周啟沛，謝毓鴻

多功能智慧路燈的控制系統(tǒng)與設(shè)計

周啟沛，謝毓鴻

（武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中國城市規(guī)模也在快速擴(kuò)大，人口逐漸向城市集中，由此帶來的環(huán)境污染、交通堵塞等問題也越來越嚴(yán)重。針對一系列現(xiàn)有的城市問題提出一種新型智慧燈桿的設(shè)計方案，在集綠化智能灌溉、空氣智能除霾、多功能端口等功能于一身的同時采用新能源風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電供能。同時根據(jù)燈桿安裝地點的不同，創(chuàng)新性提出了對燈桿集成的功能進(jìn)行可拆裝模塊化設(shè)計，各個模塊在云技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)組成的智能工控系統(tǒng)調(diào)節(jié)下構(gòu)成智慧城市治理系統(tǒng)，以達(dá)到智能化節(jié)水、減排、除霾的節(jié)能減排效果。

智慧城市；智能除霾；集成控制；物聯(lián)網(wǎng)

2014-03中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014—2020）》《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確提出“推進(jìn)智慧城市建設(shè)”的目標(biāo)。報告中指出智慧城市的建設(shè)能有效推動基礎(chǔ)設(shè)施智能化，提升社會公共服務(wù)的水平，實現(xiàn)城市大數(shù)據(jù)的決策支持，是推動城市現(xiàn)代化建設(shè)的主要動力。

當(dāng)前智慧城市的建設(shè)風(fēng)起云涌。國際上，歐盟制定了智慧城市建設(shè)框架[1]，美國提出了加強(qiáng)智慧型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和推動智慧應(yīng)用項目的經(jīng)濟(jì)刺激計劃，韓國、日本先后推出建設(shè)智慧城市的國家戰(zhàn)略規(guī)劃，中國超過300個城市相繼提出建設(shè)智慧城市的目標(biāo)[2]。但這些城市在信息化時代發(fā)展的過程中遇到了嚴(yán)重的信息資源難以互通、資源消化和環(huán)境惡化日趨嚴(yán)重、公共設(shè)施供給不足等問題。這些問題直接導(dǎo)致了中國智慧城市發(fā)展緩慢，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不充分，達(dá)不到“智慧”的要求。

路燈作為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的重要一環(huán)，既能為居民日常生活提供便利，也是城市現(xiàn)代化發(fā)展的一項標(biāo)志。本項目針對一系列現(xiàn)有的城市問題提出一種新型智慧燈桿的設(shè)計方案，在集綠化智能灌溉、空氣智能除霾、多功能端口等功能于一身的同時采用新能源風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電供能。同時根據(jù)燈桿安裝地點的不同，創(chuàng)新性地提出了對燈桿集成的功能進(jìn)行可拆裝模塊化設(shè)計，各個模塊在云技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)組成的智能工控系統(tǒng)調(diào)節(jié)下構(gòu)成智慧城市治理系統(tǒng)，以達(dá)到智能化節(jié)水、減排、除霾的節(jié)能減排效果。

1 設(shè)計方案

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

本裝置針對現(xiàn)有燈桿功能的局限性，以路燈燈桿為載體，基于云技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的智能工控系統(tǒng)研究，開發(fā)設(shè)計了一套集綠化智能灌溉、空氣智能除霾、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電等功能于一體的智能燈桿智慧城市系統(tǒng)。

燈桿主要由頂部的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)、鑲嵌于燈帽上表面的太陽能發(fā)電板、干濕方式結(jié)合的靜電除霾裝置、自適應(yīng)綠化灌溉裝置和智能控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成，燈桿整體結(jié)構(gòu)圖效果如圖1所示。

圖1 燈桿結(jié)構(gòu)效果圖

1.2 物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計主要分為單個燈桿的集成化功能設(shè)計與各燈桿交互網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。交互網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee低功耗無線控制協(xié)議，樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以街道最后一根燈桿為網(wǎng)關(guān)。系統(tǒng)各節(jié)點主要由STM32F429處理器、電磁閥、傳感器以及ZigBee模塊組成，各節(jié)點通過ZigBee無線網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)通信，網(wǎng)關(guān)通過GPRS接入?yún)^(qū)域網(wǎng)和決策系統(tǒng)通信，組成信息網(wǎng)絡(luò)，主要實現(xiàn)監(jiān)測空氣質(zhì)量和土壤水分、傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù)、改善空氣質(zhì)量、灌溉綠化帶等功能，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 智能綠化灌溉模塊

智能綠化灌溉模塊在控制平臺的分析調(diào)控下，對綠植進(jìn)行科學(xué)有效的節(jié)水灌溉，系統(tǒng)主要由電磁閥、可調(diào)節(jié)霧化噴頭、增壓器組成。綠化灌溉裝置如圖3所示。

