基于车路互联的智能路灯节能系统设计与验证
摘 要：为满足我国路灯系统的节能减排和智能控制需求，基于车路互联技术提出一种智能路灯的综合节能系统。该系统通过信号检测模块获得道路上的车辆、行人信息，并通過无线通信模块实现道路交通工况与路灯控制模块的信息无线互联，最终实现路灯的分时控制。利用激光传感器、Arduino单片机及nRF24L01无线模块等搭建了比例道路路灯系统模型并进行了实验验证。实验结果表明，在保证司机有足够的行车视距的前提下，实现了“车来灯亮、车过灯灭”的功能，能够在车流量较小的村镇道路上实现较好的节能效果。
关键词：智能路灯；车路互联；节能；实验验证
中图分类号：TM923.5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）04-0038-04
Abstracts： In order to meet the demand of energy saving and emission reduction and intelligent control of street lamp system in our country， a comprehensive energy-saving system of intelligent street lamp is proposed based on the technology of vehicle-road interconnection. The system obtains the vehicle and pedestrian information on the road through the signal detection module， and realizes the wireless interconnection between the road traffic condition and the information of the street lamp control module through the wireless communication module， and finally realizes the time-sharing control of the street lamp. The model of proportional road street lamp system is built by using laser sensor， Arduino single chip computer and nRF24L01 wireless module. The experimental results show that， on the premise of ensuring the driver has enough sight distance， the function of "light is on when car comes， and out when car passes" is realized， and the better energy saving effect can be realized on the roads in villages and towns where there is small traffic flow.
Keywords： intelligent street lamp； vehicle-road interconnection； energy-saving； experimental verification
1 概述
路灯照明系统是道路基础设施的一个重要组成部分，它不仅能够使夜间道路交通更加通畅，保证道路车辆的行驶安全性，同时对所在地区的景观和人文气息也有着重要的影响。然而，目前我国道路两侧（尤其是偏远山区）的路灯系统自动化水平不高，大多采用定时控制或者管线控制的方法，这导致路灯管理起来效率很低，同时在夜间彻夜点亮路灯，也对电能造成了巨大的浪费。
近年来，随着无线网络技术的飞速发展，利用无线互联技术提高路灯的智能化水平并克服传统路灯的弊端，逐渐引起了研究学者及企业的重视。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）具有实时感知能力、快速通信能力和运算能力等一系列特点，可实现车辆与道路路灯之间的快速通信与互联，能够较好地满足智能路灯控制系统的主要功能要求[1]。
因此，基于车路无线传感与互联技术，本文提出一种新的车路互联智能路灯综合节能系统。该系统通过无线信号检测模块对道路环境信息进行探测，当有车辆或行人经过时，点亮前方三盏路灯，并使其在一定时间内自动熄灭[2]。这样，利用道路车辆（或行人）与路灯之间的无线信息互联技术，即可实时获取并传输车辆行驶状态信息，对道路路灯进行分时控制，以实现路灯的智能控制与综合节能功能。
2 路灯控制系统总体方案设计
路灯控制系统由信号检测模块（激光发射器和接收器）、Arduino控制模块、nRF24L01无线通信模块、继电器模块及其他道路设施等共同组成。
具体方案为：将激光传感器置于道路两侧的路灯节点处，当检测到有车辆（或行人）通过时，利用Arduino控制模块采集道路交通信息，并通过nRF24L01无线通信模块发送至相应的LED路灯无线信号接收模块，并利用单片机和继电器实现路灯的延时开关和智能控制[3]。其整体结构布局和工作原理如图1所示。
下面将对各模块分别进行详细说明。
2.1 信号检测模块
激光传感器可以实现无接触远距离测量，且具有速度快，精度高，量程大，抗电干扰能力强等特性，本系统选用型号为LD-G650A03的danger 3V激光发射器和5V激光接收器（光控开关）对道路上的车辆与行人进行检测[4]。
在道路两侧路灯节点处分别安装激光发射器和接收器，当没有车辆（或行人）经过时，激光发射信号能被接收器正常接收，此时，Arduino控制模块不对前方路灯进行控制，前方路灯处于缺省断电关闭状态；而当车辆（或行人）经过路灯的位置时，激光发射的信号被车辆（或行人）阻拦，接收器无法接收到相应信息，Arduino控制模块对该信号进行判断处理，并通过无线通讯模块将该信号传递到前方对应的路灯控制器中，使路灯处于延时通电状态，点亮路灯。从而保证了行驶车辆（或行人）前方的数盏路灯处于开启状态，既保证了车辆在道路上的照明需求，同时也实现了节约电能的目标。具体结构如图2。
