基于向日追踪的智慧照明系统设计_廖祈泉.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .项目来源：国家自然科学基金（）；教育部高等教育司项目（）收稿日期：修改日期：，（，）：，：；：；：基于向日追踪的智慧照明系统设计廖祈泉，华 洋，廖钧濠，樊海红，陈景贤，师文庆（广东海洋大学电子与信息工程学院，广东 湛江）摘 要：随着生活水平和能源要求的提高，人们对道路照明系统的要求也日益上升。传统城市道路照明系统存在照明模式单一，能源利用效率低的弊端，这与近年来高效节能的发展理念不符。为此，提出了一种基于向日追踪的新型节能智能照明路灯系统设计。设计一方面利用智能追踪系统自动控制太阳能板始终正对太阳，大幅提高了太阳能利用效率。另一方面，设计应用多路灯联动照明系统将不同路灯之间构成整体，在照明需求较低的时间节点为行人和车辆提供安全稳定的追踪照明模式，解决了传统路灯深夜等时间段长时间开启照明的问题，避免能源浪费，并延长照明系统使用寿命。本设计通过实物模型测试，实现预期功能，效果良好。关键词：可编程控制器；太阳能；智能照明系统；路灯中图分类号：文献标识码：文章编号：（）当前，我国传统道路照明存在两大弊端：一、大部分照明系统仅依靠电网供电，一旦电网出现异常，将导致道路照明无法正常运行。为解决这一问题，部分照明系统通过安装固定角度的太阳能板作为备用能源，但系统无法调整太阳能板的朝向和角度，导致太阳能的利用效率不高；二、大部分照明系统的照明时间固定，控制方式单一，只能实现在不同时间段，控制整个路段路灯的开启或者关闭。在深夜等照明需求较低的时间节点时，为节省能源，只能关闭所有灯光，导致行人和车辆在深夜出行时的安全性大大降低，极易发生交通事故。如若开启全部灯光，又由于大部分时间段并不需要照明，从而造成电力资源的极大浪费和路灯寿命的降低。针对上述问题，本文提出了一种新型智能照明系统设计。设计包括太阳能板智能向光系统和智能多路灯联动照明系统两大部分，其中太阳能板智能向光系统智能追踪太阳位置并调整太阳能板的朝向和角度，确保太阳能板始终正对太阳，提高光能利用效率；智能多路灯联动照明系统将路灯与路灯之间构成一个整体，在深夜照明需求较低的时间节点间隔开启路灯，当有行人和车辆途经时，跟踪行人行车并开启视野范围内灯光，在节省电能和保证路灯使用寿命的同时，保证了行人和行车深夜出现的安全。系统组成本系统分为太阳能板智能向光追踪部分和智能多路灯联动照明部分，太阳能板智能向光追踪部分主要由太阳能光伏板、步进电机及其驱动器、双轴机电 子 器 件第 卷械控制装置、控制器、数模采集模块、照度监测器、接近开关组成，整体结构如图 所示。智能多路灯联动照明部分主要由电源开关、灯片、继电器、距离传感器组成，整体结构如图 所示。图 太阳能板向光追踪框图图 智能多路灯联动照明系统框图 太阳能板向光追踪装置太阳能板智能向光追踪装置由两个步进电机控制双轴机械控制装置，调整太阳能光伏板的俯仰角度和朝向，使得太阳能板始终正对太阳，提高光能利用效率。本设计将光电跟踪法和视日轨迹跟踪法两种主流跟踪方法相结合，使得在复杂的道路使用环境之下，路灯系统依旧可以实现稳定准确的向光追踪功能，以保证太阳能的充分利用。光电追踪法追踪原理：在太阳能板上放置四个相同型号的光敏电阻，中间放置遮光挡板。由于太阳光是平行光，太阳在不同方位照射时，在遮光板的作用下，四个光敏电阻所受到的光照强度不同，得到不同的数据参数。通过控制器采集四个光敏电阻的数据，判断和比较偏差，最终得到当前太阳的具体方位，同时发出对应的脉冲信号，驱动相对应方向的步进电机运动，实现向光追踪，如图 所示。图 光电追踪法视日轨迹跟踪法追踪原理：由于太阳的运动轨迹并非杂乱无章，而是随着天文规律而稳定运动的。根据装置当前所在的经纬度以及时间信息，在天文算法的帮助下，计算出当前时刻当前位置的太阳的俯仰角度和朝向。太阳方位在本文的空间位置如图 所示。