趙鯤鵬 崔英偉

（1.張家口市夜景照明管理中心，河北 張家口075000；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075000）

0 引 言

國(guó)際照明學(xué)會(huì)（CIE）規(guī)定：亮度在10cd／m2以上的視覺(jué)狀態(tài)做明視覺(jué)，人眼的錐狀細(xì)胞在起作用，其最大視覺(jué)響應(yīng)為555nm.亮度在10－2cd／m2以下的視覺(jué)狀態(tài)叫做暗視覺(jué)，人眼的桿狀細(xì)胞在起作用，其峰值視覺(jué)響應(yīng)為507nm.介于明視覺(jué)與暗視覺(jué)之間的叫中間視覺(jué).我國(guó)道路照明屬于中間視覺(jué)的范疇，照明亮度標(biāo)準(zhǔn)范圍在0.3～2.0cd／m2之間.在中間視覺(jué)條件下，人眼中視網(wǎng)膜內(nèi)錐狀細(xì)胞與桿狀細(xì)胞交替作用，道路照明的視覺(jué)功效與暗視覺(jué)和明視覺(jué)的視覺(jué)功效有很多不同，對(duì)明暗、顏色、空間和響應(yīng)感覺(jué)的特性均要發(fā)生變化.為了使道路照明水平更符合實(shí)際視看效果，達(dá)到安全、舒適和節(jié)能目的，應(yīng)合理確定人眼不同適應(yīng)水平時(shí)光源有效光效，考慮人眼的視覺(jué)特性，利用中間視覺(jué)理論研究道路照明安全節(jié)能新方法［1］.

道路照明節(jié)能是一個(gè)系統(tǒng)工程，道路照明節(jié)能途徑主要有：光源節(jié)能、改變光源的運(yùn)行方式、改善供配電系統(tǒng)、燈具的智能化網(wǎng)絡(luò)化控制、采用太陽(yáng)能或風(fēng)光互補(bǔ)型路燈、充分利用天然光等.光源節(jié)能就是研發(fā)和推廣綠色節(jié)能光源，用光效高、壽命長(zhǎng)的光源逐步取代傳統(tǒng)的低光效、低壽命的光源.改變光源運(yùn)行方式：同一電桿裝兩只光源，半夜時(shí)關(guān)閉一只，只裝一個(gè)光源時(shí)，采用穩(wěn)壓降壓調(diào)光運(yùn)行或變功率運(yùn)行，半夜時(shí)轉(zhuǎn)換至低功率運(yùn)行.改善供配電系統(tǒng)：氣體放電燈裝設(shè)電容補(bǔ)償，采用單燈無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)降低線路能耗；配用電子鎮(zhèn)流器，半夜時(shí)通過(guò)調(diào)光控制降低功率以節(jié)能；合理選擇導(dǎo)線的材質(zhì)和截面，較長(zhǎng)的線路采用銅芯線，導(dǎo)體截面考慮經(jīng)濟(jì)電流密度要求.燈具的智能化網(wǎng)絡(luò)化集中控制就是將自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于照明控制，使照明系統(tǒng)自動(dòng)化，考慮環(huán)境照度、交通流量、時(shí)間和路段等因素，實(shí)現(xiàn)燈具“三遙”控制，即遙測(cè)、遙控和遙信.

本文應(yīng)用中間視覺(jué)理論，對(duì)道路照明常用光源進(jìn)行研究，選擇適用于道路照明的節(jié)能光源.將Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPRS移動(dòng)通信技術(shù)引入到道路照明控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)Zigbee－WSN＋GPRS／RS－485的道路照明節(jié)能控制系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化智能化控制，實(shí)現(xiàn)燈具的遙測(cè)、遙控.

1 道路照明節(jié)能技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)

1.1 在光源方面

道路照明中較常使用的光源有高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、緊湊型熒光燈，一些新型光源，如無(wú)極熒光燈和LED燈等也在道路照明系統(tǒng)中開(kāi)始試點(diǎn)使用.高壓鈉燈是一種高強(qiáng)度氣體放電燈，具有光效高、壽命長(zhǎng)、透霧能力強(qiáng)、價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，但顯色指數(shù)低，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，是目前國(guó)內(nèi)普遍應(yīng)用的道路照明光源.金屬鹵化物燈具有光效高、使用壽命長(zhǎng)、顯色性好等特點(diǎn).無(wú)極熒光燈具有無(wú)電極、使用壽命長(zhǎng)、高光效、高顯色性、高功率因素、可瞬時(shí)啟動(dòng)等特性，但其價(jià)格較高.LED燈作為新型的半導(dǎo)體光源，具有壽命長(zhǎng)、高光效、高顯色性、響應(yīng)快、節(jié)能環(huán)保，可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)光等優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)品價(jià)格較高.

中間視覺(jué)條件下，如何選擇適用于道路照明的節(jié)能光源，是目前照明領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題.考慮到道路照明光源點(diǎn)燃時(shí)間長(zhǎng)、更換、清潔等維護(hù)的方便性，道路照明光源要求壽命長(zhǎng)、光通量大、效率高、維護(hù)量小.緊湊型熒光燈由于其顯色性好，光效和壽命均強(qiáng)于普通白熾燈，在道路照明中有一定的使用.在相同電功率下，高壓鈉燈光通量比金屬鹵化物燈高40%左右，在同樣照度的情況下，金屬鹵化物燈的電耗遠(yuǎn)高于高壓鈉燈.高壓鈉燈由于其高光效、壽命長(zhǎng)、透霧性強(qiáng)、價(jià)格相對(duì)低廉，已在道路照明系統(tǒng)中廣泛使用，但在中間視覺(jué)條件下節(jié)能應(yīng)用方面，新型光源無(wú)極熒光燈和白光LED具有較好的發(fā)展與應(yīng)用前景.

