何晓玲 陈泽娜 赖文娜 曾嘉洪 文雅

摘 要：优化降净路灯是一种集太阳能、吸尘装置、洒水装置为一体的节能型路灯。当前环境问题是国家乃至全世界都关注的重点问题之一。本产品不仅采用太阳能的环保能源，还在路灯上安装吸尘及洒水功能的设备，双管齐下以达到降低空气中灰尘含量、保护环境的效果，是一种环境友好型产品。本产品以智能控制为前提，在路灯照明上采取隔一亮一或调光照明方案，在根源上处理光线的明暗问题，同时也在一定程度上起到了节约能源的作用。

关键词：优化降净路灯;LED;节能;吸尘装置;集尘箱

中图分类号：TU998   文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）2-0055-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.013

An Optimized Design of Net Reducing Street Lamp

HE Xiaoling    CHEN Zena    LAI Wenna    ZENG Jiahong    WEN Ya

（Guangdong Baiyun University， Guangzhou 510550，China）

Abstract：The optimized street lamp is an energy-saving street lamp integrating solar energy， dust suction device and sprinkler. At present， environmental issues are one of the key issues concerned by the country and even the world. This product not only uses solar energy as environmental protection energy， but also installs equipment with dust collection and watering functions on street lamps. It works in two ways to reduce the dust content in the air and protect the environment. It is an environment-friendly product. On the premise of intelligent control， this product adopts the lighting scheme of one light every other or dimming on the street lamp lighting to deal with the light and dark problem at the root. At the same time， it also plays a role in saving energy to a certain extent.

Keywords：optimize the street lamp; LED; energy saving; dust collection device; dust collection box

0 引言

當前环境污染和资源浪费问题日益突出，丰富、洁净的可再生清洁能源——太阳能，被广泛应用于发电、发热等方面，将太阳能转化为电能供路灯运行且有效利用，不但能够达到节能减排的目的，还有利于改善能源紧缺的问题。

1 优化降净路灯的设计

1.1 供电模块

1.1.1 太阳能供电。优化降净路灯主要采用太阳能供电，通过太阳能板收集太阳能并转化为电能储存到蓄电池内，以蓄电池作为路灯运行的主要电源。一般来说，太阳能板与太阳光呈现90°的垂直角，太阳能板吸收太阳能转化为电能的效果最佳。但考虑到各地区的经纬度环境等情况，以及路灯周围的建筑物、树木等外部物体的遮挡，会出现太阳能板无法最大限度地吸收光能的情况。所以，在运用太阳能供电的同时也会使用其他的供电方式以确保路灯正常运行。

1.1.2 市电供电。考虑到“优化降净路灯”吸尘装置等的供电用电问题以及特殊天气状况下太阳能路灯的照明问题，“优化降净路灯”仍要铺设电缆线路，利用电缆线路连接市电来保障供电。

直埋电缆线路比较适合“优化降净路灯”的线路建设，直埋电缆线路一般直接埋于地下，是一种比较简单而又经济的铺设方法，而且泥土散热比较好，有利于提高电缆的载流量。

1.1.3 风能供电。“优化降净路灯”是采用风力供电的方法在路灯上安装垂直轴风力发电机。

1.2 照明模块

1.2.1 LED路灯的型号。LED技术的发展不断加快，芯片的光效有所提升，节能率也有了保证。光效和色温的矛盾不再是LED应用过程中的主要矛盾，色温与环境条件是否协调才是关注的重点[1]。综合我国当前技术、气候、社会环境等条件以及人眼的感官，“优化降净路灯”可以采用色温为2 800～4 200 K的LED光源，在满足照明的前提下，提升人体舒适度，提升城市形象。

1.2.2 节能照明的方案。为了使“优化降净路灯”达到节能的效果，可采用隔一亮一和调光两种节能照明方案。

隔一亮一节能照明方案需要依托单灯监控系统（由监控软件、监控主机、单灯控制末端三部分构成），采用城市路灯照明单灯控制系统后，可根据行人流量和交通流量的情况设置照明方式。

