智能化路燈控制器

何澎瑩

摘 要：路燈是我們每天生活中都要接觸到的，也是社會(huì)發(fā)展和城市建設(shè)不可或缺的用電設(shè)備。在人口數(shù)量不斷加劇的今天，資源短缺、能源危機(jī)已經(jīng)成為全球面臨的重大危機(jī)，受到了世界各國(guó)的普遍關(guān)注。近些年，我國(guó)的用電需求呈逐年上升趨勢(shì)，形勢(shì)不容樂(lè)觀(guān)，尤其是在城市亮化高速發(fā)展的進(jìn)程中，景觀(guān)照明更是耗費(fèi)掉了巨大的電力資源。由此可見(jiàn)，未來(lái)節(jié)約用電刻不容緩，勢(shì)在必行。智能化路燈控制器是通過(guò)節(jié)能裝置對(duì)路燈進(jìn)行有效控制，來(lái)達(dá)到降低電耗的功效。目前，市場(chǎng)上現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些路燈控制器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便、易于操作，但節(jié)能效果并不明顯。我們的涉及正是基于目前市場(chǎng)上同類(lèi)產(chǎn)品所存在的一些不節(jié)能這一問(wèn)題展開(kāi)的構(gòu)思，通過(guò)由光敏電阻和熱釋電人體傳感器完成信號(hào)檢測(cè)，Arduino控制板完成控制，繼電器輸出完成輸出執(zhí)行，最終實(shí)現(xiàn)路燈的自動(dòng)控制與有效節(jié)電。本設(shè)計(jì)構(gòu)思具備路燈改造簡(jiǎn)單、節(jié)能、環(huán)保、高效等特點(diǎn)，從所具有的便捷性、結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)單性上看，可以大大減少人力的付出與能源的浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：智能；環(huán)保；控制器；單片機(jī)；電路

一、課題由來(lái)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐的加快與城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，造成城區(qū)居住人口數(shù)量不斷加劇的同時(shí)，也給城市的照明帶來(lái)了一定的壓力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市亮化工程的耗電占到了我國(guó)整個(gè)照明耗電的30%左右，但城市亮化工程多以低效照明為主，而城鎮(zhèn)是由一個(gè)個(gè)社區(qū)所組成。如果能夠減少這部分的用電量，將會(huì)很大程度上減少煤炭資源的浪費(fèi)以及減輕環(huán)境的污染。

針對(duì)這樣一種現(xiàn)狀，我便產(chǎn)生了要設(shè)計(jì)一個(gè)控制器來(lái)有效調(diào)控路燈用電量的想法，并根據(jù)這種思路開(kāi)始通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和圖書(shū)館等途徑查閱資料，希望能將自己的這個(gè)想法付諸于實(shí)踐。在查閱大量相關(guān)資料的同時(shí)，我還請(qǐng)教了河北工程大學(xué)、邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院的一些專(zhuān)業(yè)老師，并在邯鄲市一中老師的指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)努力的付出終于構(gòu)思出了這樣一個(gè)社區(qū)環(huán)保衛(wèi)士——智能路燈控制器，讓路燈做到人來(lái)的時(shí)候開(kāi)啟、人走過(guò)的時(shí)候關(guān)閉，可以設(shè)置其工作模式。

我的設(shè)計(jì)基于從小事做起、從細(xì)微處入手，認(rèn)真對(duì)生活中的事物進(jìn)行觀(guān)察和思考的結(jié)果，正是通過(guò)有效控制路燈的關(guān)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)電的目標(biāo)，從而達(dá)到保護(hù)資源、節(jié)省能源、保護(hù)環(huán)境的效果。

利用假期，我對(duì)邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園路燈使用做了一個(gè)了解調(diào)查，按照每天18時(shí)開(kāi)燈、次日5點(diǎn)關(guān)閉的時(shí)段進(jìn)行計(jì)算，每天路燈亮的時(shí)間11小時(shí)，路燈功率100W，個(gè)數(shù)300個(gè)，每天用電330度，一年用電120450度。

根據(jù)實(shí)際調(diào)查，學(xué)生每天流量高峰期在18時(shí)至20時(shí)，20時(shí)至23時(shí)學(xué)生流量只有高峰期的30%，23時(shí)以后學(xué)生流量基本為零，有學(xué)生流量的用電量占整個(gè)用電量的30%左右。使用我們的產(chǎn)品后，用電量節(jié)省可達(dá)70%，折合成實(shí)際電量約84315度。