图 太阳空间位置示意图太阳高度角的计算公式为：（）（）太阳方位角的计算公式为：|（）式中：为纬度；为赤纬角；为时角。赤纬角的计算公式为：（）（）式中：为当前年份总天数，为当前年份的第几天，每年的 月 日为第一天。时角的计算公式为：（）（）式中：为当前位置的北京时间。平面电机与太阳方位角相对应，俯仰电机与太阳高度角相对应。控制器驱动电机旋转，当平面电机和俯仰电机旋转角度分别同当前太阳方位角和高度角相等时，停止旋转，此时太阳能板将正对太阳，达到预期目的。太阳能板向光追踪装置在工作时，通过光敏元件检测当前光照强度，并通过网络得知当前天气情况。当光照强度过低或过高超过预定阈值时，为避免光敏元件异常工作使得数据异常，导致无法追踪的问题。此时采用视日轨迹跟踪法追踪太阳，以此保证光伏板对太阳的稳定追踪。当天气为阴天、雨天或其他恶劣天气时，装置停止工作，延长装置使用寿命。多路灯联动照明装置多路灯联动照明装置配备行人行车检测照明模式和传统照明模式。装置根据不同时间段，道路车流量和行人数量不同的特点，智能选择开启两种道路照明模式。如在晚高峰等道路车流量密集时间段，开启传统照明模式。在凌晨等道路车流稀少时间段，开启行人行车检测照明模式。当开启行人行车检测照明模式时，多路灯联动照明装置通过距离传感器检测当前路段的行人行车信息。当路面不需要照明时（如深夜道路上没有行第 期廖祈泉，华 洋等：基于向日追踪的智慧照明系统设计 人及车辆时），通过控制器统一控制，将整个路灯系统中分支灯光关闭，仅启用部分光源，在主要路段采用间隔照明的方式，在分支路段关闭大部分灯光，起到省电节能的效果，如图 所示。当检测到无需照明时间段有行人或车辆将进入照明路段时，路灯之间相互通信，开启行人或车辆需要经行路段的照明系统。此时路灯系统将进行分段照明，仅开启行人当前所经路段可视距离内的灯光，其他路段的灯光保持关闭或者准备开启状态，使得车辆和行人夜晚在道路上行驶或行走时，感官上呈现整个路段照明开启的效果，保证行车和行人安全，又可达到最大化省电节能的目的。系统运行示意图如图 所示。图 检测时间段照明示意图（无行车时）图 检测时间段照明示意图（有行车时）硬件设计 控制器本设计采用三菱 作为太阳能板向光追踪装置和多路灯联动照明装置的控制器。三菱 配备有 个输入端口以及 个输出端口，满足路灯联动控制以及距离传感器检测需求，配备两个高速脉冲输出端口用于控制两个步进电机实现高精度的向光追踪，同时支持扩展 数模转换模块，以配合光敏电阻矩阵实现太阳光追踪功能。距离传感器本设计采用红外线漫反射型距离传感器，此传感器尾部有无极电位器，可调整检测距离阈值。相比与普通距离传感器，检测精度更高，检测准确度更高。解决了道路安装时检测距离各不相同的问题，适应能力更强。照度监测器本设计采用光敏电阻实现照度监测。光敏电阻在不同强度光照下有不同的阻值，在恒压电路中与定值电阻串联，从而产生变化的电压。通过 模块将四个光敏电阻电压信息转换为数字信号，通过 处理计算，得到光源位置。本设计采用的光敏电阻光谱峰值为 ，亮电阻（）为 ，暗电阻为 ，上升响应时间为 ，下降响应时间为 。串联的定值电阻阻值为 。步进电机及其驱动器本设计选用 步进电机，通过型号为 的 步进电机驱动器驱动。此驱动器支持 细分并且提供最高 的驱动电流。通过 向驱动器特定端口发送高低电平信号，便可控制步进电机的转动方向，便于追踪功能的实现。同时，原则上 每发送一个脉冲，步进电机将旋转 ，可以实现对太阳位置的高精度追踪。程序以及软件设计由于本设计使用三菱系列 为主要控制器，所以程序由 软件进行梯形图编程。程序的流程如图 所示。图 程序流程图 模型设计与结果分析 路灯模型设计路灯选用主流常见的路灯设计模型，由灯罩、灯电 子 器 件第 卷柱、灯片、距离传感器、太阳能板装置放置平台组成，太阳能板向光追踪装置机械控制结构如图 所示，总体结构如图 所示。图 太阳能板向光追踪装置机械控制结构图 路灯设计模型本文根据硬件和软件的设计以及工作原理，搭建相对应的道路路灯系统模型。模型实物全景如图 所示，太阳能板向光追踪装置实物图如图 所示。