的数以千计的小区中，却很少采用相应的节能措施。小区中分为车行道路和步行道路。步行道路采用的是庭院灯，光源一般是35W高压钠灯或LED灯。几乎所有小区步行道路庭院灯从傍晚开始通亮直到第二天早上才熄灭，而整个晚上都是采取满额亮度，极大的浪费了电力资源。图1 某小区路灯整晚满额功率照明目前已有一小部分城市居民小区参考了公路路灯的节能措施，到了后半夜将电灯亮度调低，或采取隔一亮一的方式来节约用电，但是这样一个方法却带来路灯过亮或过暗的问题：（1）不能很好的应用在前半夜，因为其前半夜6个小时以上全部采取正常亮度，这样就会出现在没有行人、车辆经过小区道路时的电力资源浪费这一现象，而除了晚上6-9点人车流高峰期以外其余时间人车流量确实相对较少，所以我们认为小区照明有更大的节能潜力。图2 某小区晚上22时路灯满额功率照明（2）某些小区采取后半夜强制节能措施（即一直处于节能状态），导致其照度很低，采用强制节能技术会给小区居民带来不便。事实上已有一些采用该技术的小区针对这样的节能技术进行投诉。图3 某小区采取后半夜强制节能照明（3）隔一亮一或亮度降低在较长的公路上可以得到较好效果，但小区由于建筑群布，道路和景观绿地布局各异，小区路灯并非设置在在一条直线上，会使某些区域无法照明成为盲区。图4 某小区道路拐弯照明盲区小区照明节能措施的采用，降低了小区的公共耗电量，在一定程度上将降低了每户居民的物业费用，也顺应节能环保的时代要求。我们希望为小区照明找到更好的节能技术，这是我们分析问题的出发点。2当前公共照明主要节电控制技术文献中单独针对小区的节能技术不多。所以我们针对当前已有的照明灯杆节能技术进行分析：（1）小区智能灯光控制系统：部分文献提及采用智能灯光控制系统进行小区改造，采用5类线将小区所有灯具连接起来，由中央控制电脑统一调控。（2）隔一亮一：此技术是在路灯系统中采用两条线路，在后半夜关闭其中一条线路，这样就达到每隔一盏路灯亮一盏，这一路灯系统保证了后半夜路灯系统一定的节能效果。（3）单排路灯亮：此技术主要是针对一些道路比较宽需要用到道路两边均需安装路灯系统的情况，这两排路灯拥有各自的线路系统，这样在后半夜只要关闭其中一条线路，就达到了保证一定照明效果，也实现了节能效果。（4）亮度降低：此技术主要是通过在路灯上安装节能控制器，路灯在后半夜处于其较低的功率下工作，实现了节能效果。（5）声光控技术：这一技术主要应用在楼道灯。在晚上这一黑暗的环境下，只要行人或车辆发出一定分贝的声音路灯即会点亮，并持续一定的正常亮度时间，声音消失一定时间后电灯会熄灭。这样虽起到了很好的节能效果，但也带来了扰民后果。3当前技术应用在小区的可行性研究（1）该技术在实际应用案例极少，而且集中在豪华会所。可能原因是成本太过高昂，某些娱乐场所才需要如此复杂的灯光调控。而且对于已建小区，还需开挖路面进行改造。（2）隔一亮一技术固然有一定的节能效果，但同时也存在着不少缺陷。这一技术是针对后半夜的节能措施，所以在前半夜除去6-9点这一人车流高峰期时间段外，不能很好地实现节能效果；另外小区道路拐弯较多，直线道路较短，若采取隔一亮一技术就很可能存在着亮度盲区，影响居民交通出行。（3）单排路灯亮技术除了半夜隔一亮一技术存在前半夜不能节能的不足以外，还有对道路布置存在着限制要求，即小区道路一般比较窄，很大一部分是采取单排安装路灯。（4）亮度降低同样存在着前半夜不能节能的缺陷，同时会给晚归的居民带来不便。（5）声光控技术存在两方面问题，一：主要光源为用在楼道里的白炽灯，原理是控制供电的通断。而小区照明光源为LED灯或35w高压钠灯对电压调制深度等有要求，简单频繁亮灭会极大影响寿命，我们想找到一种不影响寿命的控制方式。二：采用声控需要行人发出声音，而且每一盏路灯都需行人喊出声音，给行人带来很大不便的同时也会给小区制造噪声污染。三：若有风声或周围施工作业发出的声音同样会激发电路系统，造成不必要的电力浪费。4.