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摘要：随着中国经济、科技、城镇化水平不断提高，城市路灯照明系统不断扩大和完善，已成为城市基础设施的重要内容，承载着提升城市形象、增强居民生活质量以及保障公共安全的重要职责。在此背景下，本系统将以智能化作为设计切入点，将智能化按需照明理念引入城市路灯。运用物联网环境下道路智能控制系统及分布式太阳能电站设计了零碳道路照明系统。物联网道路智能控制系统编制“按需照明”为理念的节能策略并驱动LED光源，达到智能控制、高效节电的设计目标。分布式太阳能电站将太阳能转化为电能，实现发电自用，余电并网，且在运行中不产生二氧化碳，实现零碳道路照明。

关键词：物联网技术;零碳;智能路灯照明系统;城市照明;智能城市

0 引 言

目前，城市道路照明路灯一般采用高压钠灯，但普遍存在能源耗费高的问题。随着LED技术的不断进步，LED路灯可节约一定电能，它在物联网技术高速发展的背景下，可以应用在智慧城市路灯照明领域。通过多种传感器对周边环境数据进行采集，使其实现人机交互、节能降耗的作用[1-2][22]。但城市道路照明日均亮灯时长达12H以上，消耗了大量电能，同时排放出大量二氧化碳，破坏生态环境。为改善生态环境，国家大力推行节能减排技术降低碳排放，并提出在2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”的目标[3]。

在此背景下，发展绿色零碳、绿色节能技术成为当前的重中之重。通过利用太阳能这一可再生能源，可以减少对传统能源的依赖，实现发电自用。由于太阳能发电不排放二氧化碳，被称为“零碳”电能，是国家3060“双碳”目标重点发展的清洁型可再生能源[4]。为此，我们本着节能、降耗、提效的原则，设计出零碳道路照明智能控制系统，使其能够融合城市资源，实现“按需照明”的智能化控制，发挥其在建设生态宜居城市和低碳发展方面的重要作用。

1 零碳道路照明控制系统设计方案

1.1 系统设计

系统采用B/S架构、模块化设计，各模块即可作为整体，完成预先设计的工作目标。模块之间也可单独工作，完成自身的任务。比如：太阳能发电系统[5]不因后级的道路照明是否用电，均可正常发电，所发电能一方面系统自用，另一部分可储存起来，需要时即可并网使用。再比如道路照明控制系统，当系统控制模块发生故障时，执行模块能够依据记忆的节能策略，控制后级模块继续工作，直到接到新的节能指令；当执行模块出现故障后，控制模块能将故障信息及时传送到管理控制端。如某项数据异常，系统将以短信、鸣叫等方式通知管理人员。图1为零碳道路照明智能控制系统原理图，展示太阳能电站配合智能控制系统。

2 项目工作原理及性能分析

2.1 基本工作原理

项目分为两部分，第一部分分布式太阳能电站，功能为将太阳能转化为电能，发电部分自用，部分并网。第二部分为物联网环境下道路照明智能控制系统，功能为道路照明智能节能，远程智能化管控。两部分分开介绍，先来看分布式太阳能电站。

2.1.1 第一部分分布式太阳能电站工作原理

第一部分为分布式太阳能微电站，由硅光电池、控制器、储能电流和DC-AC逆变装置组成。太阳能电池板将太阳光转化成DC直流电能，传输给太阳能微电站控制器（中心），经调整控制后一部分输送负载使用，一部分到蓄电池储存，还有一部分通过逆变器升压AC220交流，并入国家电网，实现并网供电[6]。

（1）分布式太阳能微电站工作模式

①纯光控模式

在系统正常情况下，当太阳光的光伏电压小于参数设定的开灯电压时，控制器会自动开启负载延迟60秒，当太阳光的光伏电压大于参数设定的开灯电压时，控制器将延时1分钟自动关闭负载。

②光控+时控模式

当太阳光的光伏电压小于参数设定的开灯电压时，根据设定的开灯时间段，控制器会根据设定的开灯时间延迟60秒自动开启负载，当设定的时间段结束后，自动关闭负载。

2.1.2第二部分物联网环境下道路照明智能控制系统

系统组成和基本原理

本部分功能主要是以“按需照明”为理念，实现节省电能和远程智能化管理达到降低维护管理劳动强度的目标，主要由光控传感器、LED 可编程可调光驱动电源、智能云控制器组成[7]，我们对主要组件分别进行介绍。图2为物联网环境下道路照明智能控制系统原理图，具体展示该装置在物联网层次结构下的相互联系。

