CN109668593A - 一种集成传感器、用于路灯的光照调节装置及调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成传感器，包括电路板，所述电路板上集成有计算模块和与所述计算模块输出端相接的比较模块，所述计算模块的输入端接有温湿度采集模块、PM10采样模块、PM2.5采样模块和风速检测模块。本发明还公开了用于路灯的光照调节装置，包括该集成传感器。本发明还公开了一种用于路灯的光照调节方法。本发明结构简单、设计合理，以温湿度、PM10、PM2.5和风速等环境因素作为输入，以大气能见度作为输出，并对温度、湿度、PM10的浓度、PM2.5的浓度均进行了补偿计算，并提供了两个照明切换阈值，从而提供了三种不同的照明方式，适应性高。
Description
技术领域
本发明属于照明技术领域，具体涉及一种集成传感器、用于路灯的光照调节装置及调节方法。
背景技术
能见度的高低影响着人们日常的工作生活和交通出行。当出现低能见度现场时，常会造成交通事故增加和飞机起降延误。近年来，城市大气能见度下降已被视为重要的大气环境问题之一，在国内外不仅引起了研究者的广泛重视，也成为了政府和公众关注的焦点。全球陆地的大气能见度在过去数十年内呈普遍降低的趋势，其中亚洲的大气能见度在过去十年降低幅度最大。雾霾是影响能见度的主要因素之一，随着经济生产生活的快速发展，雾霾天气出现的范围呈现出进一步扩散的趋势，我国大部分地区的大中型城市均受到了影响，所造成的后果比较严重。
大气能见度是指在晴空条件下人眼能够识别大型黑色目标物的最远距离。从季节上来说，能见度在夏季最高、秋季次之、冬季最低。从空间分布来看，中国西北地区能见度高于东南地区。从气象要素来看，能见度与相对湿度呈负相关，且高湿度时的相关性优于低湿度时的相关性；能见度与风速呈正相关，低能见度多发生在小风速条件下，降水增加也会导致能见度增加。同时，能见度还与气温呈正相关关系，低温时低能见度发生的条件。
以城市照明来说，由于大气能见度受大气颗粒物、温湿度和风速的影响，因此固定的城市路灯照明时间已经不再适用，实际使用中，我们希望路灯能在不同能见度时选择不同的照明模式，这一功能的实现首先需要获取能见度的实时数据，但是，能见度传感器或仪表的市场价格较高，直接使用上述仪器仪表将大幅度的提高路灯的成本，不具备实际操作性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种集成传感器、用于路灯的光照调节装置及调节方法，其结构简单、设计合理，以温湿度、PM10、PM2.5和风速等环境因素作为输入，以大气能见度作为输出，并对温度、湿度、PM10的浓度、PM2.5的浓度均进行了补偿计算，并提供了两个照明切换阈值，从而提供了三种不同的照明方式，适应性高。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种集成传感器，包括电路板，其特征在于：所述电路板上集成有计算模块和与所述计算模块输出端相接的比较模块，所述计算模块的输入端接有温湿度采集模块、PM10采样模块、PM2.5采样模块和风速检测模块。
上述的一种集成传感器，其特征在于：所述比较模块包括第一比较器U1和第二比较器U2，所述第一比较器U1的同相输入端与第一阈值信号相接，所述第一比较器U1的反相输入端与第二比较器U2的同相输入端的连接端与计算模块的输出端相接，第二比较器U2的反相输入端与第二阈值信号相接，第一比较器U1的输出端与第一二极管D1的阴极相接，第一二极管D1的阳极分两路，一路为第一信号输出端，第二路与第一非门N1相接，第二比较器U2的输出端与第二二极管D2的阴极相接，第二二极管D2的阳极分两路，一路为第二信号输出端，第二路与第二非门N2相接，第一非门N1和第二非门N2分别与与门A1的输入端相接，与门A1的输出端为第三信号输出端。
