智能路燈控制系統硬件設計

李俊林

河南工業貿易職業學院信息工程學院，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非常重要的工程[1-3]。工業或城市中的路燈系統越來越多，這些系統都是為了管理和減少能源消耗，以保護能源。街道照明是電力消耗的主要部分，由于管理的問題，經常發現路燈在白天是開啟的，浪費了寶貴的電力，同時也減少了燈具的使用壽命。智能控制路燈系統的目的是減少電力資源的浪費，還可以降低人力成本。城市路燈消耗了大量的電力，而通過使用智能路燈控制系統，可以有效減少電力消耗。

1 系統概況

路燈是城市的重要組成部分，為道路和公共區域提供了夜間視線，但其耗電量較大。為了解決這一問題，達到節能減排的目的，需要采用路燈控制系統。同時，通過采用Arduino，一旦路燈出現故障，可以及時向電力部門發出警報信息，以便及時處理故障[4-5]。LDR傳感元件是作為路燈的重要組成部分，可以區分步行者和機動車的運動。LDR可以識別周圍的日光區域，在白天控制路燈關閉，從而減少了人工開關路燈的問題。通過PIR傳感器識別任何物體的移動，從而命令微控制器控制路燈以100%的強度發光，而在街道上沒有任何移動的情況下，則命令微控制器以其最大強度的1/4發光。要想實現以上功能，需要通過Arduino來調節所有的命令[6]。

2 整體框架設計

控制系統整體框架如圖1所示。

圖1 系統框架圖

3 硬件設計

3.1 Arduino

Arduino是一塊可編程的電路板，包含可重復編程的閃存ATmega328控制器，并內置了振蕩器，可以使用Arduino IDE將程序寫入并輸入Arduino控制器。同時，該電路板包括14個輸入和數字引腳，編號為0～13，其中有6個脈寬調制（PWM）引腳用（～）符號表示。PWM引腳用于調節項目中使用的傳感器的電壓。該電路板提供了6個模擬輸入引腳，編號為A0～A5，用于讀取傳感器的值。其電源通過USB提供，電壓為5 V或通過適配器提供，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度，傳感器所提供的電阻值隨著光強度的變化而變化，電阻值隨著光強度的增加和減少分別減少和增加，即電阻與光照強度成反比。因此，可以將該傳感器面向太陽，通過來自太陽的光強度計算出晝夜。除了實現自動開關路燈，使用這種LDR傳感器的可靠性和成本效益高，作為一種無源傳感器，不需要電源，節省了電力。

3.3 PIR

PIR傳感器用于檢測來自溫暖物體的紅外波動，是一個無源設備，由晶體材料組成，當檢測到人或某些動物發射的紅外線并轉換成電信號輸出。當一些晶體受熱時，其兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷，晶體自發極化所產生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，導致其自發極化電矩不能表現出來。當PIR傳感器感知物體的運動、溫度的變化時，晶體結構中的正負電荷重心相對移位，自發極化發生變化，晶體表面會產生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度。為了只對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測量設備的濕度值。濕度值一般由溫度、壓力、質量、電阻率等進行計算。該系統采用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。根據不同的濕度數值水平，燈光就會相應地發揮作用。

3.5 RTC

實時時鐘（RTC）記錄、管理路燈開啟與關閉的時間。RTC有一個內置的3 V鋰電池，因此即使在斷電時也能提供準確的時間，可以作為自動路燈的一個備份功能。

3.6 GSM

GSM模塊主要用于系統的移動通信。SIM900集成SIMCOM公司的工業級雙頻GSM/GPRS模塊，SIM900模塊用于通知電力部門路燈的損壞情況。任何網絡SIM卡都可以用在GSM調制解調器上進行通信。與GSM和Arduino互動的命令是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 太陽能電池

太陽能電池是根據光伏效應的原理制造的，主要用于將太陽光轉換成電能，具有一定的環保性。太陽能電池產生的是直流電源。太陽能電池板在白天為電池充電，從而為路燈提供電能。

4 系統工作方式

光強度隨時間長短的變化如表1所示。

表1 光強度隨時間長短的變化

案例一：當時間是高峰期（18：00～22：00）時，路燈為白光，以100%的效率發光。

案例二：當高峰期過后（22：00～次日6：00），并且沒有檢測到任何運動的物體的情況下，白燈將以40%的效率發光。

案例三：當環境處于霧氣狀態時（22：00～次日6：00），黃燈會以100%的效率發光。

案例四：在高峰期（22：00～次日6：00）后，而且沒有探測到任何物體的情況下，黃燈會以40%的效率發光。

案例五：如果路燈在任何時間內被損壞，系統將通過GSM模塊發送一個警報信息至電力部門，以便及時維修。

5 結論

文章闡述了設計的路燈管理框架結構和硬件系統，提出路燈電路的過程控制。在框架結構中，控制器可以使用Arduino板卡發送、識別、執行命令，使電路可以按照實際系統的指示完成相關工作。LDR、PIR、RTC等傳感器的使用，可以實現路燈控制的自動化和智能化，滿足路燈在不同環境中的使用。在實際的應用中，將路燈的照明情況分為5個方面，根據不同的光強度、是否存在移動的物體等條件，將發出不同類型的光、不同強度的光。此外，路燈控制系統可以利用定時器控制路燈的開、關時間，并且當路燈存在照明故障時，會通過GSM模塊告知電力部門，省去了人為排查的時間。