智能路燈控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

李俊林

河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191

0 引言

如今，考慮到氣候的變化，人口的增加，氣體的排放和不斷消耗的自然資源，減少電力的消耗是個(gè)非常重要的工程[1-3]。工業(yè)或城市中的路燈系統(tǒng)越來(lái)越多，這些系統(tǒng)都是為了管理和減少能源消耗，以保護(hù)能源。街道照明是電力消耗的主要部分，由于管理的問(wèn)題，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)路燈在白天是開(kāi)啟的，浪費(fèi)了寶貴的電力，同時(shí)也減少了燈具的使用壽命。智能控制路燈系統(tǒng)的目的是減少電力資源的浪費(fèi)，還可以降低人力成本。城市路燈消耗了大量的電力，而通過(guò)使用智能路燈控制系統(tǒng)，可以有效減少電力消耗。

1 系統(tǒng)概況

路燈是城市的重要組成部分，為道路和公共區(qū)域提供了夜間視線，但其耗電量較大。為了解決這一問(wèn)題，達(dá)到節(jié)能減排的目的，需要采用路燈控制系統(tǒng)。同時(shí)，通過(guò)采用Arduino，一旦路燈出現(xiàn)故障，可以及時(shí)向電力部門發(fā)出警報(bào)信息，以便及時(shí)處理故障[4-5]。LDR傳感元件是作為路燈的重要組成部分，可以區(qū)分步行者和機(jī)動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)。LDR可以識(shí)別周圍的日光區(qū)域，在白天控制路燈關(guān)閉，從而減少了人工開(kāi)關(guān)路燈的問(wèn)題。通過(guò)PIR傳感器識(shí)別任何物體的移動(dòng)，從而命令微控制器控制路燈以100%的強(qiáng)度發(fā)光，而在街道上沒(méi)有任何移動(dòng)的情況下，則命令微控制器以其最大強(qiáng)度的1/4發(fā)光。要想實(shí)現(xiàn)以上功能，需要通過(guò)Arduino來(lái)調(diào)節(jié)所有的命令[6]。

2 整體框架設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 Arduino

Arduino是一塊可編程的電路板，包含可重復(fù)編程的閃存ATmega328控制器，并內(nèi)置了振蕩器，可以使用Arduino IDE將程序?qū)懭氩⑤斎階rduino控制器。同時(shí)，該電路板包括14個(gè)輸入和數(shù)字引腳，編號(hào)為0～13，其中有6個(gè)脈寬調(diào)制（PWM）引腳用（～）符號(hào)表示。PWM引腳用于調(diào)節(jié)項(xiàng)目中使用的傳感器的電壓。該電路板提供了6個(gè)模擬輸入引腳，編號(hào)為A0～A5，用于讀取傳感器的值。其電源通過(guò)USB提供，電壓為5 V或通過(guò)適配器提供，電壓范圍在7～20 V之間。

3.2 LDR

LDR的電阻值取決于照射到它身上的光強(qiáng)度，傳感器所提供的電阻值隨著光強(qiáng)度的變化而變化，電阻值隨著光強(qiáng)度的增加和減少分別減少和增加，即電阻與光照強(qiáng)度成反比。因此，可以將該傳感器面向太陽(yáng)，通過(guò)來(lái)自太陽(yáng)的光強(qiáng)度計(jì)算出晝夜。除了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)路燈，使用這種LDR傳感器的可靠性和成本效益高，作為一種無(wú)源傳感器，不需要電源，節(jié)省了電力。

3.3 PIR

PIR傳感器用于檢測(cè)來(lái)自溫暖物體的紅外波動(dòng)，是一個(gè)無(wú)源設(shè)備，由晶體材料組成，當(dāng)檢測(cè)到人或某些動(dòng)物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，其兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，導(dǎo)致其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)PIR傳感器感知物體的運(yùn)動(dòng)、溫度的變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度。為了只對(duì)人體的紅外輻射敏感，在其輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅耳鏡片，使環(huán)境干擾受到明顯的抑制。