上述的一种集成传感器，其特征在于：所述温湿度采集模块包括芯片DHT11。
上述的一种集成传感器，其特征在于：所述PM10采样模块采用A4-CG浓度传感器。
上述的一种集成传感器，其特征在于：所述PM2.5采样模块采用PM2.5粉尘传感器GP2Y1010AU0F。
上述的一种集成传感器，其特征在于：所述风速检测模块采用型号为PHWS的风速传感器。
一种用于路灯的光照调节装置，其特征在于：包括微控制器与所述微控制器相接的能见度检测单元，所述能见度检测单元设有如权利要求1-2任一项所述的集成传感器，所述集成传感器中计算模块的输入端接有系数输入模块，所述集成传感器中比较模块的输入端接有第一阈值输入模块和第二阈值输入模块，所述微控制器的输出端接有大功率照明驱动模块和小功率照明驱动模块。
上述的一种用于路灯的光照调节装置，其特征在于：所述微控制器的输出端接有显示模块。
一种用于路灯的光照调节方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、获取测量值：温湿度采集模块在采集时间t内获取温度检测值Tt和湿度检测值Ht并发送给计算模块，PM10采样模块在采集时间t内获取PM10浓度检测值C10-t并发送给计算模块，PM2.5采样模块在采集时间t内获取PM2.5浓度检测值C2.5-t并发送给计算模块，风速检测模块在采集时间t内获取风速检测值Wt并发送给计算模块，计算模块将接收到的检测值存入信息数据库；
步骤二、计算温湿度补偿值：计算模块根据公式计算温度补偿值T't和湿度补偿值H't，其中Tt-1表示上一个采集时间t-1内的温度检测值，Ht-1表示上一个采集时间t-1内的湿度检测值，e表示自然常数，τ表示时间常数；
步骤三、计算PM10浓度补偿值：计算模块2根据公式C'10-t＝C10-t+aT't-b(Wt)c计算PM10浓度补偿值C'10-t，其中a、b和c均为通过系数输入模块(12)输入的补偿系数；
步骤四、计算PM2.5浓度补偿值：计算模块2根据公式计算PM2.5浓度补偿值C'2.5-t；
步骤五、计算大气能见度：计算模块2根据公式计算大气能见度Vt，其中n、m、q、r、f、j、g和k均为通过系数输入模块12输入的常数；
步骤六、选择照明方式：计算模块将计算得到的大气能见度Vt发送给比较模块，比较模块对大气能见度Vt、通过第一阈值输入模块输入的第一大气能见度阈值和通过第二阈值输入模块输入的第二大气能见度阈值进行比较，若进入步骤701；若进入步骤702；若进入步骤703；
步骤七、照明执行：
步骤701、微控制器同时发送脉冲信号给大功率照明驱动模块和小功率照明驱动模块，小功率照明驱动模块驱动小功率LED照明灯，大功率照明驱动模块驱动大功率LED照明灯；
步骤702、微控制器发送脉冲信号给大功率照明驱动模块，大功率照明驱动模块驱动大功率LED照明灯；
步骤703、微控制器发送脉冲信号给小功率照明驱动模块，小功率照明驱动模块驱动小功率LED照明灯。
上述的方法，其特征在于：所述采集时间t不大于一分钟。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的结构简单、设计合理，实现及使用操作方便。
2、本发明集成有温湿度采集模块、PM10、PM2.5和风速检测模块四个单元，以温度值、湿度值、PM10浓度值、PM2.5浓度值和风速值作为输入，通过计算模块计算得到大气能见度，并以大气能见度作为比较模块的输入，以计算模块计算得到大气能见度作为集成传感器的第一输出，以比较模块的输出作为集成传感器的第二输出，使用简便，计算简单，精度高。
3、本发明以采集时间t内获得的温度检测值Tt和上一个采集时间t-1内的温度检测值Tt-1进行温度补偿值T't计算，以采集时间t内获得的湿度检测值Ht和上一个采集时间t-1内的湿度检测值Ht-1进行湿度补偿值H't计算，能够大大提高补偿处理的准确性、实时性和稳定性，具有易于实现，成本投入低等优点。
