基于Arduino的智能路灯设计与实现.docx

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基于Arduino的智能路灯设计与实现

摘要

所提出的模型旨在借助物联网的先进概念设计和开发一个自动化的街道照明系统。

路灯运行的自动化将减少电能的浪费，并改变通过人工方式进入开关打开路灯的需要。

一种利用传感器对路灯照明进行改进的方法，该传感器专门用于降低电能消耗。

传感器将检测到自然光的缺失，并自动打开，反之亦然。

亮度可以通过Arduino控制。

通过实施这一概念，我们的目标是减少热排放、功耗、维护和更换以及人力成本。

除了上述优点外，该系统还旨在精确定位有故障的路灯，以便尽快进行必要的更改。

通过使用智能电路板检测有故障的路灯。

关键词：

ZigBeeArduino自动化传感器

Abstract

TheproposedmodelaimstodevelopanautomatedstreetlightingsystemwiththehelpoftheadvancedconceptualdesignoftheInternetofThings.Theautomationofstreetlampoperationwillreducethewasteofelectricenergyandeliminatetheneedtoturnonthestreetlampbyphysicallyenteringtheswitch.Amethodofimprovingstreetlampilluminationbyusingsensor,whichisspeciallyusedtoreducepowerconsumption.Thesensorwilldetectthelossofnaturallightandturnitonautomatically,andviceversa.BrightnesscanbecontrolledbyArduino.Byimplementingthisconcept,ourgoalistoreduceheatemissions,powerconsumption,maintenanceandreplacement,andhumancosts.Inadditiontotheadvantagesmentionedabove,thesystemaimstolocatethefaultystreetlightsaccuratelysoastomakenecessarychangesassoonaspossible.Detectionoffaultystreetlightsbyusingsmartcircuitboards.

Keywords:

ZigBee;Arduino;Automation;Sensor

第1章绪论

1.1论文研究目的及意义

随着城市规模的发展，人们对城市路灯的需求也在增加。

智能路灯系统对城市的绿色发展有着很大的好处。

智能化的城市路灯系统在很多国家被广泛的应用，这个在节省能源和人力资源方面起到了很大的作用。

和已发展的国家对比,我国城市路灯控制系统的智能化研究尚处于起步阶段,表现在以下几个方面:

