CN111479359A - 一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统及方法 - Google Patents

一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统及方法，智能化路灯的实时控制，是将路灯控制和道路车流量以及人流量结合起来，实时的控制路灯的亮度以及打开和关断情况，本系统基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于监测道路的车流量以及人流量，并通过ZigBee无线通信技术将测得的数据传送到上位机，从而实现对实时路况进行监控测算，达到根据环境进行及时有效地调整控制灯光的效果。其中，ZigBee节点可以通过无线自组网的方式，将系统安装的各类传感器所采集到的数据汇聚到中心节点，再进行处理融和。本发明通过每个传感节点集成了微波或毫米波监测模块，光照度监测模块和ZigBee无线传感网络来实现节能调光功能。

Description

一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节 能调光的系统及方法
技术领域
本发明涉及路灯技术领域，尤其涉及一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统及方法。
背景技术
随着物联网技术成为主流，云平台的进一步发展以及5G基站的加快建设，路灯的建设必然朝智慧与节能的方向发展，即不仅可以实时调控灯光实现节能，还可以集中控制管理等。由于当前路灯照明系统存在着一定程度的浪费以及不能实时共享资源，不能快速定位有故障的路灯等一系列涉及智能化管理方面的缺陷，因此，为了进一步优化路灯照明系统的结构，必须推出智能化的节能调光方法。
目前，国内路灯在照明亮度上大部分还是采用“全夜灯恒亮度”模式。考虑到实际情况的复杂性，并且要考虑路灯的光衰问题，如果仍然采用这种方式必然会造成大量的电能消耗。另外，随着慢慢步入城镇化阶段，路灯的数量也急剧增加。如果不对现有亮灯模式进行改进，不仅浪费了电能还会造成市政支出的增加。因此，根据不同道路的特点采用不同的亮灯模式成为一种新的路灯节能趋势。
针对以上情况，本发明设计了一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统。路灯智能控制是基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于监测道路的车流量以及人流量，并采用基于Zig Bee无线网络技术用于传输数据，进而根据道路上的实际情况实时控制路灯的亮暗程度，从而实现节能调光。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统及方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统，总体系统功能模块包括路灯中央控制模块、微波检测模块、亮度检测模块、路灯状态控制模块以及电路电源模块，本发明基于ZigBee无线传感网络用于数据的传输，通过汇聚节点将数据传送到上位机进行监控。在无线远程通信方式中，可以选择基于移动运营商的短信息服务、基于通信技术的数据传输、基于连接的互联网传输。
优选的，路灯中央控制模块主要由2部分组成：PC机管理中心和协调器部分，以微处理器为核心的路灯节点中心将采集到的车流量和光照度信息通过扩频通讯发送给协调器，协调器通过串口将数据显示在上位机的用户界面上。同时上位机发出路灯亮度调整的命令，从而调整对应路灯的亮度；
所述PC机管理中心管理功能，PC机管理中心和协调器之间互相进行数据的传输，进而实现控制，PC机管理中心具有数据处理、显示状态和发出控制调整命令的功能；
所述协调器功能，该系统中，协调器接收来自路由节点的车流量信息，并将此信息通过串口发送给PC机管理中心，与此同时，协调器接受来自PC机管理中心发出的命令，并将此发送到路由节点从而进行亮度调整。
优选的，微波或毫米波检测模块主要由三部分组成：雷达射频前端、信号处理系统及后端算法；
所述雷达射频前端部分，射频前端通过发射波和接收波，得到实时的信号，经过处理，获得实时的车流量等信息；
所述信号处理系统功能，信号处理系统包括硬件处理能力和软件部分的算法模块，信号处理系统将射频前端采集到的信号，通过处理，满足雷达的实时需求，实现高速传输与性能优化；
所述后端算法部分，后端算法部分主要包括阵列天线的波束形成算法、测量算法和跟踪算法以及信号检测等等，此部分是雷达性能优劣的关键，与缩短数据处理的时间、提升探测性能以及成本等方面息息相关。
优选的，亮度检测模块由光照强度的信号采集和信号转换与处理组成；
所述光照强度信号采集功能，本系统的光照强度信号采集功能是基于光敏电阻的特性，即电阻的阻值随着光照强度的变化而变化。基于这一原理，可以根据输出的电压值来判断目前的光照度情况，从而用于检测LED路灯的好坏，以及对是否开启或关闭路灯。
所述信号转换与处理功能，该部分用于将采集到的信号进行模/ 数转换器，并将数据发送给路由节点，进行相关后续控制。