4、本发明以风速检测值Wt和温度补偿值T't对PM10浓度进行补偿计算，得到PM10浓度补偿值C'10-t，提高了PM10浓度的稳定性。
5、本发明根据50％、80％和90％三个区间阈值将相对湿度对PM2.5的浓度的影响划分成四个档位，从而以湿度补偿值H't对PM2.5的浓度测量值进行补偿计算，得到PM2.5浓度补偿值C'2.5-t，稳定性强。
6、本发明以第一大气能见度阈值和第二大气能见度阈值作为照明方式的切换阈值，从而提供了三种不同的照明方式，使用效果好，适应性高。
综上所述，本发明结构简单、设计合理，以温湿度、PM10、PM2.5和风速等环境因素作为输入，以大气能见度作为输出，并对温度、湿度、PM10的浓度、PM2.5的浓度均进行了补偿计算，并提供了两个照明切换阈值，从而提供了三种不同的照明方式，适应性高。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的电路原理框图。
图2为本发明比较模块的电路原理图。
图3为本发明的方法流程图。
附图标记说明:
1—比较模块； 2—计算模块； 3—温湿度采集模块；
4—PM10采样模块； 5—PM2.5采样模块； 6—第一阈值输入模块；
7—第二阈值输入模块； 8—大功率照明驱动模块；
9—小功率照明驱动模块； 10—微控制器；
11—显示模块； 12—系数输入模块； 13—风速检测模块。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括电路板，所述电路板上集成有计算模块2和与所述计算模块2输出端相接的比较模块1，所述计算模块2的输入端接有温湿度采集模块3、PM10采样模块4、PM2.5采样模块5和风速检测模块13。
具体使用时，通过温湿度采集模块3采集温度检测值和湿度检测值，PM10采样模块4采集PM10的浓度检测值，PM2.5采样模块5采集PM2.5的浓度检测值，风速检测模块13采集当前环境的风速检测值，计算模块2根据温度检测值、湿度检测值、PM10的浓度检测值、PM2.5的浓度检测值和风速检测值计算大气能见度。同时设置有比较模块1，比较模块1对计算得到的大气能见度与大气能见度阈值进行比较，得到比较结果，以比较结果作为输出。
如图2所示，本实施例中，所述比较模块1包括第一比较器U1和第二比较器U2，所述第一比较器U1的同相输入端与第一阈值信号相接，所述第一比较器U1的反相输入端与第二比较器U2的同相输入端的连接端与计算模块2的输出端相接，第二比较器U2的反相输入端与第二阈值信号相接，第一比较器U1的输出端与第一二极管D1的阴极相接，第一二极管D1的阳极分两路，一路为第一信号输出端，第二路与第一非门N1相接，第二比较器U2的输出端与第二二极管D2的阴极相接，第二二极管D2的阳极分两路，一路为第二信号输出端，第二路与第二非门N2相接，第一非门N1和第二非门N2分别与与门A1的输入端相接，与门A1的输出端为第三信号输出端。
实际使用时，通过设置两个二极管D1和D2，以及两个非门N1和N2，与门A1实现三个信号的输出。当第一比较器U1输出高电平，第二比较器U2输出低电平时，比较模块1输出第一信号Y1；第一比较器U1、第二比较器U2均输出低电平时，比较模块1输出第二信号Y2；当第一比较器U1输出低电平，第二比较器U2输出高电平时，比较模块1输出第三信号Y3。
实际使用时，第一信号Y1、第二信号Y2和第三信号Y3均输出给微控制器10，微控制器10根据第一信号Y1、第二信号Y2和第三信号Y3触发不同的照明模块，从而实现照明方式的切换。
实际使用时，温湿度采集模块3包括芯片DHT11。PM10采样模块4采用A4-CG浓度传感器，PM2.5采样模块5包括PM2.5粉尘传感器GP2Y1010AU0F，风速检测模块13为采用型号为PHWS的风速传感器。计算模块2采用单片机。
