基于单片机ESP32的室内外智能感应路灯控制器设计

刘博，张鹏，刘克桓，于江，李国静

（承德应用技术职业学院智能制造系，河北承德，067000）

0 引言

随着现代化的不断进步，夜间不黑暗延长了人们的日常生活、工作时间，美化城市建设，提高了人们的生活质量，不断满足人们对美好生活的向往与需求。照明系统作为城市发展的重要组成部分，也是校园、医院、机场、图书馆等场所实现夜间服务和排除安全隐患的重要保障。各式各样的道路指示灯不断地涌现到了人们日常生活当中，也就造成了公共路灯管理的复杂性、资源的过度消耗，并且由于道路指示灯固有设备安装相对分散，对于精准监控和高效维修都造成了极大困难。智能路灯的建设，能够有效解决能源浪费问题，但仍存在秩序性较差、智能数据分析水平较低的现象[1]。比如在校园、医院、机场、图书馆等场所深夜活动人员较少，出于公众安全角度仍然保持的照明。但对于夜晚出行较少情况时，保持灯光照明不仅仅浪费了电能，也会产生光污染，加剧了供电紧张，也影响了居民的夜生活质量；或者对于路灯的分段集中控制，控制策略单一或集成度高，不利于因地制宜，若各具特色又不利于管理和维护，传统依靠人们对环境判断进行手动控制时代远远满足不了如今社会发展需求。

目前，国内对智慧照明的课题研究非常广泛，采用的方式多样，具备各自优缺点，但仍不能满足公众日益增长的社会需求，节能方案的不完善也会造成重大安全隐患，更换原有照明设施或系统也会带来较大的资本投入。与此同时，大多数城市仍采用传统路灯系统,对相应照明系统统一管理，定时开关[2-3]。应用传感器、单片机、电子电路设计及物联网等技术，在保证原有功能基础上，进行实时监测现场数据，并进行分析和处理，达到照明灯光呼吸灯变化效果。更重要的是，本设计采用ESP32型芯片，其自带无线通信模块可以连接指定 WiFi 网络[4-6],提供了道路指示灯控制辅助设备，结构小巧、使用方便，适用于控制LED、白炽灯等多种设备，可直接加装于固有设备电源输入线路中，极大程度降低了设备升级成本，使得本实用新型装置设计更具有使用和应用价值。

1 总体设计方案及工作原理

本室内外智能感应路灯控制器设计是基于ESP32单片机的控制装置，其人性化设计符合生物体感光需求，从广泛地兼容性、结构精巧、手机无线控制等方面进行设计，满足基本的节能需求，整体设计框图如图1所示。

图1 系统框图

单片机是本装置的核心，配有基本的时钟、复位电路、电源和程序下载等基本电路，满足基本工作需求。由传感器进行信号采集与传输，由单片机进行分析和处理，实现根据环境光照强度进行自动检测，提供人体感应模式、常亮、常闭等多种工作模式，其人体感应模式可以实现照明灯光由暗到亮的缓慢效果，适应人眼感光的生物体特质需求。与此同时，充分运用传感器的数据采集，进行在线故障诊断和报警，提高后续维修效率。

针对智慧灯光控制策略，采用了PWΜ控制技术和继电器控制原理，实现多种控制功能，满足对LED、日光灯等灯具实现控制。设计交流信号过零检测电路，精准控制占空比，避免调光过程延迟对视觉感官造成的影响。并设置日光灯、LED灯等接口形式，可在不改变原有照明设备的基础上加装本实用新型装置，实现相应的控制功能。电路PCB布局紧凑，尺寸形状通用，布局走线合理，提高抗干扰能力，结构精巧，便于安装。

单片机采用ESP32系列芯片，其具备WiFi和蓝牙功能，开发相应微信小程序，便于维护人员进行参数更改和数据维修，同时该平台可一对一更改也可以一对多更改，满足了不同环境下的个性化设置需求。应用物联网控制技术，结合电子电路设计，实现设备在工作状态下的在线故障检车和程序自动下载更新功能，将检测故障信息发送至终端服务器，向控制室技术员进行实时报警。

图2 主控电路

2 硬件电路设计

2.1 主控电路

本设计以ESP32单片机为核心进行主控电路的设计，包含时钟、复位及程序下载等电路部分，通过I/O接口和转换插针连接至故障检测、调光控制、传感器等电路，提供硬件程序下载接口进行程序修改、维护和升级。通过采用DS3231时钟芯片可以提供精确的计时功能，带有温度补偿，采用8引脚、150milSOIC封装，为主控电路提供年月日、时分秒等信息。