位于燈桿底部的自動綠化灌溉系統(tǒng)通過土壤濕度傳感器、無線傳感網(wǎng)絡(luò)和電子控制臺實現(xiàn)對土壤的信息采集、傳遞、計算以及對管道中流水量的自動控制。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

圖3 綠化灌溉裝置圖

由土壤濕度傳感器采集的信息通過信息無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)诫娮涌刂破脚_，電子控制平臺以模糊推理技術(shù)為根據(jù)計算出綠植的蒸散量和需水量，并控制管道中流水量的大小、通水噴淋時間和噴水方式。自動灌溉系統(tǒng)還可以結(jié)合降水量、溫度、風(fēng)速、空氣相對濕度、日照時數(shù)等氣象因素以及特定植物的生長系數(shù)和當(dāng)?shù)赝寥罈l件進(jìn)行智能分析調(diào)控，從而進(jìn)行科學(xué)有效地進(jìn)行節(jié)水灌溉，保障植物的正常生長。綠化灌溉模塊的整體控制如圖4所示。

圖4 綠化灌溉模塊的整體控制框圖

1.4 智能除霾模塊

空氣凈化系統(tǒng)采用干式凈化與濕式凈化相結(jié)合的方式對環(huán)境中的污染空氣進(jìn)行降塵、除塵，降低空氣中不可吸入顆粒物的濃度?？諝鈨艋到y(tǒng)根據(jù)氣象局結(jié)合自身傳感器識別的方式進(jìn)行環(huán)境信息的采集，數(shù)據(jù)處理后由系統(tǒng)控制器對空氣凈化系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制和調(diào)整。

1.4.1 干式除霾凈化模塊

干式凈化模塊主要由初效過濾器、活性炭、HEPA高效凈化器、抽風(fēng)機(jī)組成。

氣體通過小型大風(fēng)量抽風(fēng)機(jī)將外界的氣體吸入風(fēng)道，由不銹鋼濾網(wǎng)制成的初效過濾器能夠過濾掉大氣中粒徑較大的顆粒物，減少大粒徑顆粒物對裝置本身的損害?；钚蕴?、HEPA高效凈化器內(nèi)包含了活性炭濾層和HEPA濾層，該裝置能夠清除經(jīng)過初效過濾器后氣體中絕大部分的不可吸入顆粒物，干式凈化模塊裝置如圖5所示。

圖5 干式除霾模塊裝置圖

干式凈化裝置在積塵過多以至于影響裝置正常工作時可由人工進(jìn)行拆卸、清理和安裝。當(dāng)空氣質(zhì)量狀況達(dá)到輕度或中度污染時（空氣質(zhì)量指數(shù)為100～200），空氣凈化系統(tǒng)啟用干式空氣凈化裝置對環(huán)境進(jìn)行凈化，直至系統(tǒng)收到空氣質(zhì)量指數(shù)小于等于90的停止信息。

1.4.2 濕式除霾凈化模塊

濕式凈化裝置主要由環(huán)形霧化噴頭、電磁閥、水磁化器和增壓器組成。

環(huán)形霧化噴頭由不銹鋼制成，有較強(qiáng)的耐腐蝕性，其能夠調(diào)節(jié)噴口的大小改變水的流量。管道內(nèi)由磁化器磁化后的自來水經(jīng)增壓后，以水霧的形態(tài)噴出對周圍環(huán)境進(jìn)行噴灑降塵。裝置中電磁閥開關(guān)由系統(tǒng)自動控制。

當(dāng)系統(tǒng)收到空氣質(zhì)量狀況為重度污染或嚴(yán)重污染的信息時（空氣質(zhì)量指數(shù)大于200）[3]，空氣凈化系統(tǒng)同時啟用濕式凈化裝置和干式凈化裝置對環(huán)境中的污染氣體進(jìn)行凈化；當(dāng)空氣質(zhì)量指數(shù)小于等于190時，系統(tǒng)會關(guān)閉濕式凈化裝置。另外，當(dāng)系統(tǒng)收到外界環(huán)境正在降雨或風(fēng)速較大（風(fēng)速大于5.5 m/s）的信息時[4]，濕式凈化模塊也會自動關(guān)閉。圖6為濕式除霾凈化模塊裝置圖。

圖6 濕式除霾凈化模塊裝置圖

2 理論計算及仿真分析

2.1 除霾效果實驗

2.1.1 系統(tǒng)阻力計算

用截面20 cm×20 cm風(fēng)道模型進(jìn)行實際測試，風(fēng)道內(nèi)有初效過濾器、中效過濾器、活性炭和HEPA高效過濾器，實驗得到系統(tǒng)總阻力1為198.69 Pa。

選用風(fēng)機(jī)為SAFD-100靜音斜流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)

