智能化路灯控制器

何澎莹

摘 要：路灯是我们每天生活中都要接触到的，也是社会发展和城市建设不可或缺的用电设备。在人口数量不断加剧的今天，资源短缺、能源危机已经成为全球面临的重大危机，受到了世界各国的普遍关注。近些年，我国的用电需求呈逐年上升趋势，形势不容乐观，尤其是在城市亮化高速发展的进程中，景观照明更是耗费掉了巨大的电力资源。由此可见，未来节约用电刻不容缓，势在必行。智能化路灯控制器是通过节能装置对路灯进行有效控制，来达到降低电耗的功效。目前，市场上现在已经出现了一些路灯控制器，结构简单、拆装方便、易于操作，但节能效果并不明显。我们的涉及正是基于目前市场上同类产品所存在的一些不节能这一问题展开的构思，通过由光敏电阻和热释电人体传感器完成信号检测，Arduino控制板完成控制，继电器输出完成输出执行，最终实现路灯的自动控制与有效节电。本设计构思具备路灯改造简单、节能、环保、高效等特点，从所具有的便捷性、结构上的简单性上看，可以大大减少人力的付出与能源的浪费。

关键词：智能；环保；控制器；单片机；电路

一、课题由来

随着我国经济发展步伐的加快与城镇化的不断推进，造成城区居住人口数量不断加剧的同时，也给城市的照明带来了一定的压力。据统计，城市亮化工程的耗电占到了我国整个照明耗电的30%左右，但城市亮化工程多以低效照明为主，而城镇是由一个个社区所组成。如果能夠减少这部分的用电量，将会很大程度上减少煤炭资源的浪费以及减轻环境的污染。

针对这样一种现状，我便产生了要设计一个控制器来有效调控路灯用电量的想法，并根据这种思路开始通过网络和图书馆等途径查阅资料，希望能将自己的这个想法付诸于实践。在查阅大量相关资料的同时，我还请教了河北工程大学、邯郸职业技术学院的一些专业老师，并在邯郸市一中老师的指导下，经过努力的付出终于构思出了这样一个社区环保卫士——智能路灯控制器，让路灯做到人来的时候开启、人走过的时候关闭，可以设置其工作模式。

我的设计基于从小事做起、从细微处入手，认真对生活中的事物进行观察和思考的结果，正是通过有效控制路灯的关闭来实现节电的目标，从而达到保护资源、节省能源、保护环境的效果。

利用假期，我对邯郸职业技术学院校园路灯使用做了一个了解调查，按照每天18时开灯、次日5点关闭的时段进行计算，每天路灯亮的时间11小时，路灯功率100W，个数300个，每天用电330度，一年用电120450度。

根据实际调查，学生每天流量高峰期在18时至20时，20时至23时学生流量只有高峰期的30%，23时以后学生流量基本为零，有学生流量的用电量占整个用电量的30%左右。使用我们的产品后，用电量节省可达70%，折合成实际电量约84315度。

二、设计理念

本设计是利用单片机技术和传感器技术，在开源电子原型平台Arduino上设计开发的，基本解决了目前市场上同类产品所存在的一些不节能等问题，而且还具备路灯改造简单、节能、环保、高效等特点。本设计通过由光敏电阻和热释电人体传感器完成信号检测，Arduino控制板完成控制，继电器输出完成输出执行，最终实现路灯的自动控制。从本设计所具有的便捷性、结构上的简单性上看，这样可以从很大程度上减少人力的付出与能源的浪费。

三、产品设计

（一）设计思路

本产品主要器件是热释电人体传感器，此器件功能是在以器件为中心的一定范围内（范围可调控），有人体活动时输出高电平。将输出与LED小灯泡连接，使小灯泡发光。（一个小灯泡可以连接多个传感器并采用‘与连接，效果为：只要有一个传感器有感应小灯泡就会亮。）