优选的路灯状态控制模块由ZigBee路由节点以及LED控制电路组成；
所述ZigBee路由节点控制功能。ZigBee路由节点是以微处理器为核心，用于对例如故障信息、亮度信息、微波检测信息等信息进行处理，实现控制功能。此外，当路灯中心节点成功加入网络后，会向管理中心定时发送路由信息，这有利于确定路灯节点的上级和下级节点的网络地址，以实现控制路灯的命令的逐级传递，使确定控制节点工作状态是否正常更准确便捷；
所述LED控制电路的电平转换功能，LED控制电路包括光电隔离器，此部分用于将MCU所提供的低电流电压转化为可用于供应路灯系统的220V交流电压，光电隔离器将电路分成两个部分，输入端接控制器输出的高低电平控制信号，输出端则接路灯的开关电路，根据高低电平来控制路灯的开和关。
优选的，电源电路模块主要用于给各模块提供稳定的电源，用于系统的正常工作，保证了整个系统正常运行。
基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的方法，包括如下步骤：
1)将微波检测模块和亮度检测模块检测到的车流量和光照度的信息传输到以微处理器为核心的ZigBee路由节点上，根据实际情况进行路灯亮度的调控，此时，即可实现节能；
2)按照信号传输方向对路灯调光系统进行简单说明，微波检测电路和光敏采样电路作为实时道路上车流量和光照度的采集信息模块，并将数据传送到ZigBee路由节点进行处理，微波或毫米波雷达探测原理是利用多普勒雷达探测的原理，进而监测出被测物的运动状态，物体在雷达监测范围内移动时，在多普勒雷达的输出端会有多普勒信号输出，该输出信号是低频模拟信号，但其电压值较低，且含有干扰信号，所以需要经过放大电路和检波电路处理，最终实现信号的处理；
以微处理器为核心的路灯节点将车流量信息发送到协调器。协调器具有设备间的正常通信，合理配置，绑定路由地址等功能，该系统中，协调器接收来自路由节点的车流量信息，并将此信息通过串口发送给PC机管理中心，同时上位机用户界面能够发送路灯状态监测和路灯高亮度调整的命令，再通过串口发送到协调器，协调器传给路由节点，通过LED控制电路实现高电压的转换，最终控制路灯的亮度。
本发明中，所述一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统，本发明与现有技术相比，利用微波或毫米波雷达阵列探测方法进行车流量的监测以及利用ZigBee进行传输数据，具有低功耗及高可靠性的特点。而且可以实现自组网的优势并且使系统通信效率高。检测系统整体具有集成度高、操作简单、车流量检测准确、观测直观等优点。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统的结构示意图；
图2为本发明提出的一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统的微波或毫米波雷达探测原理结构示意图；
图3为本发明提出的一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统的节能调光方案的运行流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1-3所示，一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统，总体系统功能模块包括路灯中央控制模块、微波检测模块、亮度检测模块、路灯状态控制模块以及电路电源模块，本发明基于ZigBee无线传感网络用于数据的传输，通过汇聚节点将数据传送到上位机进行监控。在无线远程通信方式中，可以选择基于移动运营商的短信息服务、基于通信技术的数据传输、基于连接的互联网传输。
本发明中，路灯中央控制模块主要由2部分组成：PC机管理中心和协调器部分，以微处理器为核心的路灯节点中心将采集到的车流量和光照度信息通过扩频通讯发送给协调器，协调器通过串口将数据显示在上位机的用户界面上。同时上位机发出路灯亮度调整的命令，从而调整对应路灯的亮度；
所述PC机管理中心管理功能，PC机管理中心和协调器之间互相进行数据的传输，进而实现控制，PC机管理中心具有数据处理、显示状态和发出控制调整命令的功能；
所述协调器功能，该系统中，协调器接收来自路由节点的车流量信息，并将此信息通过串口发送给PC机管理中心，与此同时，协调器接受来自PC机管理中心发出的命令，并将此发送到路由节点从而进行亮度调整。
本发明中，微波或毫米波检测模块主要由三部分组成：雷达射频前端、信号处理系统及后端算法；
所述雷达射频前端部分，射频前端通过发射波和接收波，得到实时的信号，经过处理，获得实时的车流量等信息；
所述信号处理系统功能，信号处理系统包括硬件处理能力和软件部分的算法模块，信号处理系统将射频前端采集到的信号，通过处理，满足雷达的实时需求，实现高速传输与性能优化；
所述后端算法部分，后端算法部分主要包括阵列天线的波束形成算法、测量算法和跟踪算法以及信号检测等等，此部分是雷达性能优劣的关键，与缩短数据处理的时间、提升探测性能以及成本等方面息息相关。