二、設(shè)計(jì)理念

本設(shè)計(jì)是利用單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)，在開(kāi)源電子原型平臺(tái)Arduino上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，基本解決了目前市場(chǎng)上同類(lèi)產(chǎn)品所存在的一些不節(jié)能等問(wèn)題，而且還具備路燈改造簡(jiǎn)單、節(jié)能、環(huán)保、高效等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)通過(guò)由光敏電阻和熱釋電人體傳感器完成信號(hào)檢測(cè)，Arduino控制板完成控制，繼電器輸出完成輸出執(zhí)行，最終實(shí)現(xiàn)路燈的自動(dòng)控制。從本設(shè)計(jì)所具有的便捷性、結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)單性上看，這樣可以從很大程度上減少人力的付出與能源的浪費(fèi)。

三、產(chǎn)品設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)思路

本產(chǎn)品主要器件是熱釋電人體傳感器，此器件功能是在以器件為中心的一定范圍內(nèi)（范圍可調(diào)控），有人體活動(dòng)時(shí)輸出高電平。將輸出與LED小燈泡連接，使小燈泡發(fā)光。（一個(gè)小燈泡可以連接多個(gè)傳感器并采用‘與連接，效果為：只要有一個(gè)傳感器有感應(yīng)小燈泡就會(huì)亮。）

本設(shè)計(jì)的智能路燈電路由三部分組成：光電變換電路、Arduino控制板和單片機(jī)驅(qū)動(dòng)路燈電路，其基本的原理框圖如圖所示。

基本思想是采用光電傳感器和熱釋電人體傳感器將獲得的光信號(hào)和人體信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再將電信號(hào)與Arduino控制板中預(yù)先設(shè)定好的電信號(hào)進(jìn)行比較，由信號(hào)鑒幅電路的輸出控制路燈驅(qū)動(dòng)電路，由路燈驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制路燈的點(diǎn)亮與熄滅。如果信號(hào)鑒幅電路輸出高電平，驅(qū)動(dòng)電路將驅(qū)動(dòng)路燈點(diǎn)亮，反之路燈熄滅。路燈驅(qū)動(dòng)電路的核心元件是Arduino，用Arduino的輸入來(lái)控制它的輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈亮、滅的控制。

（二）光控路燈電路的器件選擇

光控路燈電路器件選擇達(dá)到的兩個(gè)目的：1）精確性：要求在一定的光照強(qiáng)度下，路燈能夠準(zhǔn)確的點(diǎn)亮或熄滅。2）穩(wěn)定性：要求路燈的亮滅狀態(tài)不易受到外界偶然光照變化的影響，避免路燈頻繁的點(diǎn)亮和熄滅。

電路部分主要包括：光電變換電路、Arduino控制板和路燈驅(qū)動(dòng)電路。設(shè)計(jì)中，光電變換電路、Arduino控制板、路燈驅(qū)動(dòng)電路三者的核心元件分別是光敏電阻CdS、熱釋電人體傳感器、Arduino uno r3 和繼電器輸出模塊。

（三）光電檢測(cè)傳感器

在設(shè)計(jì)中使用光敏電阻和熱釋電人體傳感器作為傳感器件對(duì)外界信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，主要是利用了光敏電阻在光線(xiàn)的作用下其阻值往往變小的這種光導(dǎo)效應(yīng)現(xiàn)象，以及采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。光電檢測(cè)電路將檢測(cè)到的信號(hào)以高低電平的形式傳送給單片機(jī)，從而完成整個(gè)光電檢測(cè)的過(guò)程。

（四）Arduino控制板

在整個(gè)系統(tǒng)中，Arduino控制電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對(duì)光電檢測(cè)電路采集到的信號(hào)進(jìn)行處理和加工，并按照之前設(shè)定好的指令進(jìn)行執(zhí)行、運(yùn)算，并將結(jié)果傳送給相應(yīng)的執(zhí)行電路。

（五）繼電器執(zhí)行部分

繼電器執(zhí)行電路在系統(tǒng)中充當(dāng)執(zhí)行任務(wù)，對(duì)Arduino發(fā)出的指令進(jìn)行響應(yīng)，完成相應(yīng)的操作。

Arduino通過(guò)將光電檢測(cè)電路傳送的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、處理之后將輸出信號(hào)送給執(zhí)行電路，繼電器執(zhí)行電路將對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制。