根据小区特点设计节电器的创新点针对当前小区路灯节能现状及节能技术的现状，本作品旨在为了节约能源、积极推广绿色照明，既能提高居民小区照明质量，又能降低百姓的生活成本，拟新开发出一种小区式智能化路灯节电器。小区式智能化路灯节电器是在后半夜节能的基础上，前半夜同样也能实行节能要求的系统，它满足在小区道路上有人、车经过时处于正常亮度，无人无车时路灯处于亮度较低的节能状态。基于这种节能系统，我们分析小区式智能化路灯节电器需具备以下几个特点以及我们的解决思路：1. 小区人流车流在6-9点时间段为高峰区，路灯需要持续正常通亮解决思路：针对该特点，我们希望设计一种在集中时间段保持长亮，非集中时间段没有行人或车辆经过时，小区道路路灯处于节能状态，有人经过时路灯恢复正常照明的节电器。这样，既有一定的亮度保障小区治安环境给居民带来安全感，又给居民带来一定良好的视觉感官，避免光污染。而在非集中时间段，只要进入需照明区域，路灯就能恢复亮度，不给居民带来任何不便。2. 采用探头能探测到某盏小区路灯周围需要照明的行人、车辆解决思路：由于小区内的地形、道路布置不同，在普通十字路口或其他一些道路交叉口，各个方向都有可能经过行人或车辆，所以在此的探测仪需要360度感应，而普通的单线道路上只需180的感应角度。3.小区道路上有行人经过时，离路灯15M处路灯由较暗的节能状态开始缓慢变亮解决思路：在道路有行人出行时需不影响其照明需求。当人体距离路灯一定距离时，探头仪能得到感应信号并传输到节能系统，路灯开始慢慢恢复正常亮度，而等人走出探头仪这一感应范围之外，其同样会做出感应信号传输到节能系统，路灯在设定的时间长度后开始慢慢变暗直至恢复到节能状态。我们根据实际小区的情况发现，离路灯15M处道路照明已经很暗，我们的技术只影响到离路灯15M以外的地方，而进入15M范围后跟未节能的照明状况一样。所以采取该节能措施对行人影响很小。 图5 灯杆正下方路面照明情况 图6 离灯杆15m处路面照度已经很低4.小区道路上有车辆经过时，离路灯50m时路灯开始缓慢变亮解决思路：车辆行进较快，司机需要一定的反应时间。在道路有车辆经过并距离路灯一定距离时，探头仪立即做出感应并将信号传输到节能系统，路灯开始慢慢恢复正常亮度，而等车辆行驶出探头仪这一感应范围之外，其同样会做出感应信号并传输到节能系统，路灯在设定的时间长度后后开始慢慢变暗直至恢复到节能状态。50m能满足以70码速度行车的司机反应时间。小区步行道路上车速达不到70码，对司机造成影响很小。5.采取节能措施时，不影响灯具寿命解决思路：现有的指定光源有特定的调光控制技术，以防止调光影响灯具寿命。我们需要采取不同光源有不同调光方式，例如，高压钠灯在电压调制深度不超过50%时不影响灯具寿命。6.节能状态和正常照明亮度的设计需满足小区建筑物复杂的布局某盏设置在道路交叉口的小区路灯负责的区域较大，在节能状态下不能太暗。而附近有围墙，车库等建筑的小区路灯区域由于光线会反射，在正常照明状态下不应过亮。 图7 周围有建筑物或围墙反射容易过亮扰民 图8 同规格路灯设置在交叉口导致过暗解决思路：采用红外遥控调节特定某盏路灯节能状态和正常照明的亮度。这样极大地方便了根据周围景物调整设置在不同位置的小区灯杆的亮度。避免因为复杂建筑物布局造成节能状态亮度过低或正常状态亮度过高的问题。同时可能因为周围有绿地等景观设定特定亮度组合营造多层次的灯光范围。如下图，小区由于布局复杂，同样规格的灯杆，会由于周围情况，出现相对过亮或者过暗的问题。 图9 庭院灯在居民楼边上扰民 图10 这样是不是好多了？（注：PS后）7每个路灯设置地感探测仪成本过高，地感探测仪离路灯较远，用电线与路灯相连需要较长的电线 解决思路：由于无线模块传输距离可达100M，我们采用无线模块使得单个地感探测仪链接多个路灯节能控制器。例如一条100M的小区道路，路灯设置的较密，在汽车经过设置在路口的地感探测仪后整条路的路灯恢复正常照明。