型號電壓/V功率/W轉(zhuǎn)速/（r·min-1）風(fēng)量/（m3·h-1）靜壓/Pa噪聲/dB SAFD-100220502 80078025026

2.1.2 凈化區(qū)域面積

每套系統(tǒng)中有1臺風(fēng)機(jī)，凈化速率=780/3 600= 0.22 m3/s。由于對人體有害的污染氣體主要分布在0.5～2 m的高度范圍內(nèi)，因此假設(shè)凈化空間是一個高1.5 m的圓柱空間，1.5×∏×2=0.22?？傻妹棵雰艋霃?0.22 m，每秒凈化直徑=2=0.44 m。

本系統(tǒng)實際凈化過程中，不斷地凈化污染氣體，排出干凈的空氣。新鮮空氣又不斷與周圍空氣摻混，進(jìn)行物質(zhì)交換，是一個動態(tài)的復(fù)雜過程，此處進(jìn)行如下離散簡化：①二維平面上每個方向上凈化情況完全一樣；②假設(shè)風(fēng)速為0.44 m/s，0.44 m為一個單位長度，直徑0.44 m、高1.5 m的圓柱空間為一個單位空間；③每一秒時間內(nèi)都相繼發(fā)生三個過程，即凈化、移動、摻混。

系統(tǒng)的除霾目標(biāo)是將以它為中心的直徑0.44 m、高 1.5 m的圓柱單位空間內(nèi)的污染物濃度降為0。移動指每個單位空間的氣體移動到下一個單位空間所在位置上。摻混指每個單位空間的氣體都與上一個每個單位空間的氣體發(fā)生物質(zhì)交換，污染物濃度都變成兩者平均濃度。

假設(shè)污染物初始濃度為200（四級中度污染），用 EXCEL進(jìn)行迭代計算，1 min后，污染物濃度低于100（二級良）的區(qū)域為42個單位，折合凈化直徑18.48 m。

2.1.3 濕式凈化器凈化效率實驗

磁化水進(jìn)行降塵實驗，分析降塵效率。設(shè)定實驗水流量為10 L/min噴水降塵的時間為70 s，所用的粉塵為煤粉、粉塵濃度為10 mg/m3。

實驗儀器：智能磁化細(xì)水霧降塵裝置，激光粉塵檢測儀，產(chǎn)塵器和揚塵器，空氣壓縮機(jī)。

實驗步驟：取一定量的煤粉，放入產(chǎn)塵器漏斗中讓其自由下落，打開揚塵器往實驗室里吹粉塵，用粉塵檢測儀檢測實驗室里的粉塵達(dá)到設(shè)定濃度時，減少產(chǎn)塵的量，以維持粉塵濃度的穩(wěn)定，打開水箱閥門，智能磁化細(xì)水霧降塵裝置的噴頭開始噴水，產(chǎn)生水霧，記錄數(shù)據(jù)，直到停止實驗。

實驗所得磁化水降塵效果曲線如圖7所示。

除塵效率計算公式為：

式（1）中：η為除塵效率；c1為初始粉塵濃度；c2為采用降塵措施后的粉塵濃度。

2.2 綠化噴灌理論分析

2.2.1 蒸散量的計算

利用MATLAB的ANFIS工具在植物蒸散量的4個主要影響因素中選取2個誤差最小的主要因素：日照時數(shù)和風(fēng) 速[5]。以往年的日照時數(shù)和風(fēng)速數(shù)據(jù)為樣本，在7個隸屬函數(shù)中選取誤差最小的廣義鐘型隸屬函數(shù)（gbellmf）并變換多次隸屬函數(shù)的個數(shù)進(jìn)行實驗，得知2個輸入變量的隸屬函數(shù)均為5個時誤差最小。利用MATLAB的ANFIS工具進(jìn)行自適應(yīng)的模糊推理，其中輸入變量為2018年的日照時數(shù)和風(fēng) 速[6]，2個輸入變量的隸屬函數(shù)均設(shè)置為5個廣義鐘型隸屬 函數(shù)。

模糊規(guī)則建立如圖8所示，輸入每日的日照時數(shù)以及風(fēng)速可以得到每日植物的蒸散量，再將此量乘以同樣用ANFIS工具模糊推理出的每日作物系數(shù)，即可得到每日特定植物的蒸散量。

圖8 蒸散量模糊規(guī)則建立圖

2.2.2 噴灑量的確定

為充分考慮蒸散量、降水和根系生長影響因素，本項目中設(shè)定灌水量等于灌水定額與灌水系數(shù)、根部保護(hù)系數(shù)和降水限制系數(shù)的乘積。

灌水系數(shù)的模糊推理。土壤有效水含量為計劃濕潤層土壤干容重1.3 g/cm3、土壤計劃濕潤層深度30 cm以及土壤含水率[0.21，0.3]的乘積，結(jié)果為[82，117]。