本设计的智能路灯电路由三部分组成：光电变换电路、Arduino控制板和单片机驱动路灯电路，其基本的原理框图如图所示。

基本思想是采用光电传感器和热释电人体传感器将获得的光信号和人体信号转换为电信号，再将电信号与Arduino控制板中预先设定好的电信号进行比较，由信号鉴幅电路的输出控制路灯驱动电路，由路灯驱动电路来控制路灯的点亮与熄灭。如果信号鉴幅电路输出高电平，驱动电路将驱动路灯点亮，反之路灯熄灭。路灯驱动电路的核心元件是Arduino，用Arduino的输入来控制它的输出，进而实现对路灯亮、灭的控制。

（二）光控路灯电路的器件选择

光控路灯电路器件选择达到的两个目的：1）精确性：要求在一定的光照强度下，路灯能够准确的点亮或熄灭。2）稳定性：要求路灯的亮灭状态不易受到外界偶然光照变化的影响，避免路灯频繁的点亮和熄灭。

电路部分主要包括：光电变换电路、Arduino控制板和路灯驱动电路。设计中，光电变换电路、Arduino控制板、路灯驱动电路三者的核心元件分别是光敏电阻CdS、热释电人体传感器、Arduino uno r3 和继电器输出模块。

（三）光电检测传感器

在设计中使用光敏电阻和热释电人体传感器作为传感器件对外界信号进行检测，主要是利用了光敏电阻在光线的作用下其阻值往往变小的这种光导效应现象，以及采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。光电检测电路将检测到的信号以高低电平的形式传送给单片机，从而完成整个光电检测的过程。

（四）Arduino控制板

在整个系统中，Arduino控制电路是整个系统的核心，负责对光电检测电路采集到的信号进行处理和加工，并按照之前设定好的指令进行执行、运算，并将结果传送给相应的执行电路。

（五）继电器执行部分

继电器执行电路在系统中充当执行任务，对Arduino发出的指令进行响应，完成相应的操作。

Arduino通过将光电检测电路传送的信号进行运算、处理之后将输出信号送给执行电路，继电器执行电路将对外部设备进行控制。

在设计中为了能够更好的模拟并实现光控路灯控制系统的要求，选用继电器作为执行电路有以下几点优势：

1）能够将低电压的电子电路信号转换为高电压电气电路信号，实现电子电路到电气电路的控制，与实际应用相符；

2）使得整个系统的设计更加趋了于完善，对于相关的设计预期能够最大程度的体现出来。

（六）软件程序设计

软件程序设计对单片机的I/O接口的控制，智能光控路灯主要通过光控电路对光的感应以达到输出端口的控制，在黑暗时光控部分输出高电平，通过单片机内部程序的控制以光控输出高电平为准，给输出端口定义低电平，路灯是以低电平有效，当单片机输出端达到低电平时路灯亮。

1）定义两个人体传感器以及LED灯的IO口分别为pin1，pin2，LED。

2）初始化IO口，pin1，pin2为输入接口。LED为输出接口。 打开串口，设置波特率为9600

3）loop 主循环，读取两个人体传感器感应到的状态，1为有人，0为无人，延迟0.1秒，只要两个人体传感器中有一个感应到有人，LED灯就会发光，并且串口会输出1。当两个人体传感器都没有感应到有人活动，LED不发光，串口会输出0。

（七）安装调试

在硬件电路的实际连接过程中，电路连接如下：传感器VDD口（引脚面对自己的三个引脚的最右的引脚）连接5V电源vcc口，傳感器GND口（最左端）连接板子的GND口，传感器SIG口（中间的引脚）连接板子的IO口（本程序编写时用的是7口和12口），小灯泡正极连接13 IO口，负极接到板子的GND口（端口不够可用导线引出多个）。

