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，也是社會發展和城市建設不可或缺的用電設備。在人口數量不斷加劇的今天，資源短缺、能源危機已經成為全球面臨的重大危機，受到了世界各國的普遍關注。近些年，我國的用電需求呈逐年上升趨勢，形勢不容樂觀，尤其是在城市亮化高速發展的進程中，景觀照明更是耗費掉了巨大的電力資源。由此可見，未來節約用電刻不容緩，勢在必行。智能化路燈控制器是通過節能裝置對路燈進行有效控制，來達到降低電耗的功效。目前，市場上現在已經出現了一些路燈控制器，結構簡單、拆裝方便、易于操作，但節能效果并不明顯。我們的涉及正是基于目前市場上同類產品所存在的一些不節能這一問題展開的構思，通過由光敏電阻和熱釋電人體傳感器完成信號檢測，Arduino控制板完成控制，繼電器輸出完成輸出執行，最終實現路燈的自動控制與有效節電。本設計構思具備路燈改造簡單、節能、環保、高效等特點，從所具有的便捷性、結構上的簡單性上看，可以大大減少人力的付出與能源的浪費。

關鍵詞：智能；環保；控制器；單片機；電路

一、課題由來

隨著我國經濟發展步伐的加快與城鎮化的不斷推進，造成城區居住人口數量不斷加劇的同時，也給城市的照明帶來了一定的壓力。據統計，城市亮化工程的耗電占到了我國整個照明耗電的30%左右，但城市亮化工程多以低效照明為主，而城鎮是由一個個社區所組成。如果能夠減少這部分的用電量，將會很大程度上減少煤炭資源的浪費以及減輕環境的污染。

針對這樣一種現狀，我便產生了要設計一個控制器來有效調控路燈用電量的想法，并根據這種思路開始通過網絡和圖書館等途徑查閱資料，希望能將自己的這個想法付諸于實踐。在查閱大量相關資料的同時，我還請教了河北工程大學、邯鄲職業技術學院的一些專業老師，并在邯鄲市一中老師的指導下，經過努力的付出終于構思出了這樣一個社區環保衛士——智能路燈控制器，讓路燈做到人來的時候開啟、人走過的時候關閉，可以設置其工作模式。

我的設計基于從小事做起、從細微處入手，認真對生活中的事物進行觀察和思考的結果，正是通過有效控制路燈的關閉來實現節電的目標，從而達到保護資源、節省能源、保護環境的效果。

利用假期，我對邯鄲職業技術學院校園路燈使用做了一個了解調查，按照每天18時開燈、次日5點關閉的時段進行計算，每天路燈亮的時間11小時，路燈功率100W，個數300個，每天用電330度，一年用電120450度。

根據實際調查，學生每天流量高峰期在18時至20時，20時至23時學生流量只有高峰期的30%，23時以后學生流量基本為零，有學生流量的用電量占整個用電量的30%左右。使用我們的產品后，用電量節省可達70%，折合成實際電量約84315度。

二、設計理念

本設計是利用單片機技術和傳感器技術，在開源電子原型平臺Arduino上設計開發的，基本解決了目前市場上同類產品所存在的一些不節能等問題，而且還具備路燈改造簡單、節能、環保、高效等特點。本設計通過由光敏電阻和熱釋電人體傳感器完成信號檢測，Arduino控制板完成控制，繼電器輸出完成輸出執行，最終實現路燈的自動控制。從本設計所具有的便捷性、結構上的簡單性上看，這樣可以從很大程度上減少人力的付出與能源的浪費。

三、產品設計

（一）設計思路

本產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（范圍可調控），有人體活動時輸出高電平。將輸出與LED小燈泡連接，使小燈泡發光。（一個小燈泡可以連接多個傳感器并采用‘與連接，效果為：只要有一個傳感器有感應小燈泡就會亮。）

本設計的智能路燈電路由三部分組成：光電變換電路、Arduino控制板和單片機驅動路燈電路，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和人體信號轉換為電信號，再將電信號與Arduino控制板中預先設定好的電信號進行比較，由信號鑒幅電路的輸出控制路燈驅動電路，由路燈驅動電路來控制路燈的點亮與熄滅。如果信號鑒幅電路輸出高電平，驅動電路將驅動路燈點亮，反之路燈熄滅。路燈驅動電路的核心元件是Arduino，用Arduino的輸入來控制它的輸出，進而實現對路燈亮、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到的兩個目的：1）精確性：要求在一定的光照強度下，路燈能夠準確的點亮或熄滅。2）穩定性：要求路燈的亮滅狀態不易受到外界偶然光照變化的影響，避免路燈頻繁的點亮和熄滅。

電路部分主要包括：光電變換電路、Arduino控制板和路燈驅動電路。設計中，光電變換電路、Arduino控制板、路燈驅動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）光電檢測傳感器

在設計中使用光敏電阻和熱釋電人體傳感器作為傳感器件對外界信號進行檢測，主要是利用了光敏電阻在光線的作用下其阻值往往變小的這種光導效應現象，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生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續電路經檢測處理后就能產生報警信號。光電檢測電路將檢測到的信號以高低電平的形式傳送給單片機，從而完成整個光電檢測的過程。

（四）Arduino控制板

在整個系統中，Arduino控制電路是整個系統的核心，負責對光電檢測電路采集到的信號進行處理和加工，并按照之前設定好的指令進行執行、運算，并將結果傳送給相應的執行電路。