由2.2.1可知蒸散量范圍為[0，12]。灌水系數(shù)1模糊推理系統(tǒng)以土壤含水量以及蒸散量為輸入變量，輸入隸屬函數(shù)為三角型函數(shù)，輸出為高斯隸屬函數(shù)，輸入語言變量劃分為5個，輸出劃分為6個，模糊規(guī)則表如表2所示。

表2 模糊規(guī)則表

蒸散量土壤含水量 VLLMHVH VLHLVLVLVL LMHLVLVLVL MMHHMLVLVL HVHMHMLVLVL VHVHVHLMLVL

編寫灌水量程序。當(dāng)灌水系數(shù)乘以灌水定額小于一確定閾值時，置根部保護(hù)系數(shù)為0，否則為1。當(dāng)天氣預(yù)報顯示有降雨時，置降水系數(shù)為0，否則為1。由于每日的土壤含水量數(shù)據(jù)不便于采集，這里采用水量平衡法估算每日的土壤含水量，編寫算法程序，得到2018年灌水期共275 d內(nèi)的灌水量柱狀圖，如圖9所示，其中黑色為灌水量，灰色為降水量，總灌水量為465 mm。

圖9 2018年灌溉期灌水量柱狀圖

2.3 風(fēng)光互補(bǔ)理論分析

2.3.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

基于本作品特性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)選用螺旋形垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。該風(fēng)力發(fā)電機(jī)較水平軸風(fēng)機(jī)啟動風(fēng)速低，占據(jù)位置小，對于外界風(fēng)向及風(fēng)速變化適應(yīng)性更強(qiáng)。

式（2）（3）中：為風(fēng)機(jī)的輸出功率；P為風(fēng)輪的功率系數(shù)；為空氣密度；為風(fēng)輪掃掠面積；為風(fēng)速；為風(fēng)輪半徑。

以武漢市為例，離地高10 m處年均風(fēng)速為3.56~ 3.60 m/s，取3.60 m/s計算[7]，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的平均有效功率=126 W。

2.3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

本作品所設(shè)計的光伏系統(tǒng)采用Sunpower24 V半柔性太陽能電池板，鋪設(shè)面積為0.87 m2。在實際光照及溫度條件下，發(fā)電功率約為81 W。太陽能電池板的額定功率1為0.10～0.12 kW/m2，光伏陣列額定功率=1×，其中為布置的太陽能電池板的面積。

據(jù)計算，太陽能電池板發(fā)電功率=1×=90 W。

以武漢市為例，年平均日輻射量為11.768 kW/m2，光伏陣列到負(fù)載的效率為0.85，即光伏陣列有效功率=×= 83 W。

3 節(jié)能減排效益評估

3.1 減排效益評估

以一根智能燈桿為評估對象，該燈桿運行一年的發(fā)電量約為1 830 kW·h。

根據(jù)國家碳排放計算器提供的資料，在實際生產(chǎn)過程中1 t無煙煤燃燒后排放二氧化碳質(zhì)量2約為3 117 kg，因此可計算本作品可減少二氧化碳排放量2，2計算公式為2=21，可得單臺裝置一年可減少二氧化碳排放量約1.7×106t。

3.2 節(jié)水效益評估

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》第3.1.4條，可推算出處于相對干旱地區(qū)的北京市市政綠化灑水年用水量的日平均值為2～3.0 mm。465÷275÷2=84%，465÷275÷3=56%，因此采用可以節(jié)約的水量為16%～44%。

2019年北京市道路綠化帶綠化面積約為1.2億平方米，總用水量為24～36萬噸，至少可節(jié)約3.84萬噸水。

3.3 節(jié)能減排效益總結(jié)

綜上所述，單臺本作品所述裝置功率可達(dá)209 W，一年即可節(jié)約煤炭0.66 t，減少二氧化碳排放2.06 t。綠化灌溉系統(tǒng)一年可為北京市節(jié)約澆灌用水3.84萬噸，在霧霾天氣中能在3～5 min內(nèi)有效去除20 m范圍內(nèi)的霧霾顆粒，節(jié)能減排效益凸顯。

4 總結(jié)

以燈桿為載體，在上方模塊化安裝綠化噴灌系統(tǒng)、除霾裝置和風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模塊，可在一定程度上為城市的除霾、灌溉工程提供便利，同時為城市居民的生活帶來極大的便利。按照現(xiàn)如今的發(fā)展趨勢，國家對環(huán)境的保護(hù)越來越重視、城市智能化程度越來越高，未來智慧路燈的規(guī)模將會越來越大，運維的難度也將增大，本系統(tǒng)將會有更廣闊的應(yīng)用場景。

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TU113.6+66

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.007

2095－6835（2020）14－0023－04

周啟沛（1999—），男，湖北鐘祥人，本科在讀，輪機(jī)工程專業(yè)。

〔編輯：王霞〕