在設(shè)計(jì)中為了能夠更好的模擬并實(shí)現(xiàn)光控路燈控制系統(tǒng)的要求，選用繼電器作為執(zhí)行電路有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1）能夠?qū)⒌碗妷旱碾娮与娐沸盘?hào)轉(zhuǎn)換為高電壓電氣電路信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電子電路到電氣電路的控制，與實(shí)際應(yīng)用相符；

2）使得整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加趨了于完善，對(duì)于相關(guān)的設(shè)計(jì)預(yù)期能夠最大程度的體現(xiàn)出來(lái)。

（六）軟件程序設(shè)計(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)的I/O接口的控制，智能光控路燈主要通過(guò)光控電路對(duì)光的感應(yīng)以達(dá)到輸出端口的控制，在黑暗時(shí)光控部分輸出高電平，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部程序的控制以光控輸出高電平為準(zhǔn)，給輸出端口定義低電平，路燈是以低電平有效，當(dāng)單片機(jī)輸出端達(dá)到低電平時(shí)路燈亮。

1）定義兩個(gè)人體傳感器以及LED燈的IO口分別為pin1，pin2，LED。

2）初始化IO口，pin1，pin2為輸入接口。LED為輸出接口。 打開(kāi)串口，設(shè)置波特率為9600

3）loop 主循環(huán)，讀取兩個(gè)人體傳感器感應(yīng)到的狀態(tài)，1為有人，0為無(wú)人，延遲0.1秒，只要兩個(gè)人體傳感器中有一個(gè)感應(yīng)到有人，LED燈就會(huì)發(fā)光，并且串口會(huì)輸出1。當(dāng)兩個(gè)人體傳感器都沒(méi)有感應(yīng)到有人活動(dòng)，LED不發(fā)光，串口會(huì)輸出0。

（七）安裝調(diào)試

在硬件電路的實(shí)際連接過(guò)程中，電路連接如下：傳感器VDD口（引腳面對(duì)自己的三個(gè)引腳的最右的引腳）連接5V電源vcc口，傳感器GND口（最左端）連接板子的GND口，傳感器SIG口（中間的引腳）連接板子的IO口（本程序編寫(xiě)時(shí)用的是7口和12口），小燈泡正極連接13 IO口，負(fù)極接到板子的GND口（端口不夠可用導(dǎo)線(xiàn)引出多個(gè)）。

通過(guò)對(duì)智能路燈的硬件調(diào)試及軟件調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)路燈電路的智能控制和精確控制，達(dá)到了我們的預(yù)期目標(biāo)。

四、模型中未完成的部分

為了能夠使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)之初的預(yù)期效果，在軟件設(shè)計(jì)中未完成的部分：在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，使用光敏電阻進(jìn)行外界光線(xiàn)檢測(cè)，對(duì)于外界的光線(xiàn)變化可以及時(shí)的做出相應(yīng)的動(dòng)作。但這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)也存在一定的問(wèn)題，外界光線(xiàn)環(huán)境有些時(shí)候變化莫測(cè)，在雷雨天氣時(shí)，由于閃電、打雷等自然原因，外界的光線(xiàn)變化頻繁且明顯，光電檢測(cè)電路檢測(cè)到信號(hào)后將其傳送給Arduino進(jìn)行處理，Arduino如果只對(duì)端口電平不加以判斷就進(jìn)行處理的話(huà)，可能會(huì)引起路燈的忽明忽滅，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故應(yīng)在以后的程序設(shè)計(jì)上解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)光電檢測(cè)電路傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析處理，對(duì)此端口電平變化進(jìn)行演示操作，可以避免此類(lèi)現(xiàn)象發(fā)生，防止打雷閃電等自然現(xiàn)象對(duì)路燈控制的干擾，最終達(dá)到實(shí)用的目的。

五、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

此產(chǎn)品的創(chuàng)新之處在于采用了Arduino 板作為控制電路的核心元件，可以靈活的驅(qū)動(dòng)路燈，電路簡(jiǎn)單，易于調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了路燈精確地點(diǎn)亮或熄滅；而且傳感檢測(cè)部分采用了人體檢測(cè)和光線(xiàn)檢測(cè)相結(jié)合的檢測(cè)方式，對(duì)控制效果大大的提高，既能保證節(jié)能高效又能滿(mǎn)足人們對(duì)路燈的各種要求。根據(jù)之前的搜索情況來(lái)看本產(chǎn)品所采用的這種路燈控制方式屬于同類(lèi)產(chǎn)品中路燈改造較為簡(jiǎn)單、節(jié)能、高效等特點(diǎn)的其中的一種，而且成本比市場(chǎng)上同類(lèi)產(chǎn)品低很多，控制效果跟同類(lèi)產(chǎn)品基本相同。