通过对智能路灯的硬件调试及软件调试，实现了开关路灯电路的智能控制和精确控制，达到了我们的预期目标。

四、模型中未完成的部分

为了能够使系统达到设计之初的预期效果，在软件设计中未完成的部分：在整个系统的设计中，使用光敏电阻进行外界光线检测，对于外界的光线变化可以及时的做出相应的动作。但这样的系统设计也存在一定的问题，外界光线环境有些时候变化莫测，在雷雨天气时，由于闪电、打雷等自然原因，外界的光线变化频繁且明显，光电检测电路检测到信号后将其传送给Arduino进行处理，Arduino如果只对端口电平不加以判断就进行处理的话，可能会引起路灯的忽明忽灭，影响了系统的稳定性，故应在以后的程序设计上解决这个问题，对光电检测电路传送过来的信号进行分析处理，对此端口电平变化进行演示操作，可以避免此类现象发生，防止打雷闪电等自然现象对路灯控制的干扰，最终达到实用的目的。

五、项目创新点

此产品的创新之处在于采用了Arduino 板作为控制电路的核心元件，可以灵活的驱动路灯，电路简单，易于调试，实现了路灯精确地点亮或熄灭；而且传感检测部分采用了人体检测和光线检测相结合的检测方式，对控制效果大大的提高，既能保证节能高效又能满足人们对路灯的各种要求。根据之前的搜索情况来看本产品所采用的这种路灯控制方式属于同类产品中路灯改造较为简单、节能、高效等特点的其中的一种，而且成本比市场上同类产品低很多，控制效果跟同类产品基本相同。

六、项目的实用性与前景展望

上世纪90年代，智能化照明行业进入了中国市场，受市场的消费意识、市场环境以及产品价格、推广力度等因素的制约，始终处于一种较为缓慢的发展态势。近些年，随着城市化进程的加速，人口数量加剧，用电需求逐年上升，智能照明将越来越受到更多人的关注与认可，亦将成为照明行业的下一个“风口”。

当前，经济结构调整、企业转型逐步深入推进，将会由更多传统企业和新型公司进入智能化照明领域，并开始不断探索与布局智能化照明及控制系统等产业。未来五到十年，智能化照明将成为整个产业发展的“风向标”和城市建设中一道靓丽风景线。

结合我校教室的灯光照明情况，我发现我们教室包括我们年级有些班级的教室都不同程度的存在没有学生了，灯管还在使用的情况，这样就造成资源浪费，也会给班级管理工作带来一些困难。该项目的实施和改造能够有效解决和避免此类问题的发生。

同时，本设计产品可以增加可变电阻达到对亮度进行调整的功效，也可以通过增加报警器来拓展至防盗方面的应用。

七、活动感受

通过这次参加第32届科技创新比赛，我的思考能力相比较原来又有了新的提高。在对自己设计的这个智能化路灯控制器不断改进的过程中，通过查询并阅读大量的材料以及就相关问题咨询不同的人以后，使得原本不够的初稿设计方案不断完善成了现在这个相对成熟的方案。在这个不断地学习的过程中，我得到了大量的知识并对它们都有了我原来不曾拥有的理解，同时也让我深深感叹于知识的海洋的广阔性。在学习中，通过仔细阅读大量的论文与介绍，激发了我对科学的兴趣，让我迸发了强烈的求知欲，这让我获益匪浅。

同时，我会把自己的兴趣始终保持在科学创新上，多观察、多思考身边所发生的一些小事，力求激发出更多新颖的灵感，为祖国的科学事业贡献一份微薄之力。

参考文献：

[1] 黄冬来，冯海清，石强.城市路灯照明节能措施的研究与探讨.2008，9.

[2] 胡开明，李跃忠，卢伟华.智能路灯节能控制器的设计与实现.2011，9.

[3] 卫丽.一种新型的可控硅触发电路.2010，4.

[4] 郭培源，付扬.光电检测技术与应用.2008，1.

[5] 李加升，夏建清.基于光敏器件的光控电路分析.中国科技信息，2005（14）.

[6] 付家才.单片机控制工程实践技术.化学工业出版社，2012，5.

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

（辅导教师：马建辉）