本发明中，亮度检测模块由光照强度的信号采集和信号转换与处理组成；
所述光照强度信号采集功能，本系统的光照强度信号采集功能是基于光敏电阻的特性，即电阻的阻值随着光照强度的变化而变化。基于这一原理，可以根据输出的电压值来判断目前的光照度情况，从而用于检测LED路灯的好坏，以及对是否开启或关闭路灯。
所述信号转换与处理功能，该部分用于将采集到的信号进行模/ 数转换器，并将数据发送给路由节点，进行相关后续控制。
本发明中路灯状态控制模块由ZigBee路由节点以及LED控制电路组成；
所述ZigBee路由节点控制功能。ZigBee路由节点是以微处理器为核心，用于对例如故障信息、亮度信息、微波检测信息等信息进行处理，实现控制功能。此外，当路灯中心节点成功加入网络后，会向管理中心定时发送路由信息，这有利于确定路灯节点的上级和下级节点的网络地址，以实现控制路灯的命令的逐级传递，使确定控制节点工作状态是否正常更准确便捷；
所述LED控制电路的电平转换功能，LED控制电路包括光电隔离器，此部分用于将MCU所提供的低电流电压转化为可用于供应路灯系统的220V交流电压，光电隔离器将电路分成两个部分，输入端接控制器输出的高低电平控制信号，输出端则接路灯的开关电路，根据高低电平来控制路灯的开和关。
本发明中，电源电路模块主要用于给各模块提供稳定的电源，用于系统的正常工作，保证了整个系统正常运行。
基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的方法，包括如下步骤：
1)将微波检测模块和亮度检测模块检测到的车流量和光照度的信息传输到以微处理器为核心的ZigBee路由节点上，根据实际情况进行路灯亮度的调控，此时，即可实现节能；
2)按照信号传输方向对路灯调光系统进行简单说明，微波检测电路和光敏采样电路作为实时道路上车流量和光照度的采集信息模块，并将数据传送到ZigBee路由节点进行处理，微波或毫米波雷达探测原理是利用多普勒雷达探测的原理，进而监测出被测物的运动状态，物体在雷达监测范围内移动时，在多普勒雷达的输出端会有多普勒信号输出，该输出信号是低频模拟信号，但其电压值较低，且含有干扰信号，所以需要经过放大电路和检波电路处理，最终实现信号的处理；
以微处理器为核心的路灯节点将车流量信息发送到协调器。协调器具有设备间的正常通信，合理配置，绑定路由地址等功能，该系统中，协调器接收来自路由节点的车流量信息，并将此信息通过串口发送给PC机管理中心，同时上位机用户界面能够发送路灯状态监测和路灯高亮度调整的命令，再通过串口发送到协调器，协调器传给路由节点，通过LED控制电路实现高电压的转换，最终控制路灯的亮度。
本发明中，路照明的需求是受光照强度、车流量和时间等多方面影响而动态变化的，为了实现节能调光，依据实际路况动态调整路灯亮度，把收集的不同时间段路灯环境光照强度和车流量作为样本数据，特征属性a1、a2、a3分别代表时间段、光照强度和车流量，并根据实际情况给其贴上调光等级标签，表示六种调光等级标签集合， 1、2、3、4、5、6分别代表关灯、调光20％、调光40％、调光60％、调光80％和100％开灯，其中不同亮度用PWM实现，根据不同的城市的人们的出行需求，可以设定在夜晚某一时间段，路灯一直保持恒亮。特别地，路灯的亮度等级应随着车流量的增大而相应的调高；当后半夜的时候，车辆普遍减少时，路灯亮度等级应当调低或者在某些地段可直接关闭；白天在一定的光照强度下路灯关闭，除非出现有雾、暴雨、雷电天气或者光照强度低于一定设定值时，此时应当开启路灯并可将路灯调整至适当的亮度，由此可以依据不同地点不同时间段不同车流量不同天气等一系列可能影响路灯亮度的因素，调整路灯的开启或关闭以及所开启的亮度等级，最终实现节能调光。
利用微波或毫米波雷达测量精度高，稳定性高，全天候监测的特性，这对于测量多车道多车辆的车流量检测的精确度上有一定的优势，发明出一种集硬件软件于一体的检测系统，实现路灯的节能调光，特别是在路灯调光与光照强度、车流量和时间等因素息息相关时，此方法可以实现道路照明的最优化。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统，其特征在于，包括路灯中央控制模块、微波检测模块、亮度检测模块、路灯状态控制模块以及电路电源模块；
方法用于监测道路的车流量以及人流量，使用亮度检测模块检测光照度的变化，将采集的信息传给各个路由节点，并通过ZigBee无线通信技术将测得的数据传送到上位机，上位机再进行数据处理，发出控制命令，从而实现节能调光。
2.根据权利要求1所述的一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统，其特征在于，路灯中央控制模块主要由2部分组成：PC机管理中心和协调器部分，以微处理器为核心的路灯节点中心将采集到的车流量和光照度信息通过扩频通讯发送给协调器，协调器通过串口通信协议将数据显示在PC机管理中心的用户界面上，与此同时上位机发送路灯亮度调整的命令，从而调整对应路灯的亮度；
所述PC机管理中心管理功能，PC机管理中心和协调器之间互相进行数据的传输，进而实现控制，PC机管理中心具有数据处理、显示状态和发出控制调整命令的功能；
