劉博，張鵬，劉克桓，于江，李國靜

（承德應用技術職業(yè)學院智能制造系，河北承德，067000）

0 引言

隨著現(xiàn)代化的不斷進步，夜間不黑暗延長了人們的日常生活、工作時間，美化城市建設，提高了人們的生活質量，不斷滿足人們對美好生活的向往與需求。照明系統(tǒng)作為城市發(fā)展的重要組成部分，也是校園、醫(yī)院、機場、圖書館等場所實現(xiàn)夜間服務和排除安全隱患的重要保障。各式各樣的道路指示燈不斷地涌現(xiàn)到了人們?nèi)粘Ｉ町斨?，也就造成了公共路燈管理的復雜性、資源的過度消耗，并且由于道路指示燈固有設備安裝相對分散，對于精準監(jiān)控和高效維修都造成了極大困難。智能路燈的建設，能夠有效解決能源浪費問題，但仍存在秩序性較差、智能數(shù)據(jù)分析水平較低的現(xiàn)象[1]。比如在校園、醫(yī)院、機場、圖書館等場所深夜活動人員較少，出于公眾安全角度仍然保持的照明。但對于夜晚出行較少情況時，保持燈光照明不僅僅浪費了電能，也會產(chǎn)生光污染，加劇了供電緊張，也影響了居民的夜生活質量；或者對于路燈的分段集中控制，控制策略單一或集成度高，不利于因地制宜，若各具特色又不利于管理和維護，傳統(tǒng)依靠人們對環(huán)境判斷進行手動控制時代遠遠滿足不了如今社會發(fā)展需求。

目前，國內(nèi)對智慧照明的課題研究非常廣泛，采用的方式多樣，具備各自優(yōu)缺點，但仍不能滿足公眾日益增長的社會需求，節(jié)能方案的不完善也會造成重大安全隱患，更換原有照明設施或系統(tǒng)也會帶來較大的資本投入。與此同時，大多數(shù)城市仍采用傳統(tǒng)路燈系統(tǒng),對相應照明系統(tǒng)統(tǒng)一管理，定時開關[2-3]。應用傳感器、單片機、電子電路設計及物聯(lián)網(wǎng)等技術，在保證原有功能基礎上，進行實時監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并進行分析和處理，達到照明燈光呼吸燈變化效果。更重要的是，本設計采用ESP32型芯片，其自帶無線通信模塊可以連接指定 WiFi 網(wǎng)絡[4-6],提供了道路指示燈控制輔助設備，結構小巧、使用方便，適用于控制LED、白熾燈等多種設備，可直接加裝于固有設備電源輸入線路中，極大程度降低了設備升級成本，使得本實用新型裝置設計更具有使用和應用價值。

1 總體設計方案及工作原理

本室內(nèi)外智能感應路燈控制器設計是基于ESP32單片機的控制裝置，其人性化設計符合生物體感光需求，從廣泛地兼容性、結構精巧、手機無線控制等方面進行設計，滿足基本的節(jié)能需求，整體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

單片機是本裝置的核心，配有基本的時鐘、復位電路、電源和程序下載等基本電路，滿足基本工作需求。由傳感器進行信號采集與傳輸，由單片機進行分析和處理，實現(xiàn)根據(jù)環(huán)境光照強度進行自動檢測，提供人體感應模式、常亮、常閉等多種工作模式，其人體感應模式可以實現(xiàn)照明燈光由暗到亮的緩慢效果，適應人眼感光的生物體特質需求。與此同時，充分運用傳感器的數(shù)據(jù)采集，進行在線故障診斷和報警，提高后續(xù)維修效率。

針對智慧燈光控制策略，采用了PWΜ控制技術和繼電器控制原理，實現(xiàn)多種控制功能，滿足對LED、日光燈等燈具實現(xiàn)控制。設計交流信號過零檢測電路，精準控制占空比，避免調(diào)光過程延遲對視覺感官造成的影響。并設置日光燈、LED燈等接口形式，可在不改變原有照明設備的基礎上加裝本實用新型裝置，實現(xiàn)相應的控制功能。電路PCB布局緊湊，尺寸形狀通用，布局走線合理，提高抗干擾能力，結構精巧，便于安裝。

單片機采用ESP32系列芯片，其具備WiFi和藍牙功能，開發(fā)相應微信小程序，便于維護人員進行參數(shù)更改和數(shù)據(jù)維修，同時該平臺可一對一更改也可以一對多更改，滿足了不同環(huán)境下的個性化設置需求。應用物聯(lián)網(wǎng)控制技術，結合電子電路設計，實現(xiàn)設備在工作狀態(tài)下的在線故障檢車和程序自動下載更新功能，將檢測故障信息發(fā)送至終端服務器，向控制室技術員進行實時報警。

圖2 主控電路

2 硬件電路設計

2.1 主控電路

本設計以ESP32單片機為核心進行主控電路的設計，包含時鐘、復位及程序下載等電路部分，通過I/O接口和轉換插針連接至故障檢測、調(diào)光控制、傳感器等電路，提供硬件程序下載接口進行程序修改、維護和升級。通過采用DS3231時鐘芯片可以提供精確的計時功能，帶有溫度補償，采用8引腳、150milSOIC封裝，為主控電路提供年月日、時分秒等信息。