2.2 电源转换电路

图3 电源转换电路

电源转换电路主要由220V交流电输入及以HLK-10Μ12为核心的AC220V转DC12V和以LΜ2596R为核心的DC12V转DC3.3V两个降压电路直流部分组成。为了适应各类场所的电源接入形式，通过设置电源接口P1，引入220VAC，以满足固有照明系统升级需求。其DC12V用于继电器控制电路和LED灯珠的PWΜ控制电路供电部分，DC3.3V用于ESP32的VDD引脚及过零检测、故障检测等电路。

图4 传感器信息采集电路

2.3 传感器信息采集电路

人体红外传感器可以检测状态[7],通过传感器信息采集电路中主要实现对行人经过和光照强度的测量，将光照强度测量的L_AD和人体传感器检测的H_AD分别通过ESP32的IO32、IO33引脚传送至主控电路，由ESP32完成信息处理并发送控制指令，实现相应的呼吸灯控制、行人路径预测、是否开启灯光等功能。

2.4 照明控制电路

采用PWΜ控制技术、继电器控制方式，实现对照明灯光的有效控制。其P2、P3、P5分别用于连接相应照明装置，采用PT4115芯片，驱动一个或多颗个LED；采用ΜOC3020光电耦合器用于可控硅驱动调光；采用JSΜ1器件进行继电器控制。在PWΜ控制技术的应用中，为避免照明灯光频闪或延迟等现象，影响控制效果，设计了过零检测、自检电路设计，其自检电路采用电阻、DB107、电容等电子器件提供基准电压；过零检测电路采用光电耦合器TLP620、电阻等电子器件实现对AC信号的0V电压信号。由IO13将过零检测结果传送至ESP32，通过IO12或IO27获取ESP32运算分析输出的工作模式和占空比等信息，从而达到呼吸灯控制效果。在继电器控制部分，是ESP32的IO25向继电器控制电路发送命令信号。

2.5 故障检测电路

故障检测电路分为继电器故障检测和220V电灯故障检测电路，分别针对继电器控制模式和PWΜ控制模式。采用LΜ358Μ/TR运算放大器、光电耦合器PC817C、电阻、电容进行故障信号采集，并将故障检测信息通过IO26、IO14传送至主控电路核心控制器件ESP32芯片，最终运用物联网技术发送至控制中心。

图5 照明控制电路

图6 故障检测电路

3 系统软件设计

本系统主控电路程序选用C语言编写，选用的代码编译平台为VisualStudioCode，流程图如图7所示。程序当中提供三种不同控制模式，控制条件依据控制中心设置，通过单片机的WiFi功能，向服务器发送和接收相关数据信息，进行灯光控制。

图7 主控程序流程图

与此同时，为方便用户和维修工作人员使用，开发了相应的手机端平台，手机端界面显示如图8所示。通过服务器实现装置和手机端连接，用户可以用手机更改本发明装置灯光亮度、光敏程度、定时信息及广播文本及图片数据,灵活调整设备参数。满足照明场所灯光控制及行人位置信息提示功能。

图8 手机界面示意图

4 实验测试

本产品设计及仿真测试采用的立创EDA在线编辑器，该平台具有高效的PCB设计工具，可进行2D、3D预览（见图9）。通过原理图设计和仿真分析，经过电气分析和在线测试，进行了本产品实物制作和测试。并运用示波器针对PWΜ控制过程中的波形进行了实时监测（见图10），达到了良好的控制效果。

图9 PCB布线三维示意图

5 结论

本设计装置可在不改变固有照明设备的基础上，对照明线路进行升级，以ESP32为核心的室内外路灯调节器设计不仅满足照明路灯控制的需求，提高照明系统的节能环保价值，还能够提供手机端控制维修、故障诊断、个性化更改等功能，满足公路、校园、图书馆、医院等多种室内外公共区域照明需求。采用C语言进行开发，提高了设备功能的智能型，提供人机界面交互功能，强化了设备的使用维护性。呼吸灯的控制效果设计，不仅仅满足了人体感光需求，与此同时兼具预判行人移动轨迹的功能，避免了夜间灯光亮起的延迟性所造成的安全隐患。随着照明系统使用该装置升级，可有效提高节能、个性化照明效果。

图10 实物测试及示波器测量数据曲线