此外，单灯控制系统对路灯进行全方位监控，如故障检测和预判、路线防盗等，可进一步实现道路照明的智能化管理。隔一亮一节能照明方案是以整体线路降低电压的方式进行节能，工程量相对较小，可因地制宜地应用于路灯改造工程。

调光节能照明方案可通过安装节能型照明调光器进行节能，节能照明调光器是能够改变照明装置中的光通量、调节照度水平的一种电气装置，优化降净路灯引入节能照明调光器可以采取固定的调光变化的时间模式。节能型照明调光电器的安装非常简便，只需要更换原有路灯内的电器，并且按照接线图在灯具内安装好即可，但由于灯具多、工程量大，其方案不适用于已建路灯的改造工程上，而比较适用于新建道路路灯工程上。

1.3 吸尘模块

1.3.1 吸尘装置工作原理。优化降净路灯上的吸尘装置依据普通吸尘器和粉尘检测仪的高空吸尘原理进行可行性研究，有效减少路面粉尘，增加道路的可视度，减轻粉尘对人体的危害。目前，用光学方法来监测灰尘的技术被广泛使用，光学检测具有独特的优势，具有零接触、消息实时、测量速度快等優势。利用光学检测的工作原理是：灰尘属于一种漂浮在半空中的微粒，微粒在光线的照射下，由于照射光的振荡电磁场的作用而产生极化，并向各方向辐射出电磁波，这就是光的散射现象。

吸尘的时间和周期会根据不同的地点、当地的现状不同而有所差异，在一些灰尘量比较多的地方，吸尘间隔的时间会比较短，次数也会相应地增加。在一些相对干净的地区，吸尘间隔的时间会适当延长，减少吸尘的次数。吸尘与洒水的操作时间错开，以达到更好的降尘效率。

1.3.2 吸尘装置降噪处理。吸尘装置在运行过程中，由于电机运转会产生空气动力噪声、电磁噪声和机械噪声等。通过对吸尘器产生噪声的主要原因的探究和对吸尘器减少噪声解决方法的思考，认为可通过以下方法对吸尘装置进行降噪处理。

第一，增加吸尘器在前壳壳体的厚度。

第二，在吸尘器出风通道贴上玻璃棉、岩棉、矿渣棉、棉麻或人造纤维棉等吸声效果较好的纤维性材料进行吸声。在设计吸尘器后出风通道时，要适当增加吸声材料的通道面积，在确保排风的同时尽量使出风通道蜿蜒曲折，并在出风通道尽可能贴上吸声材料[3]。

第三，改进排风口。排风口高速流转的气流产生很强的空气动力噪声，同时风机产生的噪声也通过排风口直接传递出来。改变排风口高度减小其排气面积，得到半无限声场声压级。

第四，施加阻尼。采用隔音材料对吸尘器在运作过程中的噪声进行削减，从而达到降噪效果[4]。

第五，改变内损耗因子。

1.4 洒水模块

目前，公路建设、道路维护、园林绿化等必备且频繁使用的机械设备是洒水车和雾化路灯，但目前雾化路灯只在部分地区存在（如河南省郑州市），绝大部分地区还是需要洒水车来进行道路绿化。绿化洒水车的使用存在消耗燃料、产生汽车废气等缺点，在路灯上设置洒水装置能在一定程度上减少洒水车的使用，从而更好地节约能源。

优化降净路灯用水管道连接市政用水管道，利用达到《市政用水标准》要求的市政水，喷射出对人体无害的水雾。

在洒水装置上多增加一红外线感应装置，红外线感应装置用来感应行人的走动。当空气中的水含量达不到标准要求时，洒水装置要适当地运行。

1.5 灯杆的材质

优化降净路灯灯杆材质首选不锈钢和铝合金，不锈钢灯杆的特点是不生锈，抛光拉丝后更美观，其安全性高，抗风能力强，降低安全隐患，使用寿命长，防水防雷，安装太阳能板更是省电;铝合金灯杆质量轻、方便安装，通过阳极氧化、电解等工序后比不锈钢灯杆更加美观，安全性更高，耐腐蚀性强，永不生锈，使用寿命更长，能经过旋压工艺制造出更多的造型，观赏性更高，而且可100%回收，环保节能减排。