3.4 濕度傳感器

濕度傳感器主要用來(lái)測(cè)量設(shè)備的濕度值。濕度值一般由溫度、壓力、質(zhì)量、電阻率等進(jìn)行計(jì)算。該系統(tǒng)采用DHT11電容式濕度傳感器，其工作電壓為3.5～5.5 V，工作電流為0.3 mA。根據(jù)不同的濕度數(shù)值水平，燈光就會(huì)相應(yīng)地發(fā)揮作用。

3.5 RTC

實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）記錄、管理路燈開(kāi)啟與關(guān)閉的時(shí)間。RTC有一個(gè)內(nèi)置的3 V鋰電池，因此即使在斷電時(shí)也能提供準(zhǔn)確的時(shí)間，可以作為自動(dòng)路燈的一個(gè)備份功能。

3.6 GSM

GSM模塊主要用于系統(tǒng)的移動(dòng)通信。SIM900集成SIMCOM公司的工業(yè)級(jí)雙頻GSM/GPRS模塊，SIM900模塊用于通知電力部門路燈的損壞情況。任何網(wǎng)絡(luò)SIM卡都可以用在GSM調(diào)制解調(diào)器上進(jìn)行通信。與GSM和Arduino互動(dòng)的命令是AT命令。該模塊的工作電壓為12 V。在串行通信中，Arduino的RX和TX可以與GSM的TX和RX一起使用。

3.7 太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池是根據(jù)光伏效應(yīng)的原理制造的，主要用于將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能，具有一定的環(huán)保性。太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的是直流電源。太陽(yáng)能電池板在白天為電池充電，從而為路燈提供電能。

4 系統(tǒng)工作方式

光強(qiáng)度隨時(shí)間長(zhǎng)短的變化如表1所示。

表1 光強(qiáng)度隨時(shí)間長(zhǎng)短的變化

案例一：當(dāng)時(shí)間是高峰期（18：00～22：00）時(shí)，路燈為白光，以100%的效率發(fā)光。

案例二：當(dāng)高峰期過(guò)后（22：00～次日6：00），并且沒(méi)有檢測(cè)到任何運(yùn)動(dòng)的物體的情況下，白燈將以40%的效率發(fā)光。

案例三：當(dāng)環(huán)境處于霧氣狀態(tài)時(shí)（22：00～次日6：00），黃燈會(huì)以100%的效率發(fā)光。

案例四：在高峰期（22：00～次日6：00）后，而且沒(méi)有探測(cè)到任何物體的情況下，黃燈會(huì)以40%的效率發(fā)光。

案例五：如果路燈在任何時(shí)間內(nèi)被損壞，系統(tǒng)將通過(guò)GSM模塊發(fā)送一個(gè)警報(bào)信息至電力部門，以便及時(shí)維修。

5 結(jié)論

文章闡述了設(shè)計(jì)的路燈管理框架結(jié)構(gòu)和硬件系統(tǒng)，提出路燈電路的過(guò)程控制。在框架結(jié)構(gòu)中，控制器可以使用Arduino板卡發(fā)送、識(shí)別、執(zhí)行命令，使電路可以按照實(shí)際系統(tǒng)的指示完成相關(guān)工作。LDR、PIR、RTC等傳感器的使用，可以實(shí)現(xiàn)路燈控制的自動(dòng)化和智能化，滿足路燈在不同環(huán)境中的使用。在實(shí)際的應(yīng)用中，將路燈的照明情況分為5個(gè)方面，根據(jù)不同的光強(qiáng)度、是否存在移動(dòng)的物體等條件，將發(fā)出不同類型的光、不同強(qiáng)度的光。此外，路燈控制系統(tǒng)可以利用定時(shí)器控制路燈的開(kāi)、關(guān)時(shí)間，并且當(dāng)路燈存在照明故障時(shí)，會(huì)通過(guò)GSM模塊告知電力部門，省去了人為排查的時(shí)間。