如图1所示，本实施例中，包括微控制器10与所述微控制器10相接的能见度检测单元，所述能见度检测单元设有如权利要求1-2任一项所述的集成传感器，所述集成传感器中计算模块2的输入端接有系数输入模块12，所述集成传感器中比较模块1的输入端接有第一阈值输入模块6和第二阈值输入模块7，所述微控制器10的输出端接有大功率照明驱动模块8和小功率照明驱动模块9。
具体使用时，比较模块1对计算模块2计算得到的大气能见度、通过第一阈值输入模块6输入的第一大气能见度阈值和通过第二阈值输入模块7输入的第二大气能见度阈值进行比较，其中第一大气能见度阈值小于第二大气能见度阈值，若大气能见度小于第一大气能见度阈值，采用大功率照明驱动模块8和小功率照明驱动模块9同时照明；若大气能见度介于第一大气能见度阈值和第二大气能见度阈值之间，采用大功率照明驱动模块8照明；若大气能见度大于第二大气能见度阈值，采用小功率照明驱动模块9，从而实现照明方式的切换。
如图1所示，本实施例中，所述微控制器10的输出端接有显示模块11。实际使用时，显示模块11显示温度检测值、湿度检测值、PM10的浓度检测值、PM2.5的浓度检测值、风速检测值和大气能见度。
如图3所示，本发明还公开了一种利用路灯的光照调节装置进行路灯光照调节的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、获取测量值：温湿度采集模块3在采集时间t内获取温度检测值Tt和湿度检测值Ht并发送给计算模块2，PM10采样模块4在采集时间t内获取PM10浓度检测值C10-t并发送给计算模块2，PM2.5采样模块5在采集时间t内获取PM2.5浓度检测值C2.5-t并发送给计算模块2，风速检测模块13在采集时间t内获取风速检测值Wt并发送给计算模块2，计算模块2将接收到的检测值存入信息数据库。
实际使用时，所述采集时间t不大于一分钟。
步骤二、计算温湿度补偿值：计算模块2根据公式计算温度补偿值T't和湿度补偿值H't，其中Tt-1表示上一个采集时间t-1内的温度检测值，Ht-1表示上一个采集时间t-1内的湿度检测值，e表示自然常数，τ表示时间常数。
实际使用时，由于温湿度采集模块3处于集成传感器的内部，温湿度测量探头通常集成在集成传感器的内部，因此集成传感器在工作时所产生的热量会对温湿度的测量产生影响，引起测量偏差，因此该路灯光照调节的方法中，根据温湿度采集模块3在采集时间t内获得的温度检测值Tt和上一个采集时间t-1内的温度检测值Tt-1进行温度补偿值T't计算，在采集时间t内获得的湿度检测值Ht和上一个采集时间t-1内的湿度检测值Ht-1进行湿度补偿值H't计算，能够大大提高补偿处理的准确性、实时性和稳定性，具有易于实现，成本投入低等优点。
步骤三、计算PM10浓度补偿值：计算模块2根据公式C'10-t＝C10-t+aT't-b(Wt)c计算PM10浓度补偿值C'10-t，其中a、b和c均为通过系数输入模块12输入的补偿系数。
风是影响PM10颗粒物扩散稀释很重要的气象因子，风向决定污染物的扩散方向，风速影响污染物的扩散稀释速度。通常来说，风速越大，水平输送能力越强，空气中的PM10颗粒物被扩散稀释，并向下风方向输送，PM10颗粒物浓度迅速减小，反之则反，因此风速与PM10浓度呈负相关关系。
研究表明，气温升高的过程往往伴随着PM10浓度的攀升。PM10浓度逐月变化呈现明显的冬季高夏季低的特征，冬季逆温层较强较厚，维持时间较长，所以PM10浓度上升；而夏季逆温层则相对偏弱，所以PM10浓度相对较低，因此PM10浓度与温度呈正相关关系。
因此根据公式C'10-t＝C10-t+aT't-b(Wt)c计算PM10浓度补偿值C'10-t，在PM10浓度检测值C10-t的基础上，以风速检测值Wt和温度补偿值T't对PM10浓度进行补偿计算，实际使用时，公式C'10-t＝C10-t+aT't-b(Wt)c中，a＝0.089，b＝-2.5，c＝0.8。