因为材质不同，价格也不同，铝合金灯杆相对于不锈钢灯杆价格要高，可根据预算自行选择。

1.5.1 灯具的间距、杆高和挑臂。优化降净路灯灯具的间距、杆高和挑臂要严格遵循《城市道路照明设计标准》（CJJ 45—2015）进行具体设计，如灯具的悬挑长度不宜超过安装高度的1/4，灯具的仰角不宜超过15°。

1.5.2 布置方式。《城市道路照明设计标准》（CJJ 45—2015）中，对安装路灯的方式没有明确标准，仅对照度、均匀度、功率密度等作出规定。具体的安装方法按照当地的实际情况来进行选择与安装。

根据我国城市化进程的3个阶段：初期阶段、中期加速阶段、后期成熟阶段，每个阶段具有不同的特点，特设置了以下4种路灯的位置分布。

①单侧布置。单侧布置适用于比较窄的道路，通常是某村庄的道路，要求灯具的安装高度大于或等于路面有效宽度。

②双侧交错布置。交错布置要求灯具的安装高度不小于路面有效宽度的0.7。

③两侧对称布置。对称布置要求灯具的安装高度不小于路面有效宽度的一半。

④中心对称布置：在中间有中央分隔带的路段上用中心对称布置。

2 管理与控制系统

2.1 单灯控制系统

单灯控制系统可以对各个路灯的参数进行检测和控制，是对传统路灯控制系统的升级。目前，多数单灯控制规模化城市应用电力线载波作为第2级通信方式，选择这样的方式安装方便，有利于减少半空中杂乱的电线，增加城市的美观，将电线安装在地下还能减少天线的安装，更加省时省力。不过要安装电力线也有一定的要求，所以在安装之前要检测当地的环境，在安装时要注意设备的调试，在安装后还要注意测试通信效果。

单灯系统的设计主要是将路灯各个箱变里的一些集中器通过控制系统对每一盏路灯进行开关的自动开关和后台的遥控以及一些数据的测量。集中器是路灯发展过程中远程控制的产物和核心产品，主要负责通信网络的架构和调整，向下收集网络节点反馈信息以及传达控制命令。目前5G技术的兴起，为行动远程控制方式提供了更为快捷的网速，为其与监控中心的相互联系提供了便利[2]。

选择单灯控制系统有其自身的优势，采用各个路灯的分开控制对开关灯模式会更加灵活，更能节约能源;在维修方面也会更加方便，分开控制路灯之间的制约会减少，所以路灯电路的维修方面对不同箱变的路灯影响较小。

2.2 后台管理系统

普通路灯只需要照明这一功能，而优化降净路灯功能的多样性使其与普通路灯有一定的区别。

服务器在室外的作用不大且路灯是一根一根进行安置的，所以优化降净路灯如果要实现通过互联网后台管理系统进行控制，那么需要在生产时为路灯配置支持互联网协议通信的互联网通信组件，支持互联网通信卡或者无线局域网，如为路灯设备配置无线通信技术（安装一个4G互联网通信卡为优化降净路灯配置网络），配置无线通信便可使该设备具有无线通信功能，与后台管理系统进行协议通信，即设备为在线状态。

设置权限使管理人员更好操作，管理人员可通过互联网上的设备后台管理系统对优化降净路灯设备进行相应控制，能實时检测到路灯当前的具体运作情况，例如控制该优化降净路灯设备的开关，定时开关，设置路灯设备的灯码值（优化降净路灯的功率）、合理的吸尘时间与洒水时间。

后台管理系统可选择移动设备上的APP、小程序、移动端的后台管理系统、电脑设备上的后台管理系统等页面方式。

2.3 故障诊断系统

吸尘装置的电机和吸力等有时会产生一些故障，下面列举了出现吸尘装置发生故障的主要原因及其解决办法[3]。

2.3.1 电动机不转动且没有电流声。引起这种现象的原因有许多，可以根据这些原因实行相应的排除方法，造成这种现象的原因可能有电源插头接触不良;电源的保险丝被熔断了;电源线不通;电源开关不通;电动机的接线松脱、虚接;电刷和换向器不接触;电动机的定子绕组或者电枢绕组短路;换向器与绕组接线处开焊。