通过人工实现路灯的开关控制，通过人工检测和质量反应进行故障排除，还有路灯一打开就一直在亮着，无论有无车辆或人同行，这在很大程度上浪费了人力资源和能量。

而且工作效率低，不能按照需求来利用路灯。

智慧城市和绿色技术正在成为为更美好未来做准备的世界议程之一。

智能路灯系统是支持绿色环保相关工作的技术之一。

随着无线通信和低能耗路灯的发展而演变的技术已成为智能城市发展的基础。

除了支持更好的未来工作之外，智能城市技术还可以在响应和维护领域进行改进，在部署区域内的故障或故障几乎可以实时检测到，从而允许相应人员立即做出响应。

路灯是城市基础设施的重要组成部分之一，其主要功能是在黑暗的时段照亮城市的街道。

道路照明系统的设计应考虑几个因素，例如公众和其他道路使用者提供具有成本效益的公共照明，减少犯罪并减少其对环境的影响。

通常，街灯在整个晚上开启，并且在白天关闭路灯，但是在夜间，如果没有交通用户，则不需要路灯。

随着能源资源日益减少，节约能源消耗是当今非常重要的因素。

自然资源的替代品非常少，而且由于缺乏这些自然资源，我们的下一代可能面临许多问题。

路灯是任何发展中地区不可或缺的一部分。

他们也出现在所有主要的公路和郊区。

每天，街灯从日落到日出都是全力以赴的，即使周围没有人。

在全球范围内，每天在这些路灯上花费数百万美元来提供所需的电能。

本文给出了解决电能损耗的最佳方案。

同时，照明系统的手动操作也被完全取消。

由于人口增长和经济发展，全世界的能源消耗以最快的速度增长，能源供应仍然受到严重限制。

我们之所以使用“智能”这个词，是因为该系统不仅为路灯提供电力，而且有助于检测行人的运动方向，并通过照亮运动路径直到下一个路灯。

一个简单而有效的解决办法是在非高峰时段调暗灯光。

当检测到存在时，它周围的灯将以正常模式发光。

这将节省大量的能源，同时也会降低路灯的运行成本。

我们可以从任何地方实时使用物联网检查互联网上的路灯状态，并解决处理过程中出现的问题。

看到整个街道的灯光整夜都亮着是很常见，这是一种巨大的能源浪费。

耗电量相对较高。

有些街道没有像城市的主要街道那样被完全占据，有时它们在一段时间内是空的。

基于这个问题，对街道照明进行了观察，以改善街道照明控制系统，确保路灯能够正常运行。

通过应用该系统，可以降低能耗，还可以减少电力浪费。

因此，了解如何最小化路灯功耗的方法非常重要。

1.2国内外研究现状

随着经济的快速发展,城市路灯已成为城市魅力的代名词。

虽然路灯好处多，但其中也存在着一些问题。

根据调查得知,很多城市晚上十二点左右路上的人少，车辆也很少。

此时,如果保持"恒定照明",大量资源将被浪费;此外,在下半夜功耗较低的情况下,当电力系统电压上升时,路灯会更亮,目前，国内超过七成的道路照明使用高压钠灯,这种灯的寿命很短,这导致路灯方面开支很大。

路灯出现的问题也是用人工来检测。

广州根据城市照明的现状和一些需求,利用RDD-3000城市路灯监控管理系统。

此系统的功能强大,可以实现很多方面的远程监控和管理,功能可靠，很实用。

它可以根据当地的经度和纬度,以及路灯系统运行时间内远程遥测的电压和电流参数,自动控制路灯的切换时间。

这系统能智能报出运行中出现的故障,而且能检测出是什么地方出的故障,报出所分析出来的内容,在智能化技术解决了路灯的很多问题，弥补了人工系统的不足,使得我国的城市路灯智能化更上一层楼。

肇庆市推出了LED路灯的节能智能化改造项目，此项目中更换LED路灯同时还利用了功能更优化的路灯照明智能控制系统。

总共安装的LED路灯超过5000盏，实行该项目以后点能节约率大大提升，每年电能节约500万千瓦时，省下费用超百万元。

改造项目为直流电源和智能建筑系统集成的计算机应用技术的智能控制系统，可实现灯光控制等功能。

利用移动端使对路灯的监控和检测，管理更加方便和实用，在很大程度上延长灯的使用期限，使系统更加稳定，变得更加节能。

美国赫立讯公司于2002年创立，公司核心成员来自半导体及通讯产业，是全球无线资讯及语音网路的领导厂商。

公司的主要产品技术架构在ZigBee、GPRS、WiFi、IEEE802.15.4以及IPV6等国际无线网路标准，公司并为ZigBee联盟的创始会员之一。

Helicomm（赫立讯）开发出SmartLightingEVK-1000/EVK-1200智慧型LED路灯开发套件，包含一套完整的ZigBee路灯控制系统及一整套ZigBee无线配置工具。

产品介绍：

（a）EZ-Light1000：

ZigBee无线路灯控制器，用于路灯的开关，PWM调光控制及电流，电压，功率因数采集，故障报警。

（b）IP-Link5501（Master）：

ZigBeeMaster，作为ZigBee网络的中心，用于和EZ-Light1000间的无线通信，跟监控点相连，想有效的去控灯或检测出路灯的运行状态，则只要把服务器连到网上就可以。

目前国内外路灯系统有以下几个特点:

精确化：

与以前的路灯系统比现在的路灯控制功能更加成熟，能考虑到每一个路灯的运行情况。

实时：

能够按时的处理好路灯的开启和关闭时间，自动化取代了以前的人工。

智能化：

现在的路灯系统智能化使得路灯拥有很高的效率。

节能控制：

路灯控制变得更加节能，节约了很大程度上的电能。

1.3目标

本项目有以下几个目标：

1.构建配备来回车辆传感器的智能街道照明系统。

2.通过使用Arduino控制器提供更好的解决方案，减少用于控制路灯的电力浪费，并降低街道照明的功耗。

第2章系统方案

2.1方案技术

2.1.1Arduino

Arduino是一个基于易于使用的硬件和软件的开源电子平台。

Arduino板能读取输入传感器上的光线、按钮上的手指，并将其转化为输出激活电机、打开LED、在线发布内容。

可以通过向主板上的微控制器发送一组指令来告诉主板该怎么做。

为此,可以使用Arduino编程语言（基于布线）和基于处理的Arduino软件。

多年来,Arduino一直是成千上万个项目的大脑,从日常物品到复杂的科学仪器。

一个由学生、爱好者、艺术家、程序员和专业人士组成的全球社区聚集在这个开源平台周围,他们的贡献增加了大量的可访问知识,对新手有很大的帮助和专家一样。

开源和可扩展的硬件:

Arduino板上经验丰富的电路设计人员可以制作自己的模块版本,并对其进行扩展和改进。

即使是相对经验不足的用户也可以构建模块的面包板版本,以了解它是如何工作的,并省钱。

简单、清晰的编程环境-Arduino软件（IDE）对于初学者来说非常方便,但对于高级用户来说也足够灵活。

对于教师来说,它是基于处理编程环境的方便,因此学习在该环境中编程的学生将熟悉ArduinoIDE的工作原理。

图2-1ArduinoIDE界面

ArduinoIDE是一款专业的Arduino开发工具，主要用于Arduino程序的编写和开发，拥有开放源代码的电路图设计、支持ISP在线烧，同时支持Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing等多种程序兼容的特点。

ArduinoNano是一个小型的,完整的基于ATmega328P（ArduinoNano3.x）的板。

它的功能与ArduinoDuemilanove大同小异,但在不同的包中。

它只缺少直流电源插孔,并且使用微型bUSB电缆而不是标准电缆。

ArduinoNano可以通过Mini-BUSB连接、6-20V不受管制的外部电源（引脚30）或5V稳压外部电源（引脚27）供电。

电源会自动选择到最高电压源。

Nano上的14个数字引脚中的每一个都可以用作输入或输出,使用使模式（）、数字写入（）和数字读取（）功能。

它们的工作电压为5伏。

每个引脚最多可以提供或接收40mA,并且内部上拉电阻为20-50kOhms。

串行:

0（RX）和1（TX）。

用于接收（RX）和传输（TX）TTL串行数据。

这些引脚连接到FTDIUSB到TTL串行芯片的相应引脚。

外部中断:

2和3。

可以将这些引脚配置为在较低的值、上升或下降的边缘或值的更改上触发中断。

PWM:

3、5、6、9、10和11。

使用模拟写入（）功能提供8位PWM输出。

SPI:

10（SS）、11（MOSI）、12（MISO）、13（SCK）。

这些引脚支持SPI通信。

Nano有8个模拟输入,每个输入提供10位分辨率（即1024不同的值）。

默认情况下,它们可以从地面测量到5伏,但可以使用类似参考（）函数更改其范围的上端。

模拟引脚6和7不能用作数字引脚。

此外,某些引脚具有专门功能:

I2C:

A4（SDA）和A5（SCL）。

使用Wire库（接线网站上的文档）支持I2C（TWI）通信。

图2-2ArduinoNano

ArduinoNano可以使用Arduino软件进行编程。

从“工具>板”菜单中选择“ArduinoDuemilanove或Nanow/atmega328”（根据板上的微控制器）。

ArduinoNano上的ATMega328预装了一个引导加载程序，允许在不使用外部硬件程序员的情况下向它上载新代码。

它使用原始的STK500协议进行通信。

也可以绕过引导加载程序，并使用ArduinoISP或类似软件通过ICSP（电路内串行编程）头段对微控制器进行编程。

2.1.2ZigBee

ZigBee是低功耗、自修复、网状网络的全球标准。

ZigBee网络可以支持数百个节点,并具有增强的安全功能。

ZigBee是基于电气和电子工程师协会（IEEE）标准协会的802.1115规范。

ZigBee是为IEEE上的控制和传感器网络而构建的802.15.4无线个人局域网（WPANs）的无线标准。

ZigBeeWPANs的工作频率为2.4GHz、900MHz和868MHz频率。

ZigBee规范由ZigBee联盟维护和更新,它通过在应用程序框架之外添加网络层和安全层，提高了IEEE802.15.4标准。

ZigBee特点：

数据传输速率低：

10KB/秒-250KB/秒，专注于低传输应用。

功耗低：

在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6个月到24个月。

成本低：

ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。

网络容量大：

网络可容纳65000个设备。

时延短：

通常时延都在15ms-30ms。

安全：

ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。

表2-1

市场名

标准

GPRS/GSM

1xRTT/CDMA

Wi-Fi

802.11b

Bluetooth

802.15.1

ZigBee

802.15.4

应用重点

广阔范围声音&数据

Web,Email,图像

电缆替代品

监测&控制

系统资源

16MB+

1MB+

250KB+

4KB-32KB

电池寿命（天）

1至7

0.5至5

1至7

100至1000+

网络大小

1

32

7

255/65000

带宽（KB/s）

64-128+

11000+

720

20-250

传输距离（米）

1000+

1-100

1-10

1-100+

成功尺度

覆盖面大，质量

速度，灵活性

价格便宜，方便

可靠，低功耗，价格便宜

2.2街道照明机制

2.2.1ZigBee无线模块用于路灯控制

该项目的主要目的是监测路灯的活力，并将监测到的回报转发给控制站。

灯模块由光相关电阻模块、微控制器模块和传输模块组成。

灯模块将使用ZigBee通过无线网络与控制站通信。

LDR模块由两个LDR组成。

其中一个LDR安装在路灯顶部，用于检查日间/夜间状态。

第二个LDR放置在路灯下，用于监视和检查灯的照明状态。

LDR的结果被发送到微控制器，微控制器将处理数据并将数据发送到传输模块。

在通信模块中，有无线ZigBee通过无线方式将数据发送到控制站。

控制站将监控每个路灯的状态，并控制路灯的运行。

2.2.2考虑照明控制的独立路灯系统的优化

目标是设计和执行嵌入式路灯节能系统的先进发展。

由于技术的发展和事物的易用性，人类对技术的依赖性越来越强。

他们的主要目标是减少浪费，使路灯的操作自动化。

在他们的文章中，使用了发光二极管（LED）。

在这个系统中，主要的缺点是无法切换路灯阵列。

只有一条街道可以通行。

2.2.3使用GSM的智能街道照明系统

系统包括服务器、显示器的图形用户界面和由嵌入式传感器测量不同参数进行微控制和处理的节点。

网络中的每个节点都通过协议连接到主服务器。

传感器感应到的模拟数据将其转换成数字形式，由微控制器进行处理，然后发送到服务器。

主节点控制所有从节点。

其他节点将数据发送给master，master收集数据并发送给集中器和服务器，数据可以在集中器和服务器上进行监视，在进行基本更改时，处理数据以打开/关闭设备的节点。

该系统还可以检测到环境温度、雾、碳排放和噪声强度等各种参数，并提出相应的纠正措施。

每个路灯都需要使用GSM调制解调器，这会自动增加成本。

它还包括一些网络问题。

2.2.4电子街道区根据车辆的移动自动设置路灯

主要目的是将每一个路灯与一个红外传感器集成，以检测车辆的运动。

当车辆经过时，灯就会亮起来。

由于这种电能消耗较少，因此可以在一定程度上节省电能。

在紧急情况下，安装了一块太阳能电池板。

但这是不切实际的，因为路灯对路旁行人也很有用，只有当车辆经过时，这个传感器才会亮起。

此外，由于每个路灯都使用红外传感器，所以成本很高。

2.2.5采用ZigBee无线网络通信

提出的远程控制系统可以优化路灯系统的管理和效率。

系统采用了ZigBee网络。

它包含的范围小于无线网络。

ZigBee的射程很短。

本文中需要大量的硬件来控制和监控路灯，因此使用成本很高，而且由于ZigBee网络的距离较短，还存在着距离问题。

2.3系统设计方案

目前的城市智能路灯系统存在功耗大、数量多、范围广、单独控制复杂、维护困难等问题。

为解决问题提出以下策略：

2.3.1节能

该项目利用手动和自动两种方法来控制路灯。

平时利用自动控制系统来达到对城市路灯的节能目标。

方案是没有监测到车辆与行人时关闭路灯，当监测到有车辆或行人将自动打开路灯。

2.3.2及时

路灯故障时，系统能最快速度检测出来出现故障的路灯的个数与位置，很大程度上提高了检修工作效率。

2.3.3先进

结合城市情况,系统的总体设计和硬件设备的选择,确保施工方案的合理性。

软件和硬件平台的模块化设计确保了良好的扩展能力,便于系统升级和更新,并提供数据接口,便于与其他系统连接。

2.3.4实用

路灯设计与城市融为一体，无论外观或实际用途方面都接近实际。

系统设计符合该城市运行模式，使得城市更加有魅力。

第3章系统设计

3.1系统整体架构

根据系统的设计方案，系统的结构包含感知控制层，网络传输层和应用服务层。

3.1.1感知控制层

这一层通过传感层的智能传感器节点来控制灯开关,用光照强度传感器来判断路灯是否打开。

用红外传感器来检测同行的人与车辆。

当车辆与人经过时打开路灯，等通过后，路灯缓慢关闭。

路灯采用的是黄色LED灯，其穿透力很强,并采用电压调节灯具的亮度和强度。

光照强度传感器配置为实时检测光强。

此外,还每隔一段时间增加警示灯和警报,监测一些紧急情况并警告。

3.1.2网络传输层

这层中通过采用2.4GHz波段的无线ZigBee传感器网络来实现了短距通信,扩大了无线覆盖率。

ZigBee无线网络的传输距离一般在70至150米之间，路灯距离一般在30至50米之间，够满足要求。

它还具有功耗低、夜间无人通过时可以省电的优点,具有成本低、延迟时间短、网络容量大的优点。

3.1.3应用服务层

此监控终端通过网页监控控制客户端与数据库交互,实现实时数据显示,包括问题部分显示和维护数据的信息,主要以网页的形式进行,包括设备状态信息检测功能、不同地区维修经理的查询以及故障信息的推动。