系统由光敏传感器探知光强度信息，并将感知到的光照强度转换为电信号，按预定的阈值条件，控制路灯光控控制器，准时自动开启和关闭节电，达到节能环保的目标，同时道路照明设备运行状态和能耗信息将通过物联网集中控制器回传到路灯管理控制平台，告知管理维护人员当前的运行状况。

（2）路灯光控开关基本工作原理

①路灯光控控制开关由光电转换装置，即光敏传感器、控制阈值调节电路、信号放大电路和执行继电器构成。

②白天光照度高，光敏元件阻值无穷大，电路处于待机状态，继电器处于断路状态，路灯熄灭。

③傍晚光照弱到一定程度（典型值：光照15LUX）时光敏元件流过电流增加，供电电路开始工作，继电器吸合，开始向路灯供电，开始照明。

④第二天，当光照强度升高到一定程度（典型值：大于15LUX）光敏元件阻值开始增大至无穷大，继电器断开，停止向负载供电，路灯熄灭，供电电路返回至待机状态[8]。

电路中装有延时电路，具有防止偶然间的闪电或手电简及其它光照射光电头，落叶短暂遮挡光电源件的误开、误关的抗干扰能力。

（3）节能原理

依据城市道路照明设计标准CJJ45-2015照明节能措施要求，以交通流量规律、道路照明需求场景为基础，以“按需照明”为理念，划分道路照明时间段为4段，每段照明时长可0.1～15H范围内调整（满足冬季照明需求），每段照明功率可在0%～100%调整。不同组合可实现不同的控制模式。（典型实验值：晚22点前人车流量大，灯具100%照明；22点至0点人车流量减少，灯具照明功率调低至70%；0点至凌晨4点基本无人，可调低到30%，甚至关灯；凌晨4点以后人车开始活动增多，灯具恢复100%照明功率。）这种照明方式即能降低电能消耗，又满足道路照明需求。

3 系统创新点

①由太阳能电站提供电能，实现路灯智能化“按需照明”，运行中不产生二氧化碳，实现零碳智能照明和道路照明的远程智能化管理。道路照明由被动管理转变为智能化主动感知管理，降低维护管理人员劳动强度约50%。

②系统采用B/S架构、模块化设计，各个模块之间相对独立，当控制模块发生故障时，执行模块能够依据记忆的节能策略，控制后级模块继续工作，直到接到新的节能指令。当执行模块出现故障后，控制模块能将故障信息及时传送到管理控制端。通过终端设备可远程查看能耗数据、设备工作状态。

③实行“按需照明”的智能化管理控制策略，达到精细化和动态化的智慧调控，确保照明系统能够在满足城市夜间照明基本需求的前提下自动调节能耗，降低用电量。

3.1 LED可编程定时调光驱动模组简介

（1）模组构成和工作原理介绍

模组由LED可编程定时调光驱动电源和遥控编程器构成，两部分必须配套使用。

LED可编程定时调光驱动电源[9]由开关电源、恒流输出电路、通信模块（遥控编程器、红外接收装置和红外发射装置），控制模块（单片机、存储单元和四路恒流输出驱动电路）组成。主要功能为控制LED路灯按照预先设定的节能策略运行，实现“按需照明”。

工件原理：将AC220V 50HZ交流电转换为DC24V直流电，经恒流模块调整后，输出DC24V，最大恒流电流为1200MA，为通信模块和控制模块供电，通信模块负责接收遥控编程器发送过来的指令，并将控制模块当前运行状态、控制数据、节能策略及设备控制阈值回传给遥控编程器，控制模块控制四路输出电路按照预先设定的节能策略控制LED路灯工作时长、照明功率、驱动LED路灯按照预先设定的节能策略进行照明。存储单元具有记忆功能，能够持续为控制器提供数据，保证控制模块对后级的控制，直到接到新的指令和数据。