解决办法：插好插头;更换保险丝并检查电路;更换电源线;修理电源开关，尝试是否可以成功运行;接好电动机的导线接点（若电刷与刷握配合太紧，就需要改进电刷配合尺寸，若是因为电刷磨损或弹簧弹力太小，就需要更换电刷和弹簧;重绕损坏的绕组;把接线处焊好）。

2.3.2 电动机产生很大的电流嗡嗡声。造成这种现象的原因一是集尘箱损坏，杂物绕上电动机和风机，可以修补集尘箱损坏的地方，并把卡住电动机和风机的杂物取出;二是电动机轴承严重损坏，可以更换电动机轴承或直接把整个电动机换掉;三是电刷位置不在中线上，可以调整刷握的位置;四是定子绕组损坏，受潮或者短路，可以烘干电动机或者重绕电动机绕组;五是定子线圈接线错误造成两极性相同，需要更正线圈的接线[4]。

2.3.3 吸尘装置的吸力减弱。吸尘装置的吸尘力度下降可能是由多方面因素造成的，一是因为各个吸尘装置如集尘箱已满，软管、吸尘口、集尘箱接口处被堵塞，滤尘网的微孔被堵住，这时需要对吸尘装置进行清理;二是因为使用时间久，吸尘集尘的组件老化，导致相关部位的密封性能减弱，可以更换老化的组件;三是电压的原因，吸尘力度与电压和功率有着很大的关系，当电压不足时，电动机的转速会下降，可以通过调压器调整电压[5]。

2.4 报警系统

在路灯上安装报警系统，主要是为了防止路灯的一些组件被盗取和对路灯运行进行监控。路灯的监控与报警系统采用远程控制系统。若要对路灯有监控作用，又对电缆集尘箱等起防盗作用，就需要有直接用于控制城市路灯设施的监控设备，又要有用于电缆防盗的电缆智能防盗系统，同时有用于远程无线通信处理任务的GPRS接口以及管理处的监控中心监控软件，从而对整个路灯进行远程控制。设置一个亮点防盗系统对路灯的各项参数进行监测，当发现电缆或者集尘箱被非法盗取时，可以根据GPRS和GSM通道进行报警[1]。这个报警器主要由电源、电池、MCU以及GSM、天线、外壳等部分组成，对系统的适应环境要求比较高，要求系统可满足温度在-20～50 ℃的环境运行要求[6]。

3 优化降净路灯设计理念

优化降净路灯主要由太阳能板、路灯、灯杆、喷雾孔、吸尘口、集成箱、管道等部分组成。太阳能板置于路灯上方，可以根据不同地区的纬度来设置其倾斜角度，以更好地实现太阳能向电能的转换。灯杆实现多功能化，既可以考虑在灯杆上设置指示牌，又可以考虑在灯杆上设置充电杆。喷雾口安置于路灯顶部的灯杆上，在8～12 m的高度范围内进行喷雾，从而有效使灰尘沉降，以净化空气。吸尘口为百叶窗形式，安置于路灯的下半部分，用于吸取接近地面的灰尘，来不断降低空气中灰尘的浓度。

为了资源得到更有效的配置，采取每三根路灯配置一个集尘箱的策略，路灯吸取灰尘通过管道运输到集尘箱内，集尘箱须定期安排清理。管道主要分为电路管道和水路管道，水路和电路管道分管设置。

参考文献：

[1] 冯士良，陆哲.论城市道路LED路灯的色温选择[J].建设科技，2016（9）：61-63.

[2] 张苏文.城市智慧路灯建设的研究及实现[D].南昌：华东交通大学，2020.

[3] 周德林.吸尘器的调速电路及其检修[J].电工技术，1998（2）：22-26.

[4] 陈玲玲.降低吸尘器噪音的方法探索[J].高等函授学报（自然科学版），2012，25（3）：78-79.

[5] 和卓波.路灯节能与电缆防盗成套技术分析[J].电子测试，2018（4）：20-21，41.

[6] 龙智勇.基于统计能量法的吸尘器噪声分析预测与控制研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.