步骤四、计算PM2.5浓度补偿值：计算模块2根据公式计算PM2.5浓度补偿值C'2.5-t。
据沈龙娇等研究表明，在相对湿度各个区段下，能见度与PM2.5的浓度均呈显著负相关，随着相对湿度的增加，能见度与PM2.5浓度相关性逐渐减弱。当相对湿度小于50％时，相关性最好，当相对湿度大于80％时，虽没有降水，但空气中有较多的水蒸气和水滴，会影响能见度，因此相关性显著下降，近年来，国际上关于大气棕色云的讨论与交流中，统一用相对湿度来界定灰霾和雾，雾和霾对能见度的影响很大，相对湿度小于80％时导致的能见度恶化是霾造成的，相对湿度大于90％时导致的能见度恶化是雾造成的，相对湿度介于80％到90％之间，能见度恶化是二者共同造成的。
因此根据50％、80％和90％三个区间阈值将相对湿度对PM2.5的浓度的影响划分成四个档位，从而以湿度补偿值H't对PM2.5的浓度测量值进行补偿计算，稳定性强。
步骤五、计算大气能见度：计算模块2根据公式计算大气能见度Vt，其中n、m、q、r、f、j、g和k均为通过系数输入模块12输入的常数。
实际使用时，以温度补偿值T't、湿度补偿值H't、PM10浓度补偿值C'10-t、PM2.5浓度补偿值C'2.5-t和风速检测值Wt等环境因素作为输入，以大气能见度作为输出，计算简单，精度高，其中n＝3.3646，m＝4.2，q＝-0.0063，r＝4，f＝-0.012，j＝-0.0525，g＝0.0487，k＝0.0812。
步骤六、选择照明方式：计算模块2将计算得到的大气能见度Vt发送给比较模块1，比较模块1对大气能见度Vt、通过第一阈值输入模块6输入的第一大气能见度阈值和通过第二阈值输入模块7输入的第二大气能见度阈值进行比较，若进入步骤701；若进入步骤702；若进入步骤703。
实际使用时，以第一大气能见度阈值和第二大气能见度阈值作为照明方式的切换阈值，从而提供了三种不同的照明方式，使用效果好，适应性高。
步骤七、照明执行：
步骤701、微控制器1同时发送脉冲信号给大功率照明驱动模块8和小功率照明驱动模块9，小功率照明驱动模块9驱动小功率LED照明灯，大功率照明驱动模块8驱动大功率LED照明灯；
步骤702、微控制器1发送脉冲信号给大功率照明驱动模块8，大功率照明驱动模块8驱动大功率LED照明灯；
步骤703、微控制器1发送脉冲信号给小功率照明驱动模块9，小功率照明驱动模块9驱动小功率LED照明灯。
大功率LED照明灯为灯珠功率在1瓦或以上的LED照明灯，小功率LED照明灯为灯珠功率在1瓦以下的LED照明灯。实际使用时，大功率LED照明灯和小功率LED照明灯均采用太阳能供电。
以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种集成传感器，包括电路板，其特征在于：所述电路板上集成有计算模块(2)和与所述计算模块(2)输出端相接的比较模块(1)，所述计算模块(2)的输入端接有温湿度采集模块(3)、PM10采样模块(4)、PM2.5采样模块(5)和风速检测模块(13)。
2.按照权利要求1所述的一种集成传感器，其特征在于：所述比较模块(1)包括第一比较器U1和第二比较器U2，所述第一比较器U1的同相输入端与第一阈值信号相接，所述第一比较器U1的反相输入端与第二比较器U2的同相输入端的连接端与计算模块(2)的输出端相接，第二比较器U2的反相输入端与第二阈值信号相接，第一比较器U1的输出端与第一二极管D1的阴极相接，第一二极管D1的阳极分两路，一路为第一信号输出端，第二路与第一非门N1相接，第二比较器U2的输出端与第二二极管D2的阴极相接，第二二极管D2的阳极分两路，一路为第二信号输出端，第二路与第二非门N2相接，第一非门N1和第二非门N2分别和与门A1的输入端相接，与门A1的输出端为第三信号输出端。