所述协调器功能，该系统中，协调器接收来自路由节点的车流量信息，并将此信息通过串口发送给PC机管理中心，与此同时，协调器接受来自PC机管理中心发出的命令，并将此发送到路由节点从而进行亮度调整。
3.根据权利要求1所述的一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统，其特征在于，微波或毫米波检测模块主要由三部分组成：雷达射频前端、信号处理系统及后端算法；
所述雷达射频前端部分，射频前端通过发射波和接收波，得到实时的信号，经过处理，获得实时的车流量等信息；
所述信号处理系统功能，信号处理系统包括硬件处理能力和软件部分的算法模块，信号处理系统将射频前端采集到的信号，通过处理，满足雷达的实时需求，实现高速传输与性能优化；
所述后端算法部分，后端算法部分主要包括阵列天线的波束形成算法、测量算法和跟踪算法以及信号检测等等，此部分是雷达性能优劣的关键，与缩短数据处理的时间、提升探测性能以及成本等方面息息相关。
4.根据权利要求3所述的一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统，其特征在于，车流量检测模块中雷达信号的选择是微波或者毫米波雷达，微波或毫米波导引头体积小质量轻，有利于缩小系统体积以及一定程度上简化了整个系统。而且其空间分辨率高，在识别车流量的精确度与准确度上较其他雷达有一定的提升。同光学导引头相比，微波或毫米波导引头穿透杂质的能力强，可以很好地适应现实中出现的不同的天气状况，抗干扰能力强。此外，微波或毫米波雷达可以分辨识别多个目标，还可以进行测速和测距，对目标进行连续跟踪，测量的距离也远，这对于测量多车道多车辆的车流量检测的精确度上有一定的优势。
5.根据权利要求1所述的一种基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统，其特征在于，亮度检测模块由光照强度的信号采集和信号转换与处理组成；
所述光照强度信号采集功能，本系统的光照强度信号采集功能是基于光敏电阻的特性，即随光强变化，电阻的阻值也会发生变化，基于这一原理，可以根据输出的电压值来判断目前的光照度情况，从而用于检测LED路灯的好坏，以及对是否开启或关闭路灯。
所述信号转换与处理功能，该部分用于将采集到的信号进行模/数转换，并将数据发送给路由节点，进行相关后续控制。
6.根据权利要求1所述的基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统，其特征在于，路灯状态控制模块由ZigBee路由节点以及LED控制电路组成；
所述ZigBee路由节点控制功能。ZigBee路由节点是以微处理器为核心，用于对例如故障信息、亮度信息、微波检测信息等信息进行处理，实现控制功能，此外，当路灯中心节点成功加入网络后，会向管理中心定时发送路由信息，这有利于确定路灯节点的上级和下级节点的网络地址，以实现控制路灯的命令的逐级传递，使确定控制节点工作状态是否正常更准确便捷；
所述LED控制电路的电平转换功能，LED控制电路包括光电隔离器，此部分用于将MCU所提供的低电流电压转化为可用于供应路灯系统的220V交流电压。光电隔离器将电路分成两个部分，输入端接控制器输出的高低电平控制信号，输出端则接路灯的开关电路，根据高低电平来控制路灯的开和关。
7.根据权利要求1所述的基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的系统，其特征在于，电源电路模块主要用于给各模块提供稳定的电源，用于系统的正常工作，保证了整个系统正常运行。
8.基于微波或毫米波雷达阵列探测方法用于路灯网络的节能调光的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将微波检测模块和亮度检测模块检测到的车流量和光照度的信息传输到以微处理器为核心的ZigBee路由节点上，根据实际情况进行路灯亮度的调控，此时，即可实现节能；
2)按照信号传输方向对路灯调光系统进行简单说明，微波检测电路和光敏采样电路作为实时道路上车流量和光照度的采集信息模块，并将数据传送到ZigBee路由节点进行处理，微波或毫米波雷达探测原理是利用多普勒雷达探测的原理，进而监测出被测物的运动状态，物体在雷达监测范围内移动时，在多普勒雷达的输出端会有多普勒信号输出，该输出信号是低频模拟信号，但其电压值较低，且含有干扰信号，所以需要经过放大电路和检波电路处理，最终实现信号的处理；
3)以微处理器为核心的路灯节点将车流量信息发送到协调器。协调器具有设备间的正常通信，合理配置，绑定路由地址等功能，该系统中，协调器接收来自路由节点的车流量信息，并将此信息通过串口发送给PC机管理中心，同时上位机用户界面能够发送路灯状态监测和路灯高亮度调整的命令，再通过串口发送到协调器，协调器传给路由节点，通过LED控制电路实现高电压的转换，最终控制路灯的亮度。
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