我们的设计思路主要优势在于：1、比现有节能器节电率更高，且更适合小区使用 2、能够加装在现有小区灯杆上，无需开挖路面，改造费用低廉 3、成本很低5研究报告的主要设计内容5.1研究方案的分步设计为了满足小区用灯的上述特点，我们拟定如下方案：（1）以人体感应探头感应进入需照明区域的行人。（请看视频演示）我们找到一种人体感应探头，它在以其为圆心的指定区域内感应到人体后，能给出一个开关信号。我们选用的是半径15m的探头。 图11 人体探头正面图 图12 人体探头背面图公路是直线型的，通常180度的探测范围就足够了。而小区道路和绿地布局各异，有时候一盏灯照明的区域超过180，但人体感应电路的探头探测角度只有140度，所以我们设置两个同样的人体感应探头，并设计360度旋转的模具，方便根据不同小区的道路和绿地布局进行调整。因为不同小区灯杆的密度不同，我们暂时将人体感应电路的延时设置为30s，即我们假设人离开探头为中心的半径15m范围内30s后开始慢慢变暗，将进入下一盏路灯照明区域。延时可以由软件决定。实际使用时，可根据不同小区灯杆间隔进行设计。（2）采用地感探测器与调频无线收发模块的结合感应道路经过的车辆。（请看视频演示） 因为车辆速度较快，司机需要一定的反应时间，所以灯需要在车离的距离稍远处就能恢复正常状态。因而地感探测器要在车辆离路灯较远的地方就能产生感应信号。由于地感探测仪距离单片机很远，采用电线连接的话成本较高，所以采用调频无线收发模块传送汽车探测器与节能控制器之间的信号。因为车辆可能在路灯附近停靠，所以当有车辆停留时，地感探测器就会产生开关信号导致路灯持续通亮而浪费电。所以软件设置时需要设为车辆在路灯附近停留3分钟后，小区路灯仍能恢复节能状态。为使有汽车停留时仍能感应其他经过车辆，我们采用能感应运动的红外探头与地感探测器联用以解决该问题。 图13 地感探测器实物图 图14 调频无线收发模块的结合（3）以低成本高性能单片机做为系统核心控制器。在人体感应探头或地感探测器感应到人体或车辆后，需要把感应信号传入单片机处理器对灯具进行调光。我们的团队在了解相关技术后，进行元件购买和电路板制作，并经过专业软件编写人员进行软件编写。电路板上的处理器是该节能控制器的大脑，在感应到人体或车辆后将控制LED调光控制器对LED进行调光。控制软件嵌入在EPROM里面，处理器将根据EPROM里的软件确定响应的方式，在产品化后可以使用专门的电路板。 图15 单片机实物图（4）以LED调光控制器作为LED灯的部件之一来控制LED灯的亮度。LED调光控制器是一种成品。LED调光控制电路是为了在调光的同时不影响LED的寿命。LED与白炽灯不同，声控楼道灯使用的是白炽灯，只要控制电流开关即可。而LED灯对调光的方式有要求，例如必须在指定的电流范围内，否则对寿命会有较大影响。在指定电流范围内调节LED的光强，对灯具寿命影响不大。设计这一调光控制器的部件，也为使用最普遍的路灯灯具-钠灯相应的“钠灯的调光控制器”设计思路带来了启示，避免钠灯寿命的缩短。（5）为了避免亮度突然变化刺激司机和小区居民，我们采用编程手段控制将产品亮度变化设为缓慢亮起。(6)可以通过红外遥控的方式调节路灯节能状态和正常照明的亮度。这样极大地方便了根据周围景物调整不同小区灯杆的亮度。这就避免了某些十字路口处设置的路灯，需要照明区域较广，而在节能状态亮度过低。或者某些灯杆附近有车库，围墙等建筑物时，由于反射，正常照明状态下该区域亮度过高，影响居民感官舒适度。我初定的方案就是以单片机为核心的节能控制电路组成基本部件，达到感应人和车辆后恢复正常亮度，人和车走后再进入节能状态的效果。5.2研究方案的主要流程及装置图根据研究方案，我们作出设计方案流程图：图16 项目设计方案流程图两个或两个以上人体感应模块并联，连接到单片机，地感探测模块通过无线数据发送模块发送数据，与单片机相连的无线数据接收模块接收数据，无线获取地感探测器的信息。单片机综合获取的人体感应模块与地感探测模块信息，更加当前设置于环境情况判断灯光应有的亮度，经过调光电路控制灯的亮度。