图3-1系统整体结构框图

智能路灯控制系统管理平台主要包括路灯开关、独立控制、故障检测、及时通知和维护等功能。

监控计算机在对数据进行分析和处理后,做出控制决策,并将故障路灯信息推给维修人员。

同时,路灯系统可以通过智能传感器终端实现路灯状况的实时监控。

它还可以利用无线自组织网络技术和WiFi通信技术将无线传感器终端采集的监控数据传输到本地服务器。

3.2硬件系统设计

对城市路灯进行软硬件的设计和开发。

系统在自动和手动两种模式下进行对路灯的控制。

通过检测出来往的人与车辆来控制路灯从而达到节约能源目的。

手动模式是用来独立的对每个路灯。

电路包含有ZigBee无线网络通信电路、路灯控制电路、光照强度检测、热释红外传感器等。

3.2.1ZigBee无线网络通信电路

街道路灯间用ZigBee无线网络通信，通信距离方面完全达到要求。

ZigBee通信信道分析：

无线通信系统必不可少的一部分是天线，平日里我们能随处都发现天线，无线电波的发射和接收是天线主要功能。

发射功能是把高频电流转换为电磁波发射；然而接收时则相反。

各个电波的频谱都不同，电波都在空气中传播，空气是电波的传输介质，通过管理通信信道来防止互相的干扰。

ZigBee是基于电气和电子工程师协会（IEEE）标准协会的802.1115规范。

ZigBee是为IEEE上的控制和传感器网络而构建的802.15.4无线个人局域网（WPANs）的无线标准。

ZigBeeWPANs的工作频率为2.4GHz、900MHz和868MHz频率。

此项目中采用的是2.4GHz频段。

在2.4GHz频段，共有16个信道，信道通信速率为250kbps；

ZigBee协议定义了三种类型的节点：

协调器、路由器和终端设备。

每个网络中都有一个协调器，其工作是存储有关网络的信息，包括安全密钥。

路由器是中间节点，中继来自其他设备的数据。

终端设备可以是低功耗或电池供电的设备，可以与协调器或路由器对话，但不能中继来自其他设备的数据。

3.2.2光照强度检测

为确定是否打开路灯，给每个区域的路灯都配备了光强传感器。

从而能在该区域同时监测到光强，然后主控制芯片能把信息发到ZigBee，最后传到服务器。

这样能实时监测到光的强度。

此模块通过检测出来的光强来判断有没有出现故障问题。

模块简介：

光照强度传感器主要由光敏元件组成。

此元件目前的发展速度很快，种类多，适用范围很广。

此传感器通过感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。

图3-2光照强度传感器

硬件原理：

光照强度传感器J1接口为一个5V电源引脚，一个SCL引脚，一个SDA引脚，一个GND引脚，对应ArduinoNano的I2C接口（即A4，A5））。

J2接口为一个，5V电源引脚，一个DVI（GPIO）引脚，一个GND引脚，DVI对应ArduinoNano的A0接口。

图3-3光照强度传感器接口原理图

本模块上主要是通过BH1715芯片获取数据。

SDA引脚为I2C数据引脚，SCL引脚为I2C时钟引脚，DVI引脚为SDA，SCL端口参考电压，DVI端口为内部寄存器的异步重置端口。

通过I2C接口进行通信即可控制芯片进行数据采集功能。

图3-4光照强度传感器原理图

3.2.3红外人车检测电路

模块简介：

热释红外传感器使用外部中断功能，需要连接到IMX6魔法师Cortex-A系列底板的P5接口。

图3-5热释红外传感器

此传感器是由一种高热电系数的材料制成的探测元件。

其尺寸是2*1mm。

图3-6热释红外传感器接口原理图

图3-7热释红外传感器原理图

硬件原理：

热释红外传感器接口为一个5V电源引脚，一个中断引脚，一个GND引脚。

该模块接口对应ArduinoNano的A2接口。

图3-7中的RE200B是热释电远红外被动式传感器，U1A、U1B是两级放大器。

传感器检测到人体红外线后产生的感应信号很微弱，