遥控编程器由3V直流电源、单片机、存储单元、输入单元、红外发射装置和红外接收装置组成。遥控编程主要功能包括：实现逻辑控制、顺序控制、定时、数据处理、模拟量调节和红外通信。

工作原理：输入单元可调整并输入LED可编程定时驱动电源所需的最大输出电流、各工作时段工作顺序、照明时长、输出电流、工作状态、工作参数、感应开关方式等必要的控制数据。存储单元将控制数据保存并提供给单片机，单片机将数据处理后，依据工作要求，将数据通过红外通信方式传送给LED可编程定时驱动电源的通信模块；遥控编程器节能数据读取装置，能够读取并接收LED可编程定时驱动电源的通信模块发出的当前节能数据和控制信息。

（2）模组功能简介

①遥控编程器可任意设定LED可编程定时驱动电源输出电流最大值，输出范围为0～最大电流值之间任意值。

②亮灯时长，遥控编程器可设定亮灯时长最长为15H，以满足冬天长时间照明需求，本例亮灯时长设定范围为0.1H～15H之间任意设定。

③遥控开关灯，遥控编程器可随时打开和关闭LED可编程定时驱动电源。

④工作参数读取，遥控编程器可随时读取LED可编程定时驱动电源各项工作参数和后级负载的工作状态。

⑤工作参数设定，遥控编程器可随时设定LED可编程定时驱动电源的各项工作参数。

⑥光强度感应控制，光敏传感控制器可感应到环境光线强度，并判断是否需要开灯照明。光敏传感器的光线感应强度范围可根据需要在10～30LUX之间调整。

⑦工作时段，LED可编程定时驱动电源有4个工作时段，遥控编程器可设置每个时段的工作参数和工作状态。

3.2 智能云控制器技术说明

采用智能APP，实现手机远程控制、电压显示、电流显示、计量功能、声音报警、过压保护、欠压保护、过流保护、漏电流保护和延时可调。运行在2.4G WIFI环境，测量数据可即时更新；在4G/5G环境下，可通过手机实现远程控制，但测量数据每30分钟更新一次。

4 结束语

本文围绕分布式太阳能电站和物联网环境下道路照明智能控制系统两部分展开，详细介绍了系统结构设计、功能和各模块的技术说明，并以此设计了零碳道路照明系统。该系统具有零碳电能供电、高效节能和远程智能化管控的特点，根据实验表明该系统在运行过程中不产生二氧化碳，符合“节能减排”的政策方针。并且能够实现节能约30%，降低劳动强度约50%，显著降低了能耗。之后在现有研究的基础上进一步设计，使其充分与智能云平台相结合，更好地实现夜间照明的功能需求。

参考文献：

[1]郝静.LED照明技术在电子电工产品设计中的应用[J].灯与照明，2023，47（04）：53-55+62.

[2]徐威.基于物联网的城市路灯智慧照明控制系统研究[J].长江信息通信，2022，35（11）：87-89.

[3]卢瑞轩.新发展阶段工业园区“双碳”目标实现路径分析[J].产业创新研究，2021，（20）：12-14.

[4]杨柏旺.太阳能LED路灯在市政道路照明中的应用[J].光源与照明，2023，（02）：22-24.

[5]张艳红， 修强， 李强， 林闽. 基于物联网的太阳能LED路灯智能照明云控制系统的设计与研究[J]. 太阳能， 2022， （08）： 55-63.

[6]苏彬锋，吕鲁浩，林家鹏，等.太阳能LED路灯系统的设计与应用[J].光源与照明，2023，（09）：50-52.

[7]刘庆.智慧照明管理系统中LED智能路灯的应用研究[J].光源与照明，2022，（08）：44-46.

[8]张亚利，武艳慧，李莉杰，等.智能云公路中光感路灯电路设计研究[J].光源与照明，2022，（07）：7-9.

[9]张云兰，徐献清，李文庭.关于大功率LED调光可编程电源寿命评估的研究[J].智能建筑电气技术，2023，17（04）.

作者简介：张俊帅（2003-4），男 ，汉族， 河北省邢台市，本科，沧州师范学院2021级物联网工程专业研究方向：物联网技术

基金项目：沧州师范学院2023大学生科技创新能力培育专项课题项目“零碳道路照明智能控制装置”;项目编号：DXSZDL2023010。