基于毫米波雷达的智能路灯设计及其前景预测

赫培峥，舒青山

西南科技大学 国防科技学院，四川 绵阳 621000

我国的城市路灯已经超过1×108盏，功率达2.5×107kW，年耗电总量超过5.9×1010kW·h。目前，国内外的城市路灯照明主要采用“全夜灯恒照度”的照明方式，其照明方案分为两种：一是全时段照明，无论道路上车流量多少，路灯在夜间时段保持常亮状态；
二是通过时间控制实现路灯照明，即路灯在上半夜全功率运行，下半夜半功率运行。以上两种照明方案可以保证夜间的照明需求，但资源浪费严重[1]。

基于此，文章设计了一款能实现按需照明的路灯，以期能够解决“全夜灯恒照度”照明方案存在的高能耗问题。根据国家标准，设计的路灯与目前城市普遍采用照明路灯相比，预计单路段能耗将减少30%～40%，路灯寿命可延长2 倍以上，有效降低城市路灯经济投入，应用前景广阔。

1.1 传统路灯的应用现状

现有的照明系统无法自动监控路灯的运行状态，只能通过人工巡逻的方式对路灯进行管理和维护。随着路灯系统规模的不断扩大，这种巡逻方式会浪费越来越多的人力，而且存在严重的滞后性。

现行的“全夜灯恒照度”照明方式虽然可以保证夜间基本照明和交通安全，但会造成电力资源的严重浪费。城市居民大多在下半夜处于睡眠或休息状态，街道上的汽车和行人很少，而所有的灯都处于恒亮状态，会造成电力资源的浪费。

1.2 智能路灯的发展现状

1.2.1 智能路灯得到广泛应用

2010 年以来，我国在控制科学、通信等技术领域的发展越来越快，计算机与电子信息领域的科技水平得到了很大程度的提升，极大地促进了我国经济的发展与进步。随着中国通信与照明技术的发展和进步，智能路灯在城市建设中也得到广泛应用，极大提高了城市照明系统的建设质量，实现了更有效的城市照明管控[2]。目前，中国的专家学者在路灯系统节能控制技术研究方面取得了重要进步，主要包括时空光学控制技术和能效控制技术两个方面。

1.2.2 智能路灯仍有不足

总体来看，随着智慧城市建设和物联网的快速发展，智能路灯为城市建设带来了新思路，发展前景良好。随着我国居民生活水平的不断提高，对电力能源的需求量越来越大，这给电力相关行业提供了广阔的市场空间。然而，目前仍然存在一些问题，如成本下降和技术提升等问题，还有电能消耗过度等问题需要继续探索，智能路灯距离大规模落地应用仍有一段距离。

2.1 设计思路

文章设计的智能路灯采用24 GHz 雷达技术，能够随时侦测人、车活动的变化状态，对路灯周围一定范围内状况进行监控，透过雷达感应传感器，根据车辆和行人之间的距离自动调整灯光亮度。监测范围内无目标时路灯熄灭，减少能耗；
有目标时路灯开启，并根据目标的距离，通过控制模块控制路灯的照明亮度，实现无极调光照明。在满足正常照明需求的同时，又达到节省能源、提高照明效率、延长路灯使用寿命的效果，能有效地解决现有路灯“通宵照明，恒光照明”带来的能源过度消耗问题，在实现节能效果的同时，保证道路交通安全。

该智能路灯主要由智能控制器、光照传感器、雷达传感器、LED 驱动等组成，如图1 所示。灯光信号通过设置在路面上的光照传感器发送到智能控制器，信号处理后，智能控制器决定是否需要打开路灯。当路灯开启时，LED 路灯自动保持30%的低亮度，此时，智能控制器接收来自雷达传感器的信号。当目标出现时，点亮路灯，保证前方一定范围内的路灯保持较高的亮度，以满足照明需要；
当目标远离路灯时，根据目标距离调整灯光，最终恢复30%的低亮度，保证照明需求的同时降低功耗，节约能源，提高照明效率[3]。

图1 系统设计思路

文章设计的智能路灯将雷达传感器与系统控制板安装于现代城市路灯上。毫米波雷达工作原理如图2所示，毫米波通过雷达微束天线向外发射，雷达微束天线接收目标反射信号，处理后迅速准确取得目标信息（与目标的相对距离、相对速度、角度、运动方向），然后将检测到的物体信息通过USB 旋转TTL 串行适配器传送到数据处理部，进行数据分析，通过软件处理计算目标距离。