由中間視覺(jué)理論分析可知，無(wú)極熒光燈和白光LED的中間視覺(jué)等效光效較高，在中間視覺(jué)的亮度環(huán)境下高壓鈉燈的等效光效僅為明視覺(jué)條件下光效的約70%，而此時(shí)無(wú)極熒光燈的等效光效為明視覺(jué)條件下光效的約170%，白光LED的等效光效為明視覺(jué)條件下光效的約140%.在中間視覺(jué)條件下白光LED有效光效要高于高壓鈉燈，而此時(shí)無(wú)極熒光燈的發(fā)光效率大于高壓鈉燈的發(fā)光效率1倍多［2］.LED燈與傳統(tǒng)的高壓鈉燈、熒光燈等不同，其亮度控制簡(jiǎn)單，線性改變流過(guò)LED的電流即可無(wú)級(jí)調(diào)光，調(diào)光范圍可達(dá)0－100%，依據(jù)環(huán)境照度的需要改變LED燈的亮度，即可達(dá)到節(jié)能目的.

1.2 在控制方面

道路照明控制方式正在由有線方式向無(wú)線方式發(fā)展.目前典型的智能照明系統(tǒng)有采用電力載波通信的照明控制系統(tǒng)；采用DALI協(xié)議的數(shù)字式可尋址照明控制系統(tǒng)；采用DMX512照明協(xié)議的Dynality分布式照明控制系統(tǒng)；采用CSMA／CD協(xié)議的C－Bus系統(tǒng)和采用CSMA／CA協(xié)議的I－Bus系統(tǒng)等.這些智能照明控制系統(tǒng)大都采用有線網(wǎng)絡(luò)，大多是在樓宇自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成，功能相對(duì)較完善，可實(shí)現(xiàn)燈具的聯(lián)網(wǎng)控制［3］.但有線控制方式組網(wǎng)和維護(hù)成本高、需要復(fù)雜的綜合布線施工、增減設(shè)備需要重新布線、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差、阻礙了智能照明的應(yīng)用發(fā)展.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)靈活，改變系統(tǒng)中光源的布局和數(shù)量方便等優(yōu)點(diǎn)，采用無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是照明控制的趨勢(shì).目前成熟的無(wú)線照明控制系統(tǒng)大多采用工業(yè)頻段或利用GPRS、CDMA等公眾網(wǎng)，但是這些網(wǎng)絡(luò)功耗大，造價(jià)高.ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低功耗、低復(fù)雜度、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域.采用低成本的ZigBee技術(shù)組網(wǎng)能使成本大幅度降低，提高系統(tǒng)的性能，促進(jìn)智能照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用.ZigBee技術(shù)是短程無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)之一，無(wú)論是道路照明系統(tǒng)還是民用住宅照明系統(tǒng)，都可以接入ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò).

將ZigBee技術(shù)組建的個(gè)域網(wǎng)和GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)Zigbee－WSN＋GPRS／RS－485的道路照明監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)燈具的遙測(cè)、遙控.

2 道路照明節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要實(shí)施內(nèi)容

2.1 道路照明節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用Zigbee技術(shù)設(shè)計(jì)的道路照明節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由管理中心、GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)四部分組成，采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，總體上由三層構(gòu)成.底層為為Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由路燈節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，完成數(shù)據(jù)采集、路由、轉(zhuǎn)發(fā)；中層為為GPRS主干網(wǎng)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸；上層為管理中心上位機(jī)監(jiān)控軟件.無(wú)線網(wǎng)關(guān)連接ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與GPRS／RS－485網(wǎng)絡(luò)，發(fā)布管理中心的監(jiān)控命令，并把監(jiān)測(cè)到的路燈狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)到GPRS／RS－485網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)RS－485總線或GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至管理中心，實(shí)現(xiàn)燈具的遙測(cè)、遙控［4］.

2.2 主要實(shí)施內(nèi)容

應(yīng)用中間視覺(jué)理論，研究中間視覺(jué)條件下道路照明節(jié)能技術(shù)，對(duì)道路照明常用光源進(jìn)行研究，選擇適用于道路照明的節(jié)能光源.將ZigBee技術(shù)和GPRS移動(dòng)通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)Zigbee－WSN＋GPRS／TCP／IP＋I(xiàn)nternet＋PC的道路照明節(jié)能控制系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化智能化控制，實(shí)現(xiàn)燈具的遙測(cè)、遙控［5］.其主要研究?jī)?nèi)容主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：第一、應(yīng)用中間視覺(jué)理論對(duì)道路照明常用光源進(jìn)行研究，研究在中間視覺(jué)條件下適用于道路照明的節(jié)能光源.第二、系統(tǒng)組網(wǎng)模型建立和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)，路燈節(jié)點(diǎn)的Zigbee2007／Pro無(wú)線通信、自組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn).系統(tǒng)各通信設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)，上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)控路燈狀態(tài).第三、節(jié)能控制算法設(shè)計(jì)，光控和時(shí)控相結(jié)合，根據(jù)時(shí)段、環(huán)境亮度和人員活動(dòng)情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)燈具的亮度，實(shí)現(xiàn)最佳照度控制，達(dá)到節(jié)能目的.

圖1 道路照明節(jié)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 結(jié) 論

在中間視覺(jué)條件下，無(wú)極熒光燈和白光LED是應(yīng)用于道路照明具有發(fā)展前景的光源.基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的道路照明節(jié)能控制系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化智能化控制，可實(shí)現(xiàn)燈具的遙測(cè)、遙控，系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本低、組網(wǎng)靈活，可以節(jié)約人力成本，提高燈具的自動(dòng)化管理水平.

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