智能路灯控制系统硬件设计

李俊林

河南工业贸易职业学院信息工程学院，河南 郑州 451191

0 引言

如今，考虑到气候的变化，人口的增加，气体的排放和不断消耗的自然资源，减少电力的消耗是个非常重要的工程[1-3]。工业或城市中的路灯系统越来越多，这些系统都是为了管理和减少能源消耗，以保护能源。街道照明是电力消耗的主要部分，由于管理的问题，经常发现路灯在白天是开启的，浪费了宝贵的电力，同时也减少了灯具的使用寿命。智能控制路灯系统的目的是减少电力资源的浪费，还可以降低人力成本。城市路灯消耗了大量的电力，而通过使用智能路灯控制系统，可以有效减少电力消耗。

1 系统概况

路灯是城市的重要组成部分，为道路和公共区域提供了夜间视线，但其耗电量较大。为了解决这一问题，达到节能减排的目的，需要采用路灯控制系统。同时，通过采用Arduino，一旦路灯出现故障，可以及时向电力部门发出警报信息，以便及时处理故障[4-5]。LDR传感元件是作为路灯的重要组成部分，可以区分步行者和机动车的运动。LDR可以识别周围的日光区域，在白天控制路灯关闭，从而减少了人工开关路灯的问题。通过PIR传感器识别任何物体的移动，从而命令微控制器控制路灯以100%的强度发光，而在街道上没有任何移动的情况下，则命令微控制器以其最大强度的1/4发光。要想实现以上功能，需要通过Arduino来调节所有的命令[6]。

2 整体框架设计

控制系统整体框架如图1所示。

图1 系统框架图

3 硬件设计

3.1 Arduino

Arduino是一块可编程的电路板，包含可重复编程的闪存ATmega328控制器，并内置了振荡器，可以使用Arduino IDE将程序写入并输入Arduino控制器。同时，该电路板包括14个输入和数字引脚，编号为0～13，其中有6个脉宽调制（PWM）引脚用（～）符号表示。PWM引脚用于调节项目中使用的传感器的电压。该电路板提供了6个模拟输入引脚，编号为A0～A5，用于读取传感器的值。其电源通过USB提供，电压为5 V或通过适配器提供，电压范围在7～20 V之间。

3.2 LDR

LDR的电阻值取决于照射到它身上的光强度，传感器所提供的电阻值随着光强度的变化而变化，电阻值随着光强度的增加和减少分别减少和增加，即电阻与光照强度成反比。因此，可以将该传感器面向太阳，通过来自太阳的光强度计算出昼夜。除了实现自动开关路灯，使用这种LDR传感器的可靠性和成本效益高，作为一种无源传感器，不需要电源，节省了电力。

3.3 PIR

PIR传感器用于检测来自温暖物体的红外波动，是一个无源设备，由晶体材料组成，当检测到人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。当一些晶体受热时，其两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，导致其自发极化电矩不能表现出来。当PIR传感器感知物体的运动、温度的变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。为了只对人体的红外辐射敏感，在其辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳镜片，使环境干扰受到明显的抑制。

3.4 湿度传感器

湿度传感器主要用来测量设备的湿度值。湿度值一般由温度、压力、质量、电阻率等进行计算。该系统采用DHT11电容式湿度传感器，其工作电压为3.5～5.5 V，工作电流为0.3 mA。根据不同的湿度数值水平，灯光就会相应地发挥作用。

3.5 RTC

实时时钟（RTC）记录、管理路灯开启与关闭的时间。RTC有一个内置的3 V锂电池，因此即使在断电时也能提供准确的时间，可以作为自动路灯的一个备份功能。

3.6 GSM

GSM模块主要用于系统的移动通信。SIM900集成SIMCOM公司的工业级双频GSM/GPRS模块，SIM900模块用于通知电力部门路灯的损坏情况。任何网络SIM卡都可以用在GSM调制解调器上进行通信。与GSM和Arduino互动的命令是AT命令。该模块的工作电压为12 V。在串行通信中，Arduino的RX和TX可以与GSM的TX和RX一起使用。

3.7 太阳能电池

太阳能电池是根据光伏效应的原理制造的，主要用于将太阳光转换成电能，具有一定的环保性。太阳能电池产生的是直流电源。太阳能电池板在白天为电池充电，从而为路灯提供电能。

4 系统工作方式

光强度随时间长短的变化如表1所示。

表1 光强度随时间长短的变化

案例一：当时间是高峰期（18：00～22：00）时，路灯为白光，以100%的效率发光。

案例二：当高峰期过后（22：00～次日6：00），并且没有检测到任何运动的物体的情况下，白灯将以40%的效率发光。

案例三：当环境处于雾气状态时（22：00～次日6：00），黄灯会以100%的效率发光。

案例四：在高峰期（22：00～次日6：00）后，而且没有探测到任何物体的情况下，黄灯会以40%的效率发光。

案例五：如果路灯在任何时间内被损坏，系统将通过GSM模块发送一个警报信息至电力部门，以便及时维修。

5 结论

文章阐述了设计的路灯管理框架结构和硬件系统，提出路灯电路的过程控制。在框架结构中，控制器可以使用Arduino板卡发送、识别、执行命令，使电路可以按照实际系统的指示完成相关工作。LDR、PIR、RTC等传感器的使用，可以实现路灯控制的自动化和智能化，满足路灯在不同环境中的使用。在实际的应用中，将路灯的照明情况分为5个方面，根据不同的光强度、是否存在移动的物体等条件，将发出不同类型的光、不同强度的光。此外，路灯控制系统可以利用定时器控制路灯的开、关时间，并且当路灯存在照明故障时，会通过GSM模块告知电力部门，省去了人为排查的时间。