六、項(xiàng)目的實(shí)用性與前景展望

上世紀(jì)90年代，智能化照明行業(yè)進(jìn)入了中國(guó)市場(chǎng)，受市場(chǎng)的消費(fèi)意識(shí)、市場(chǎng)環(huán)境以及產(chǎn)品價(jià)格、推廣力度等因素的制約，始終處于一種較為緩慢的發(fā)展態(tài)勢(shì)。近些年，隨著城市化進(jìn)程的加速，人口數(shù)量加劇，用電需求逐年上升，智能照明將越來(lái)越受到更多人的關(guān)注與認(rèn)可，亦將成為照明行業(yè)的下一個(gè)“風(fēng)口”。

當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整、企業(yè)轉(zhuǎn)型逐步深入推進(jìn)，將會(huì)由更多傳統(tǒng)企業(yè)和新型公司進(jìn)入智能化照明領(lǐng)域，并開(kāi)始不斷探索與布局智能化照明及控制系統(tǒng)等產(chǎn)業(yè)。未來(lái)五到十年，智能化照明將成為整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“風(fēng)向標(biāo)”和城市建設(shè)中一道靚麗風(fēng)景線(xiàn)。

結(jié)合我校教室的燈光照明情況，我發(fā)現(xiàn)我們教室包括我們年級(jí)有些班級(jí)的教室都不同程度的存在沒(méi)有學(xué)生了，燈管還在使用的情況，這樣就造成資源浪費(fèi)，也會(huì)給班級(jí)管理工作帶來(lái)一些困難。該項(xiàng)目的實(shí)施和改造能夠有效解決和避免此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生。

同時(shí)，本設(shè)計(jì)產(chǎn)品可以增加可變電阻達(dá)到對(duì)亮度進(jìn)行調(diào)整的功效，也可以通過(guò)增加報(bào)警器來(lái)拓展至防盜方面的應(yīng)用。

七、活動(dòng)感受

通過(guò)這次參加第32屆科技創(chuàng)新比賽，我的思考能力相比較原來(lái)又有了新的提高。在對(duì)自己設(shè)計(jì)的這個(gè)智能化路燈控制器不斷改進(jìn)的過(guò)程中，通過(guò)查詢(xún)并閱讀大量的材料以及就相關(guān)問(wèn)題咨詢(xún)不同的人以后，使得原本不夠的初稿設(shè)計(jì)方案不斷完善成了現(xiàn)在這個(gè)相對(duì)成熟的方案。在這個(gè)不斷地學(xué)習(xí)的過(guò)程中，我得到了大量的知識(shí)并對(duì)它們都有了我原來(lái)不曾擁有的理解，同時(shí)也讓我深深感嘆于知識(shí)的海洋的廣闊性。在學(xué)習(xí)中，通過(guò)仔細(xì)閱讀大量的論文與介紹，激發(fā)了我對(duì)科學(xué)的興趣，讓我迸發(fā)了強(qiáng)烈的求知欲，這讓我獲益匪淺。

同時(shí)，我會(huì)把自己的興趣始終保持在科學(xué)創(chuàng)新上，多觀(guān)察、多思考身邊所發(fā)生的一些小事，力求激發(fā)出更多新穎的靈感，為祖國(guó)的科學(xué)事業(yè)貢獻(xiàn)一份微薄之力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃冬來(lái)，馮海清，石強(qiáng).城市路燈照明節(jié)能措施的研究與探討.2008，9.

[2] 胡開(kāi)明，李躍忠，盧偉華.智能路燈節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).2011，9.

[3] 衛(wèi)麗.一種新型的可控硅觸發(fā)電路.2010，4.

[4] 郭培源，付揚(yáng).光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用.2008，1.

[5] 李加升，夏建清.基于光敏器件的光控電路分析.中國(guó)科技信息，2005（14）.

[6] 付家才.單片機(jī)控制工程實(shí)踐技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，2012，5.

[7] Vizimuller. P. RF designs guide-systems， circuits， and equationsR. Dye.” Visual Object -Orientaed Programming，”Dr.Dobbs Macintosh Journal，Sept，1st，2001.

（輔導(dǎo)教師：馬建輝）