2.2 電源轉換電路

圖3 電源轉換電路

電源轉換電路主要由220V交流電輸入及以HLK-10Μ12為核心的AC220V轉DC12V和以LΜ2596R為核心的DC12V轉DC3.3V兩個降壓電路直流部分組成。為了適應各類場所的電源接入形式，通過設置電源接口P1，引入220VAC，以滿足固有照明系統(tǒng)升級需求。其DC12V用于繼電器控制電路和LED燈珠的PWΜ控制電路供電部分，DC3.3V用于ESP32的VDD引腳及過零檢測、故障檢測等電路。

圖4 傳感器信息采集電路

2.3 傳感器信息采集電路

人體紅外傳感器可以檢測狀態(tài)[7],通過傳感器信息采集電路中主要實現(xiàn)對行人經(jīng)過和光照強度的測量，將光照強度測量的L_AD和人體傳感器檢測的H_AD分別通過ESP32的IO32、IO33引腳傳送至主控電路，由ESP32完成信息處理并發(fā)送控制指令，實現(xiàn)相應的呼吸燈控制、行人路徑預測、是否開啟燈光等功能。

2.4 照明控制電路

采用PWΜ控制技術、繼電器控制方式，實現(xiàn)對照明燈光的有效控制。其P2、P3、P5分別用于連接相應照明裝置，采用PT4115芯片，驅動一個或多顆個LED；采用ΜOC3020光電耦合器用于可控硅驅動調(diào)光；采用JSΜ1器件進行繼電器控制。在PWΜ控制技術的應用中，為避免照明燈光頻閃或延遲等現(xiàn)象，影響控制效果，設計了過零檢測、自檢電路設計，其自檢電路采用電阻、DB107、電容等電子器件提供基準電壓；過零檢測電路采用光電耦合器TLP620、電阻等電子器件實現(xiàn)對AC信號的0V電壓信號。由IO13將過零檢測結果傳送至ESP32，通過IO12或IO27獲取ESP32運算分析輸出的工作模式和占空比等信息，從而達到呼吸燈控制效果。在繼電器控制部分，是ESP32的IO25向繼電器控制電路發(fā)送命令信號。

2.5 故障檢測電路

故障檢測電路分為繼電器故障檢測和220V電燈故障檢測電路，分別針對繼電器控制模式和PWΜ控制模式。采用LΜ358Μ/TR運算放大器、光電耦合器PC817C、電阻、電容進行故障信號采集，并將故障檢測信息通過IO26、IO14傳送至主控電路核心控制器件ESP32芯片，最終運用物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)送至控制中心。

圖5 照明控制電路

圖6 故障檢測電路

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)主控電路程序選用C語言編寫，選用的代碼編譯平臺為VisualStudioCode，流程圖如圖7所示。程序當中提供三種不同控制模式，控制條件依據(jù)控制中心設置，通過單片機的WiFi功能，向服務器發(fā)送和接收相關數(shù)據(jù)信息，進行燈光控制。

圖7 主控程序流程圖

與此同時，為方便用戶和維修工作人員使用，開發(fā)了相應的手機端平臺，手機端界面顯示如圖8所示。通過服務器實現(xiàn)裝置和手機端連接，用戶可以用手機更改本發(fā)明裝置燈光亮度、光敏程度、定時信息及廣播文本及圖片數(shù)據(jù),靈活調(diào)整設備參數(shù)。滿足照明場所燈光控制及行人位置信息提示功能。

圖8 手機界面示意圖

4 實驗測試

本產(chǎn)品設計及仿真測試采用的立創(chuàng)EDA在線編輯器，該平臺具有高效的PCB設計工具，可進行2D、3D預覽（見圖9）。通過原理圖設計和仿真分析，經(jīng)過電氣分析和在線測試，進行了本產(chǎn)品實物制作和測試。并運用示波器針對PWΜ控制過程中的波形進行了實時監(jiān)測（見圖10），達到了良好的控制效果。

圖9 PCB布線三維示意圖

5 結論

本設計裝置可在不改變固有照明設備的基礎上，對照明線路進行升級，以ESP32為核心的室內(nèi)外路燈調(diào)節(jié)器設計不僅滿足照明路燈控制的需求，提高照明系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保價值，還能夠提供手機端控制維修、故障診斷、個性化更改等功能，滿足公路、校園、圖書館、醫(yī)院等多種室內(nèi)外公共區(qū)域照明需求。采用C語言進行開發(fā)，提高了設備功能的智能型，提供人機界面交互功能，強化了設備的使用維護性。呼吸燈的控制效果設計，不僅僅滿足了人體感光需求，與此同時兼具預判行人移動軌跡的功能，避免了夜間燈光亮起的延遲性所造成的安全隱患。隨著照明系統(tǒng)使用該裝置升級，可有效提高節(jié)能、個性化照明效果。

圖10 實物測試及示波器測量數(shù)據(jù)曲線