基于热释电传感器的智能路灯系统研究

周正林，宋健伟，李宏臣，周 越

（1.黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050；2.长沙理工大学 汽车与机械工程学院，湖南 长沙410060）

路灯照明在人们出行中起着极其重要的作用，但巨大的能耗问题一直困扰着市政部门。以1盏250W的路灯为例，每月就要消耗90度电。而且这些电能的实际利用率很低，如在后半夜的一些街区，路上的车流量及行人非常稀少，但即使没有车辆或行人经过，路灯也是亮着的，这就造成了系统性的电能浪费。统计结果表明，有些时段的有效照明时间只占到整个照明周期的30%左右［1］，也就是说大部分电能被浪费掉了。每一个大城市都有无数的各式路灯，浪费的电能是一个天文数字。这就给工程技术人员提出一个研究方向，在无行人及车辆通过时，路灯自动熄灭或降低亮度，以节约电能。

1 研究现状及发展方向

1）采用新型节能灯具。现在我国的道路照明大多采用高压钠灯或高压汞灯。该型灯具有较好的照明效果，光效高，穿透能力强，使用寿命也很长。但高压钠灯和高压汞灯与新型电光源相比还是存在发光效率过低的问题，以LED为代表的新型电光源的应用出现井喷态势。LED是一种固态冷光源［2］，且是一种单向光源，与传统的电光源相比具有耗电量小、发光效率高、显色性好和使用寿命长等突出优点，LED灯工作电压很低，光线明亮，可以利用太阳能进行供电，也可以利用PWM技术对灯具的工作电压及频率进行调制［2］，改变路灯的照度。

2）调节灯具两端的电压。为了节约宝贵的电能，国内外普遍采用的方法是：在无效照明时间里，通过降低灯具两端的电压来降低电光源的照度，实现节约电能的目的。降压类型主要有可控硅斩波型、自耦降压式和无触点补偿式等［3］，其中自耦降压式调控装置使用的材料最少，造价低，降压效率更高。但这些方法都存在这样或那样的问题，自动化程度也很低。

3）人工智能技术。工程技术人员为了解决灯具的节能问题，提出了人工智能的技术方法。借助于信息科学技术，根据路面实时车辆及行人的交通情况自动开启或熄灭路灯。

2 热释电传感器的结构和电压特性

图1是热释电红外传感器的结构图［4］，它由热电元、场效应管和干涉滤光片三部分组成。内置的场效应管用来完成阻抗变换。由于热电元输出的是电流信号，需要用电阻将其转换为电压形式，本文用N沟道结型场效应管构成电压跟随器来实现阻抗变换［5］。

图1 热释电红外传感器的结构

滤光窗由一块薄玻璃片上镀多层滤光层薄膜所构成，可以有效地滤除7～15μm波长以外的红外线。人体在正常体温时，辐射的红外线中心波长约为9.65μm，正好处在滤光窗的波长范围中（7～14μm）［6－7］，加上滤光窗可以有效地让人体辐射的红外线通过，阻止阳光、灯光等可见光中的红外线通过，排除其他干扰。

其实热释电红外传感器的检测范围十分有限，大约只有2m，在工程上经常无法满足实际的需求，因此，必须增加传感器的检测范围，往往在传感器前加装一个菲涅尔透镜。菲涅尔透镜可以使入射光汇聚起来，产生极大的光强：一是将红外信号折射到敏感元件PIR上，利于信号的获取；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，菲涅尔透镜的使用使检测半径达到7～15m［8］。

3 电信号的采集和放大电路

1）智能路灯工作框图。本设计是基于热释电红外传感器的智能路灯控制系统，当路灯选择半夜工作模式时，如有人或车辆经过，路灯自动开启，延迟一段时间后熄灭，类似于目前的楼道声控灯，工作流程如图2所示。

图2 智能路灯工作流程

2）信号的采集。信号检测放大电路如图3所示，由芯片BISS0001、热释电红外传感器和其他一些元件构成。热释电红外传感器是一种对运动物体与背景的温度差敏感的检测元件［1，3］，当物体进入有效检测区域时，将检测到的发热体红外辐射转换为电流信号，信号送到BISS0001的14脚，进行放大处理。

3）信号的放大及处理。芯片BISS0001中主要由两个运算放大器A1，A2和两个电压比较器A3，A4组成。运放A1，对从14脚输入的信号进行一级放大，经电容耦合后送到运放A2的13脚进行二级放大。电压比较器A3和A4用来实现对信号的双向鉴幅；当检测到有效信号时，触发定时器。输出信号Vo经过放大后，驱动继电器吸合接通负载。R4为光敏电阻，用来检测环境的照度。当环境较亮时，R4的阻值会变小，此时9脚的输入为低电平，从而封锁触发信号Vs。调节R9，C7的大小，就可以得到不同的延迟时间Tx；调整R10，C6的大小，可以调整触发时间Ti大小。

4 LED电光源及供电电源

本设计所选用的灯具为LED电光源，路灯供电电源如图4所示。电路的核心部件是L6561芯片。一般的LED灯光源由一组或多组串联的LED芯片组成，每组LED灯的电流一般在25～160mA之间，而一组LED灯两端的工作电压设定在390～395V［2］。交流电源经整流后通过IC的脉宽调整，成为稳定的400V直流电压输出，为路灯提供供电电压。目前，市场上LED光源的基本单位为每颗1W的芯片，芯片工作电压在3.3～3.6V之间。一般路灯的规模为120～160个小芯片，故150个芯片串连后的电压刚好达到400V左右。

图3 信号检测放大电路

图4 路灯供电电源

5 存在的问题及改进方法

在实际的使用过程中，工作环境非常复杂，有两个方面的问题制约着智能路灯的工作效果：1）就目前的电子工艺水平而言，热释电红外传感器即使加上菲涅尔透镜，它的检测距离也不是很长，大约只有10m［8］，由于检测范围太小，给移动物体的检测、路灯的控制及响应带来诸多问题；2）热释电红外传感器对于行人来讲响应速度足够，而对于车辆来讲，由于它具有较高的速度，加上有效检测距离较短，出现的问题是车辆到了电线杆底下路灯才亮，与理想的效果有一些距离。随着电子技术的发展和新工艺水平的采用，智能路灯的研究会克服目前存在的一些问题，将广泛地应用于城市路灯。

［1］ 戴琪.基于ZigBee的LED路灯智能控制系统［D］.西安：西安电子科技大学，2012.

［2］ 赵欢，许文海.LED阵列型紫外光固化光源系统［J］.电子激光，2007，18（1）：134－147.

［3］ 张万奎.丁跃浇.高压钠灯的技术特性及降压节电应用［J］.照明工程学报，2006，16（4）：63－70.

［4］ 瞿贵荣.热释电红外传感器的结构原理及特性［J］.家庭电子，2005（8）.

［5］ 林雪梅.热释电传感器及其应用［J］.科技纵横，2005（1）：47－49.

［6］ 张志科，赵玉建.D203S热释电红外线传感器应用研究［J］.传感器世界，2010（3）.

［7］ 肖景和，赵健.红外线热释电与超声波遥控电路［M］.北京：人民邮政出版社，2013.

［8］ 郭孝武，菲涅尔透镜统一设计方法［J］.太阳能学报，1991，12（4）：423－440.