下面，给出主要模块电路图： 图17 人体探测模块电路图 图18 单片机及外围电路根据设计方案，我们采用购买的元件组装出一套实物智能节能控制示范系统。 图19 样品实物图6经济成本分析与比较6.1 节能控制器的成本计算对研发节能系统进行经济成本分析，我们采用数据线传输信号的的形式实行每两盏小区灯杆共用一套智能节能系统，每套系统的费用包括：（我们拟定路灯节能状态为其额定功率的一半）表一 节能控制器成本分析表项目控制板人体探头（2个）汽车探头（2个）模块合计平均价格费用（元）402022026213266从表一中可以看出，整个节能控制器的价格为132元，平摊到每盏灯杆的价格即为66元。此成本是在节能控制器相应部件零售的情况下得出的价格，根据对市场上普遍价格的调研，可以预测出如果量产能够进一步降低成本，所以在价格上本研发节能控制器占据优势。6.2 节能控制器节约电能计算针对能系统控制的其中一盏灯进行节电时间估算：表二 节能控制器节能时间表时间段照明状态满额功率节能时间（h）18时21时正常照明021时24时正常照明状态或节能状态124时凌晨6时几乎全为节能状态3全天4对上表进行分析：（1）前半夜18时21时为人车流高峰小区灯处于正常状态，节约电小时数为0时。（2）21时24时这一时间段内，由于时而正常照明时而处于节能状态，但节能状态的时间要长的多。可估算出小区路灯约有2小时处于节能状态，故每盏灯合计节约221小时的满额功率照明电能。（3）在后半夜24时-凌晨6时，小路所以路灯处于节能状态，此时间段节约电小时数为623小时。故（1）、（2）、（3）三时间段内两盏灯共节约电小时数为1+3=4小时，节约电量占未采取节能措施路灯整晚用电量的412=33.3%。若以小区路灯功率0.04KW，单位千瓦时电费0.61元计算，一盏小区路灯年节约电费为：0.61（0.044365）=35.62（元）由此可见，35.62266，即不到2年的时间能够回收成本，真正做到了节能与成本最优化效果。根据2005全国城镇房屋统计概况，截至2005年底，全国城镇房屋建筑面积164.51亿平方米，其中住宅建筑面积107.69亿平方米。北京人均住宅面积32.86平方米。根据综合能耗计算通则（GB2589-1990）和建筑照明设计标准，采用单位面积用电负荷密度法，公建区单位面积用电负荷密度为6W/M2,道路占小区面积取0.08，则假如将该技术推广到全北京，节约用电量为：32.861755万(624365/1000)33.3%=504977884度（约为5亿度）以1千瓦时电量0.61元计，仅北京市就可节约人民币2.4亿元。2010年北京市照明用电为60亿千瓦时，占全市用电量的11。通常公共照明以30%计，即约18亿千瓦时，以节电5亿计，节电率为27%。（实际达不到，因为我国小区照度往往偏低）假如将该技术推广到全国，则节约用电量为 107.69亿(624365/1000)0.0833.3%=1507873569度（约为150亿度） 全国电价不同，以平均0.5元计，可节约75亿元人民币。 按1千瓦时电约等于0.37千克标准煤计算，150亿度电可减少碳排量768.75万吨。6.3 节能控制器与其他节电设施的可行性比较在小区路灯节能上，一方面国内绝大部分小区没有采用节能措施，浪费电能严重；另一方面，一小部分小区采用的节能措施技术并不完善，其基本上采用后半夜节能，对前半夜没有节能效果，所以相对于本研究节能控制器而言，传统节能措施在前半夜节能上处于空白。在此，根据市场的调查了解现有节能设备的价格等指标，做出以下比较：表三 研发的节能控制器与传统路灯节能措施相比较项目传统节能控制器本研究节能控制器平均成本200元66元节电率25%33%年节约电费26.72元35.62元成本回收年限3.74年1.85年从上表可以看出，相比市场上现有的节能控制技术，大部分是后半夜亮度减半的节能控制器。很明显无论是从本研究技能控制器的成本上还是从节电率、回收年限上都占据很大的优势（如节电率33%25%），所以我们研发的这项技术市场潜力更大。