3.按照权利要求1所述的一种集成传感器，其特征在于：所述温湿度采集模块(3)包括芯片DHT11。
4.按照权利要求1所述的一种集成传感器，其特征在于：所述PM10采样模块(4)采用A4-CG浓度传感器。
5.按照权利要求1所述的一种集成传感器，其特征在于：所述PM2.5采样模块(5)采用PM2.5粉尘传感器GP2Y1010AU0F。
6.按照权利要求1所述的一种集成传感器，其特征在于：所述风速检测模块(13)采用型号为PHWS的风速传感器。
7.一种用于路灯的光照调节装置，其特征在于：包括微控制器(10)与所述微控制器(10)相接的能见度检测单元，所述能见度检测单元设有如权利要求1-2任一项所述的集成传感器，所述集成传感器中计算模块(2)的输入端接有系数输入模块(12)，所述集成传感器中比较模块(1)的输入端接有第一阈值输入模块(6)和第二阈值输入模块(7)，所述微控制器(10)的输出端接有大功率照明驱动模块(8)和小功率照明驱动模块(9)。
8.按照权利要求1所述的一种用于路灯的光照调节装置，其特征在于：所述微控制器(10)的输出端接有显示模块(11)。
9.一种利用如权利要求7所述用于路灯的光照调节装置进行路灯光照调节的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、获取测量值：温湿度采集模块(3)在采集时间t内获取温度检测值Tt和湿度检测值Ht并发送给计算模块(2)，PM10采样模块(4)在采集时间t内获取PM10浓度检测值C10-t并发送给计算模块(2)，PM2.5采样模块(5)在采集时间t内获取PM2.5浓度检测值C2.5-t并发送给计算模块(2)，风速检测模块(13)在采集时间t内获取风速检测值Wt并发送给计算模块(2)，计算模块(2)将接收到的检测值存入信息数据库；
步骤二、计算温湿度补偿值：计算模块(2)根据公式计算温度补偿值T′t和湿度补偿值H′t，其中Tt-1表示上一个采集时间t-1内的温度检测值，Ht-1表示上一个采集时间t-1内的湿度检测值，e表示自然常数，τ表示时间常数；
步骤三、计算PM10浓度补偿值：计算模块(2)根据公式C′10-t＝C10-t+aT′t-b(Wt)c计算PM10浓度补偿值C′10-t，其中a、b和c均为通过系数输入模块(12)输入的补偿系数；
步骤四、计算PM2.5浓度补偿值：计算模块(2)根据公式计算PM2.5浓度补偿值C′2.5-t；
步骤五、计算大气能见度：计算模块(2)根据公式计算大气能见度Vt，其中n、m、q、r、f、j、g和k均为通过系数输入模块(12)输入的常数；
步骤六、选择照明方式：计算模块(2)将计算得到的大气能见度Vt发送给比较模块(1)，比较模块(1)对大气能见度Vt、通过第一阈值输入模块(6)输入的第一大气能见度阈值和通过第二阈值输入模块(7)输入的第二大气能见度阈值进行比较，若进入步骤701；若进入步骤702；若进入步骤703；
步骤七、照明执行：
步骤701、微控制器(1)同时发送脉冲信号给大功率照明驱动模块(8)和小功率照明驱动模块(9)，小功率照明驱动模块(9)驱动小功率LED照明灯，大功率照明驱动模块(8)驱动大功率LED照明灯；
步骤702、微控制器(1)发送脉冲信号给大功率照明驱动模块(8)，大功率照明驱动模块(8)驱动大功率LED照明灯；
步骤703、微控制器(1)发送脉冲信号给小功率照明驱动模块(9)，小功率照明驱动模块(9)驱动小功率LED照明灯。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：所述采集时间t不大于一分钟。
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