如图，每个路灯上的激光传感器依次对应其前方的第三盏路灯。假设激光传感器安装在路灯A上，当车辆通过路灯A时，前方A"路灯照明。并通过设定延时程序保证车辆在通过该灯之前能够持续照明，并在车辆通过A"之后，该路灯自动熄灭。依次方式，可实现“车来灯亮，车过灯灭”的照明模式。
2.2 无线通讯模块
无线通信模块负责道路车辆或行人信号的无线传输，该系统采用nRF24L01无线通信模块进行数据传输。该种新型单片无线收发器芯片内置频率合成器、功率放大器、调制器、晶体振荡器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置，几乎可以通过SPI接口连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作[5]。其与Arduino单片机的连接如图3。
具体方案为：在每个路灯处分别安置一个nRF24L01发射端与接收端，当激光传感器检测到有车辆（或行人）经过时，信号经由Arduino处理，控制nRF24L01发射端向该路灯前方的第三盏路灯的nRF24L01接收端发送信号，使前方路灯实现依次点亮和延时功能[6]。该路灯系统中，通过Nrf24L01模块通信频道的选择，实现路灯系统点对点通信控制，同时前方路灯点亮的数目、延时时间等参数均由程序自定义设定，可根据具体道路的交通状况与行车速度进行灵活调节，实现整个路灯系统的智能控制，以达到符合当前路况的最优方案，且在最大程度上节约电能[7]。
2.3 Arduino控制模块
在该智能路灯系统中，采用Arduino UNO为核心控制模块，其处理器核心是ATmega328。通过程序编程实现激光接收器反馈信号的处理、nRF2401无线模块信号收发以及路灯继电器的控制等主要功能。
如图4所示，该路灯控制系统以Arduino单片机模块为核心，分别与激光传感器、nRF24L01无线通信模块以及继电器模块进行连接。其中，激光传感器仅为Arduino模块提供输入信号，而Arduino模块向继电器模块仅输出开关控制信号，另外，nRF24L01无线通信模块不仅要接收后方第（n-3）号路灯节点处的激光传感器信号，还要向前方（n-3）号路灯节点处发送本路灯激光传感器的信号，因此，需要利用Arduino对nRF24L01模塊进行分频分时控制，从而实现上述功能。
3 智能路灯系统的实验验证
根据以上路灯控制系统的设计方案，构建比例道路交通模型对该系统进行实验验证。该车路互联路灯综合节能实验系统主要由智能路灯控制系统与小车智能巡线系统共同构成。智能巡线小车用于模拟真实道路中的行驶车辆，为路灯控制系统提供验证条件。智能路灯系统的实验路线总体结构如图5所示。
3.1 智能小车巡线系统方案设计
智能小车巡线系统作为智能路灯实验系统的辅助部分，由车体模型、Arduino主控模块、路径检测模块、转向控制模块、电机驱动模块等组成。智能巡线小车的总体结构如图6所示。该智能寻线小车能够按照规定的黑色轨迹匀速行驶，且行驶偏差保持在较小范围值内，智能巡线小车是智能路灯系统信号的发出端，用于模拟实际道路场景中的车辆、行人等，作为智能路灯控制系统的辅助部分。
车体的从前端到后端依次安装有3个红外传感器作为路经检测模块、转向舵机、电机驱动模块、Arduino Uno控制板、7.2V充电电池及2个直流电机。车体组装元素有4个轮胎、4个电机固定块、2块小车后部模块、1块小车中部模块、1块小车头部模块、1块小车连接板、6块舵机前轮固定板及各类螺丝及铜柱、轴承、垫片若干。
其技术方案为：在Arduino模块中编写控制程序，控制安装在车体上的各个功能模块，从而达到沿黑线运动的巡线目的。整个系统程序是建立在Arduino信号检测及运动基础上，路径检测模块用来检测黑线位置，并将此路线信号传达给Arduino控制器，控制器在收到路线信号并做出转向判断后，控制转向执行部分即舵机（此处舵机与车体前轮进行刚性连接）转动相应角度，实现转向功能。同时，Arduino控制器通过电机驱动模块间接驱动两后轮，使其始终保持匀速转动，为整个车体提供动力[8]。
3.2 智能路灯控制系统实验模型
智能路灯控制系统的实验模型由信号检测模块（激光发射器和接收器）、路灯控制模块（Arduino控制模块）、无线通信模块（nRF24l01模块）及其他道路设施模型共同组成。要求实现的功能为，当激光接收器能正常接收激光发射器的发射激光时，道路前方三盏路灯处于熄灭状态，一旦巡线小车驶过时，将激光信号阻断，前方第三盏路灯点亮，并延时熄灭。依此，每个激光接收器对应控制其前方第三盏路灯亮或灭的状态。
根据该方案搭建实验平台，经多次测试，可实现预期功能。巡线小车可沿规定轨迹线行驶，且行驶偏差保持在-2cm～+2cm之间。小车运行情况见图7所示。巡线小车每遮挡一束激光，其对应控制的前方第三盏路灯均能迅速点亮，并延时熄灭。这样，就始终保持了小车在行驶过程中其前方3盏均为点亮状态，且在小车驶离时，路灯熄灭。
4 结束语
基于目前主流的无线传感及互联技术，本文提出了一种基于车路互联的智能路灯综合节能系统，并进行了实验验证。该系统应用车路互联通信技术以及分时自主智能控制思路，使智能路灯系统能够根据当前路况做出较好的路灯开关控制，有效提高了路灯节能效果以及人工管理成本。
对该系统进一步优化，还可实现故障信息的即时反馈等附加功能。与传统路灯系统相比，具有节约能源、便于智能化控制与管理等优势。特别是在物联网迅速发展的时代，该种智能路灯系统具有一定的可行性与广阔的发展前景。
参考文献：
[1]蔡利平.基于物联网技术的智能路灯控制系统设计[D].成都：成都理工大学，2012.
[2]赵宏勋.城市路灯节能装置的研究与设计[D].大连：大连交通大学，2012.
[3]潘美莺，游妙彬.智能节能路灯控制系统的研究[J].兰州文理学院学报（自然科学版），2014，28（2）：63-65.
[4]朱向庆，廖桂明，崔廷佐，等.远程分布式无线智能路灯监控系统设计[J].计算机测量与控制，2015，23（1）：83-85.
[5]邢文生，李希臣.nRF2401的ShockBurstTM模式及其单片机Kei
lC语言实现[J].信息化研究，2007，33（1）：49-51.
[6]郭威.基于ZigBee的无线智能路灯系统研究[D].北京：北京交通大学，2014.
[7]喻春雨，孔凌历，何春舅，等.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（6）：13-15.
[8]赵容晨，赵津.基于Arduino控制器的寻线智能车设计[J].贵州科学，2013（1）：2-5.
