道路照明节能技术研究

2014-04-29赵鲲鹏崔英伟

河北建筑工程学院学报 2014年3期

赵鲲鹏崔英伟

（1.张家口市夜景照明管理中心，河北张家口075000；2.河北建筑工程学院，河北张家口075000）

0 引言

国际照明学会（CIE）规定：亮度在10cd／m2以上的视觉状态做明视觉，人眼的锥状细胞在起作用，其最大视觉响应为555nm.亮度在10－2cd／m2以下的视觉状态叫做暗视觉，人眼的杆状细胞在起作用，其峰值视觉响应为507nm.介于明视觉与暗视觉之间的叫中间视觉.我国道路照明属于中间视觉的范畴，照明亮度标准范围在0.3～2.0cd／m2之间.在中间视觉条件下，人眼中视网膜内锥状细胞与杆状细胞交替作用，道路照明的视觉功效与暗视觉和明视觉的视觉功效有很多不同，对明暗、颜色、空间和响应感觉的特性均要发生变化.为了使道路照明水平更符合实际视看效果，达到安全、舒适和节能目的，应合理确定人眼不同适应水平时光源有效光效，考虑人眼的视觉特性，利用中间视觉理论研究道路照明安全节能新方法［1］.

道路照明节能是一个系统工程，道路照明节能途径主要有：光源节能、改变光源的运行方式、改善供配电系统、灯具的智能化网络化控制、采用太阳能或风光互补型路灯、充分利用天然光等.光源节能就是研发和推广绿色节能光源，用光效高、寿命长的光源逐步取代传统的低光效、低寿命的光源.改变光源运行方式：同一电杆装两只光源，半夜时关闭一只，只装一个光源时，采用稳压降压调光运行或变功率运行，半夜时转换至低功率运行.改善供配电系统：气体放电灯装设电容补偿，采用单灯无功补偿，提高功率因数降低线路能耗；配用电子镇流器，半夜时通过调光控制降低功率以节能；合理选择导线的材质和截面，较长的线路采用铜芯线，导体截面考虑经济电流密度要求.灯具的智能化网络化集中控制就是将自动控制技术、计算机技术及通信技术相结合应用于照明控制，使照明系统自动化，考虑环境照度、交通流量、时间和路段等因素，实现灯具“三遥”控制，即遥测、遥控和遥信.

本文应用中间视觉理论，对道路照明常用光源进行研究，选择适用于道路照明的节能光源.将Zigbee无线传感器网络技术、GPRS移动通信技术引入到道路照明控制系统，设计一种基于物联网架构Zigbee－WSN＋GPRS／RS－485的道路照明节能控制系统，通过网络化智能化控制，实现灯具的遥测、遥控.

1 道路照明节能技术的现状及其发展趋势

1.1 在光源方面

道路照明中较常使用的光源有高压钠灯、金属卤化物灯、紧凑型荧光灯，一些新型光源，如无极荧光灯和LED灯等也在道路照明系统中开始试点使用.高压钠灯是一种高强度气体放电灯，具有光效高、寿命长、透雾能力强、价格相对低廉等优点，但显色指数低，启动时间长，是目前国内普遍应用的道路照明光源.金属卤化物灯具有光效高、使用寿命长、显色性好等特点.无极荧光灯具有无电极、使用寿命长、高光效、高显色性、高功率因素、可瞬时启动等特性，但其价格较高.LED灯作为新型的半导体光源，具有寿命长、高光效、高显色性、响应快、节能环保，可进行无级调光等优点，但产品价格较高.

中间视觉条件下，如何选择适用于道路照明的节能光源，是目前照明领域研究的热点问题.考虑到道路照明光源点燃时间长、更换、清洁等维护的方便性，道路照明光源要求寿命长、光通量大、效率高、维护量小.紧凑型荧光灯由于其显色性好，光效和寿命均强于普通白炽灯，在道路照明中有一定的使用.在相同电功率下，高压钠灯光通量比金属卤化物灯高40%左右，在同样照度的情况下，金属卤化物灯的电耗远高于高压钠灯.高压钠灯由于其高光效、寿命长、透雾性强、价格相对低廉，已在道路照明系统中广泛使用，但在中间视觉条件下节能应用方面，新型光源无极荧光灯和白光LED具有较好的发展与应用前景.