图 道路路灯实物模型 实验数据 太阳能板向光追踪实验 年 月 日，天气晴转多云，实验将太阳能板向光追踪装置放置在同一地点，在不同时间和天气下进行太阳位置追踪实验，实验地点为广东省湛江市广东海洋大学科技楼楼顶，东经，北纬。装置通过 模块采集四个光敏电阻具体压降值，在 的监视模式下对光敏电阻数据以及视日轨迹跟踪法中算法所计算得到的数据进行监视和记录。分别在当天早上：和中午：进行实验，同时记录光敏电阻数据以及太阳当前方位。光敏电阻所得数字量数据如表 所示。视日轨迹跟踪法所得太阳高度角和方位角如表 所示。表 四方向光敏电阻在：、：所得数字量光敏电阻数字量西北方向东北方向西南方向东南方向：表 视日轨迹跟踪法所得太阳高度角及方位角测量时间：计算值测量值太阳方位太阳高度角太阳方向角太阳高度角太阳方向角 多路灯联动照明实验实验预设每日：为行人和车辆较多时间段，：次日：为行人稀少时间段。设立 组实验组：实验组 为全段路灯整晚常亮、实验组 为：为常亮模式，：次日：为 行 人 车 辆 检 测 模 式、实 验 组 为：为常亮模式，：次日：关闭整段路灯。在检测时间段随机在模型道路上放置测试车辆（每小时不超过 次），记录当晚路灯系统模型不同实验组耗电量，所得数据如表 所示。表 路灯系统模型不同实验组耗电量实验组 实验组 实验组 耗电量 道路照明时间 数据分析通过表 和表 的数据对比发现，早上：时，由于光照条件良好，光电追踪法可以实现对太阳位置的追踪，但在中午：时，由于光照强度较强，超过光敏电阻阈值，此时光电追踪法无法实现对太阳位置的追踪，但此时视日轨迹跟踪法可以实现对太阳位置的粗略跟踪。验证了将两种追踪方式相结合的可行性以及合理性。在表 中，可以看到，实验组 在夜晚保证对第 期廖祈泉，华 洋等：基于向日追踪的智慧照明系统设计 行人照明的情况下，耗电量相比于传统照明方式实验组 降低 ，效果明显，同时相对于整晚关闭整段路灯的照明方式，耗电量相差仅。验证了多路灯联动照明的节能性和可行性。结论本设计在传统太阳能路灯基础上进行改进，系统通过光电跟踪法和视日轨迹跟踪法相结合的方式，使得系统在复杂的道路照明使用环境下仍能实现稳定的向光，达到对太阳能充分利用的目的。同时，将不同路灯通过控制器连成整体，实现路灯的联动照明控制，并在深夜等行人稀少时间段为行人提供智能化照明。太阳能板智能向光追踪部分和智能多路灯联动照明的应用，极大提高了路灯照明的能源利用率和照明效率，实现城市路灯网络节能化、智能化。参考文献：谢畅，吕光华 太阳能板倾角设计优化 中国高新科技，（）：周科 城市道路照明节能问题及解决方案浅析 工程建设与设计，（）：牟如强，李乐 基于单片机的新型太阳能双轴跟踪装置设计 组合机床与自动化加工技术，（）：武志强，马民，路志明，等 最佳倾角的单轴逐日系统设计研究 现代电子技术，（）：马帅旗基于 的太阳方位对准系统研究 计算机工程与应用，（）：姚仲敏，潘飞，谭东悦 新型光伏发电智能追光系统设计 太阳能学报，（）：贺晓雷，于贺军，李建英 太阳方位角的公式求解及其应用 太阳能学报，（）：吴硕，赵继忠 双轴高精度太阳能自适应跟踪系统研究与设计 电源技术，（）：中华人民共和国住房和城乡建设部 城市道路照明设计标准 北京：中国建筑工业出版社，廖明青 路灯开关时间的预测算法研究 武汉：华中科技大学，陈子逸 驾驶负载下中间视觉可见度模型研究南京：东南大学，李福生 基于小目标可见度 的 路灯视觉研究 上海：复旦大学，廖祈泉（），男，广东梅州人，本科，主要研究方向为电气工程及其自动化，；华 洋（），男，广东清远人，本科，主要研究方向为电气工程及其自动化，；廖钧濠（），男，广东省梅州人，本科，主要研究方向为电气工程及其自动化，；樊海红（），女，江苏省南通人，硕士，广东海洋大学电子与信息工程学院副教授，本文通讯作者。主要研究方向为电 气 工 程、电 工 电 子，；陈景贤（），男，广东省汕尾人，硕士，广东海洋大学教育信息中心副主任，主要研究方向为电子与通