图2 毫米波雷达工作原理

2.2 LED 亮度调节

LED 路灯本质上是发光二极管，可以用微秒开关控制。由于LED 光源本身具有高能量密度、短波长等特点，在照明方面有着非常广阔的应用前景[4]。因此，LED 调光控制装置可以将电源转换为脉冲恒定电流源，改变脉冲宽度，从而调节LED 的亮度，这称为脉冲宽度调制。亮度与PWM 输出的关系如图3 所示。假如脉冲宽度为t，脉冲周期为T，

图3 亮度与PWM 输出的关系

改变占空比D的大小即可改变LED 的亮度。PWM调光的优势在于调光过程不会产生任何色彩偏移现象，即使是大范围调光也不会发生闪烁现象，具有极高的调光精度。根据目标距离调节电压PWM 输出，使路灯亮度连续平稳变化，实现路灯无极调光，既满足了照明需要，又满足了亮度舒适性。

3.1 雷达测量目标信息技术

文章设计的智能路灯通过微波阵列天线向外部放出毫米波，接收目标的反射信号，迅速且准确地取得目标周围的信息（如距离目标的距离、角度、运动方向等）之后，根据所探知的目标信息，由中央处理单元进行智能处理，实现路灯亮度的无级调光，确保行车安全舒适，降低事故发生概率[5]。雷达原理如图4所示。

图4 雷达原理示意图

对于静止目标，如图4 中第一个扫描三角形所示，回波信号和发射信号有相同的形状，只是相差一个时延τ，有

式中：R为目标物体的距离；
c为光速。

差频信号大小可以由相似三角形的关系得出：

式中：T为调制三角波信号的周期；
f0为中频频率；
ΔF为调频带宽。从式（3）可以看出，目标距离与毫米波雷达回波的中频频率成正比。通过式（2）（3）可得：

对于运动目标，回波信号中包含了由于目标运动引起的多普勒频移fd。此时，在三角波扫描正程和逆程区域上，差频信号频率fb+和fb-可以分别表示为

多普勒频移可由下面公式得到：

式中：fc为电磁波频率。由式（4）～（7）式可以得出目标的距离和速度表达式：

3.2 智能无极调光算法

通过软件算法设计，提取数据报文目标距离信息，采用PWM 调制输出方式，根据测量目标距离调整输出电压占空比，实现街灯0～100%的亮度无极调光。在满足正常照明需求的同时实现按需节能调光。例如，单位时间输出电压占空比为50%，亮度为50%。

4.1 毫米波雷达精准探测

毫米波雷达具有穿透力强、不受恶劣天气影响、探测距离远等优势，可满足各种环境下道路探测的需求。根据毫米波雷达测量反馈的数据，可以随时改变传统路灯的工作状态，包括灭、30%、50%、75%、100%五种状态，也可以通过软件设计实现LED 路灯无极调光，即0～100%亮度渐变，按需调整。在实际使用过程中能够进行全面调控。由于装置使用了直流供电，可以减少灯具的工作时间和负荷，对于夜间车少、人少的路段可以不工作，既节约能源又提升路灯寿命。

4.2 方案兼容性强

文章设计的智能路灯融合了多项传感技术与自动控制技术，能与现有的路灯管理系统进行无缝兼容，可在现有的线路基础上直接运行该系统，免去了二次布线，只需对终端控制器进行合理整合，不需要再耗费大量人力、物力进行线路改造和设备升级。

基于毫米波雷达的智能路灯设计方案广泛应用于社区、道路照明、高速照明等场景。该装置根据不同场景可有不同的照明策略。例如，当路灯附近无目标时，路灯低亮度照明，有助于满足行人的方向定位和寻找目标需要；
当行人或车辆靠近该灯时，路灯将以最大功率照明，确保行人能清楚地看到路况，从而了解车辆的速度和方向，并判断与其他车辆的距离。

智能路灯是物联网在城市中的重点应用领域，其应用前景广阔，经改造后可以实现大数据交互环境下的智能照明、智慧交通、环境监测等功能。文章设计的智能路灯将实现路灯的智能化与节能化，未来还可以延伸出更多的应用前景。

在国家相关政策的大力支持和产业转型的推动下，城市智能路灯将得到进一步升级和发展。随着我国经济快速发展，人们对生活品质要求越来越高。城市照明作为城市重要基础设施之一，也逐步朝着智能化方向迈进。未来智能路灯或将成为智慧城市、智慧交通的载体，在智能化基础上拓展出更多应用前景。在这个过程中，要做好路灯在智能化与节能化的双线建设，既要满足人们对照明的品质的需求，更要降低能源消耗。