由中间视觉理论分析可知，无极荧光灯和白光LED的中间视觉等效光效较高，在中间视觉的亮度环境下高压钠灯的等效光效仅为明视觉条件下光效的约70%，而此时无极荧光灯的等效光效为明视觉条件下光效的约170%，白光LED的等效光效为明视觉条件下光效的约140%.在中间视觉条件下白光LED有效光效要高于高压钠灯，而此时无极荧光灯的发光效率大于高压钠灯的发光效率1倍多［2］.LED灯与传统的高压钠灯、荧光灯等不同，其亮度控制简单，线性改变流过LED的电流即可无级调光，调光范围可达0－100%，依据环境照度的需要改变LED灯的亮度，即可达到节能目的.

1.2 在控制方面

道路照明控制方式正在由有线方式向无线方式发展.目前典型的智能照明系统有采用电力载波通信的照明控制系统；采用DALI协议的数字式可寻址照明控制系统；采用DMX512照明协议的Dynality分布式照明控制系统；采用CSMA／CD协议的C－Bus系统和采用CSMA／CA协议的I－Bus系统等.这些智能照明控制系统大都采用有线网络，大多是在楼宇自动化现场总线技术的基础上发展而成，功能相对较完善，可实现灯具的联网控制［3］.但有线控制方式组网和维护成本高、需要复杂的综合布线施工、增减设备需要重新布线、系统可扩展性差、阻碍了智能照明的应用发展.无线网络具有组网灵活，改变系统中光源的布局和数量方便等优点，采用无线通信技术构建无线通信网络是照明控制的趋势.目前成熟的无线照明控制系统大多采用工业频段或利用GPRS、CDMA等公众网，但是这些网络功耗大，造价高.ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低复杂度、低成本的双向无线通信技术，广泛应用于自动控制和远程控制领域.采用低成本的ZigBee技术组网能使成本大幅度降低，提高系统的性能，促进智能照明控制系统的应用.ZigBee技术是短程无线控制网络的发展趋势之一，无论是道路照明系统还是民用住宅照明系统，都可以接入ZigBee无线网络.

将ZigBee技术组建的个域网和GPRS移动通信网有机地结合起来，构建基于物联网架构Zigbee－WSN＋GPRS／RS－485的道路照明监控系统，可实现灯具的遥测、遥控.

2 道路照明节能控制系统结构及主要实施内容

2.1 道路照明节能控制系统结构

采用Zigbee技术设计的道路照明节能控制系统结构如图1所示，由管理中心、GPRS移动通信网络、网关节点、Zigbee无线传感网四部分组成，采用物联网架构设计，总体上由三层构成.底层为为Zigbee无线传感器网络，由路灯节点和路由节点构成，完成数据采集、路由、转发；中层为为GPRS主干网，由网关节点和GPRS移动通信网构成，实现数据远程传输；上层为管理中心上位机监控软件.无线网关连接ZigBee无线传感网络与GPRS／RS－485网络，发布管理中心的监控命令，并把监测到的路灯状态信息转发到GPRS／RS－485网络上，通过RS－485总线或GPRS网络将数据传输至管理中心，实现灯具的遥测、遥控［4］.

2.2 主要实施内容

应用中间视觉理论，研究中间视觉条件下道路照明节能技术，对道路照明常用光源进行研究，选择适用于道路照明的节能光源.将ZigBee技术和GPRS移动通信技术相结合，设计一种基于物联网架构Zigbee－WSN＋GPRS／TCP／IP＋Internet＋PC的道路照明节能控制系统，通过网络化智能化控制，实现灯具的遥测、遥控［5］.其主要研究内容主要表现在以下三个方面：第一、应用中间视觉理论对道路照明常用光源进行研究，研究在中间视觉条件下适用于道路照明的节能光源.第二、系统组网模型建立和网络拓扑设计，路灯节点的Zigbee2007／Pro无线通信、自组网的实现.系统各通信设备的软硬件设计，上位机监控软件设计，实时监控路灯状态.第三、节能控制算法设计，光控和时控相结合，根据时段、环境亮度和人员活动情况，自动调节灯具的亮度，实现最佳照度控制，达到节能目的.