（五）繼電器執行部分

繼電器執行電路在系統中充當執行任務，對Arduino發出的指令進行響應，完成相應的操作。

Arduino通過將光電檢測電路傳送的信號進行運算、處理之后將輸出信號送給執行電路，繼電器執行電路將對外部設備進行控制。

在設計中為了能夠更好的模擬并實現光控路燈控制系統的要求，選用繼電器作為執行電路有以下幾點優勢：

1）能夠將低電壓的電子電路信號轉換為高電壓電氣電路信號，實現電子電路到電氣電路的控制，與實際應用相符；

2）使得整個系統的設計更加趨了于完善，對于相關的設計預期能夠最大程度的體現出來。

（六）軟件程序設計

軟件程序設計對單片機的I/O接口的控制，智能光控路燈主要通過光控電路對光的感應以達到輸出端口的控制，在黑暗時光控部分輸出高電平，通過單片機內部程序的控制以光控輸出高電平為準，給輸出端口定義低電平，路燈是以低電平有效，當單片機輸出端達到低電平時路燈亮。

1）定義兩個人體傳感器以及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。 打開串口，設置波特率為9600

3）loop 主循環，讀取兩個人體傳感器感應到的狀態，1為有人，0為無人，延遲0.1秒，只要兩個人體傳感器中有一個感應到有人，LED燈就會發光，并且串口會輸出1。當兩個人體傳感器都沒有感應到有人活動，LED不發光，串口會輸出0。

（七）安裝調試

在硬件電路的實際連接過程中，電路連接如下：傳感器VDD口（引腳面對自己的三個引腳的最右的引腳）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（本程序編寫時用的是7口和12口），小燈泡正極連接13 IO口，負極接到板子的GND口（端口不夠可用導線引出多個）。

通過對智能路燈的硬件調試及軟件調試，實現了開關路燈電路的智能控制和精確控制，達到了我們的預期目標。

四、模型中未完成的部分

為了能夠使系統達到設計之初的預期效果，在軟件設計中未完成的部分：在整個系統的設計中，使用光敏電阻進行外界光線檢測，對于外界的光線變化可以及時的做出相應的動作。但這樣的系統設計也存在一定的問題，外界光線環境有些時候變化莫測，在雷雨天氣時，由于閃電、打雷等自然原因，外界的光線變化頻繁且明顯，光電檢測電路檢測到信號后將其傳送給Arduino進行處理，Arduino如果只對端口電平不加以判斷就進行處理的話，可能會引起路燈的忽明忽滅，影響了系統的穩定性，故應在以后的程序設計上解決這個問題，對光電檢測電路傳送過來的信號進行分析處理，對此端口電平變化進行演示操作，可以避免此類現象發生，防止打雷閃電等自然現象對路燈控制的干擾，最終達到實用的目的。

五、項目創新點

此產品的創新之處在于采用了Arduino 板作為控制電路的核心元件，可以靈活的驅動路燈，電路簡單，易于調試，實現了路燈精確地點亮或熄滅；而且傳感檢測部分采用了人體檢測和光線檢測相結合的檢測方式，對控制效果大大的提高，既能保證節能高效又能滿足人們對路燈的各種要求。根據之前的搜索情況來看本產品所采用的這種路燈控制方式屬于同類產品中路燈改造較為簡單、節能、高效等特點的其中的一種，而且成本比市場上同類產品低很多，控制效果跟同類產品基本相同。

六、項目的實用性與前景展望

上世紀90年代，智能化照明行業進入了中國市場，受市場的消費意識、市場環境以及產品價格、推廣力度等因素的制約，始終處于一種較為緩慢的發展態勢。近些年，隨著城市化進程的加速，人口數量加劇，用電需求逐年上升，智能照明將越來越受到更多人的關注與認可，亦將成為照明行業的下一個“風口”。

當前，經濟結構調整、企業轉型逐步深入推進，將會由更多傳統企業和新型公司進入智能化照明領域，并開始不斷探索與布局智能化照明及控制系統等產業。未來五到十年，智能化照明將成為整個產業發展的“風向標”和城市建設中一道靚麗風景線。

結合我校教室的燈光照明情況，我發現我們教室包括我們年級有些班級的教室都不同程度的存在沒有學生了，燈管還在使用的情況，這樣就造成資源浪費，也會給班級管理工作帶來一些困難。該項目的實施和改造能夠有效解決和避免此類問題的發生。

同時，本設計產品可以增加可變電阻達到對亮度進行調整的功效，也可以通過增加報警器來拓展至防盜方面的應用。

七、活動感受

通過這次參加第32屆科技創新比賽，我的思考能力相比較原來又有了新的提高。在對自己設計的這個智能化路燈控制器不斷改進的過程中，通過查詢并閱讀大量的材料以及就相關問題咨詢不同的人以后，使得原本不夠的初稿設計方案不斷完善成了現在這個相對成熟的方案。在這個不斷地學習的過程中，我得到了大量的知識并對它們都有了我原來不曾擁有的理解，同時也讓我深深感嘆于知識的海洋的廣闊性。在學習中，通過仔細閱讀大量的論文與介紹，激發了我對科學的興趣，讓我迸發了強烈的求知欲，這讓我獲益匪淺。

同時，我會把自己的興趣始終保持在科學創新上，多觀察、多思考身邊所發生的一些小事，力求激發出更多新穎的靈感，為祖國的科學事業貢獻一份微薄之力。

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（輔導教師：馬建輝）