传统小区智能照明控制系统须将每一盏灯与中央控制系统连接，价格极其高昂（如价格在200以上），尽管可远程单独控制每盏灯的即时亮度，但应用在小区并无此必要。除了成本、经济层面分析，另外，我们拥有根据行车行人通过时恢复亮度的功能，并能够根据周围景物调整单盏灯亮度，在最大节能的基础上也满足居民的感官舒适度，这部分功能是以上两种系统所没有的。7方案需改进的地方和下一阶段任务7.1需改进的地方假如投入使用，我们觉得目前的方案主要有以下2个方面需要改进。（1）改变车辆探测仪的探头种类地感仪的价格较贵,如果产品化，其它部件的价格都会非常便宜。(2) 增加红外遥控电路以调节某盏路灯节能与正常状态下的亮度。（3）增加可调节某盏灯进入节能状态时间段的功能。7.2针对需改进的地方提出的下一阶段（过初赛后）的开发任务（1）采用价格低廉的只对汽车波长范围作出反应的红外探头替代地感探测器。现在市场上有售的红外线探测器主要分两种，一种是能检测任何移动物体的，一种是智能检测移动人体的。后者原理是人体探测头筛选人体红外波长范围，只有在这个范围内才产生信号。我们目前没有找到只对车辆移动作出反应的，但是我们分析，既然有能检测所有移动物体的，又有只能检测人体的，生产检测汽车发出的红外波长范围而不对人体进行感应的红外感应头也是可行的。我们向相关人士进行询问，证实了我们的猜想。可能原因是目前没有量产，所以无法从市场上买到。有些市售人体感应电路有防止30kg以下宠物的功能，原理是对体型或速度进行筛选，同时价格也较低廉。说明存在这种技术，可以使我们区别移动的汽车和其他小型移动物体，避免过大的错误率。我们希望能改造现有红外感应器以做到该型感应器。（2）增加红外遥控模块，这部分功能我们有技术整合进现有样品。（3）这部分功能可以修改软件配合已有时钟芯片完成。8研究项目的应用前景我们的研究项目是服务于小区步行道路或停车场等车流人流具有一个集中时间段的场地，或者有某段时间内人流较为稀疏的地段，是一种具有更大潜力的公共照明节能系统。在成本和节能效果上我们的研究项目比目前市场上几乎所有节电器都占据相当优势，以当前市场上后半夜亮度减半的节能控制器举例，大部分价格为400多元左右，平均节电量为26%，3年能收回成本，而我们研究的控制系统价格为132元，节电量为33%，并且一个控制系统可应用在多盏灯上。因此，很明显无论是我们的节电率还是成本上都占据很大的优势，所以我们研发的这项技术市场潜力更大。我们希望能够进一步开发，采用对调节灯的亮度及控制时间顺序使其既能够响应节能减排的时代主题，又能达到小区步行区域中需景观照明层次的美学要求。参考文献1 路秋生.高频交流电子镇流器技术与应用M.北京:人民邮电出版社,2004.2史兆培，王玉爽，严登俊.城市路灯照明节能技术现状与发展趋势J. CHINALIGHT&LIGHTING.2009(10):11-163 魏惠凤,沈杰.路灯节能问题的探讨J.中国科技信息,2005(18):97.4 关正,李顺意.两种常见路灯节能装置分析比较J.四川建筑,2009,29(4): 248-249.5 周志敏,周纪海,纪爱华.LED驱动电路设计与应用M.北京:人民邮电出版社,2006.6 王春光.LED路灯的应用现状和发展J.电气应用,2009,28(5):4-6.7 李秋红.LED光源在道路照明中应用的功效分析J.中国市政工程,2009(2):52-53.附件：1智能节能控制系统样品电路图2 智能节能控制系统样品源代码/*LED_PWM控制器*功能描述：单片机检测红外人体感应头和车辆检测器两个不同的信号，其中有一个有信号，测输出PWM最大占空比（LED的最大亮度），延时3分钟。没有检查出信号测输出10%的占空比PWM，达到节能目的。PC0,PC1：红外人体检测端口，低电平脉冲有效PC3：车辆检测端口，低电平有效PB1，PB2：PWM输出端口，控制LED的亮度*內部8M無分頻，时钟周期1us*/#include #include #include #define uc