基于單片機ESP32的室內外智能感應路燈控制器設計

劉博，張鵬，劉克桓，于江，李國靜

（承德應用技術職業學院智能制造系，河北承德，067000）

0 引言

隨著現代化的不斷進步，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。照明系統作為城市發展的重要組成部分，也是校園、醫院、機場、圖書館等場所實現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到了人們日常生活當中，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、智能數據分析水平較低的現象[1]。比如在校園、醫院、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，傳統依靠人們對環境判斷進行手動控制時代遠遠滿足不了如今社會發展需求。

目前，國內對智慧照明的課題研究非常廣泛，采用的方式多樣，具備各自優缺點，但仍不能滿足公眾日益增長的社會需求，節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也會帶來較大的資本投入。與此同時，大多數城市仍采用傳統路燈系統,對相應照明系統統一管理，定時開關[2-3]。應用傳感器、單片機、電子電路設計及物聯網等技術，在保證原有功能基礎上，進行實時監測現場數據，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，滿足基本的節能需求，整體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

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，實現根據環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據采集，進行在線故障診斷和報警，提高后續維修效率。

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，實現多種控制功能，滿足對LED、日光燈等燈具實現控制。設計交流信號過零檢測電路，精準控制占空比，避免調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，開發相應微信小程序，便于維護人員進行參數更改和數據維修，同時該平臺可一對一更改也可以一對多更改，滿足了不同環境下的個性化設置需求。應用物聯網控制技術，結合電子電路設計，實現設備在工作狀態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[7],通過傳感器信息采集電路中主要實現對行人經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完成信息處理并發送控制指令，實現相應的呼吸燈控制、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，最終運用物聯網技術發送至控制中心。

圖5 照明控制電路

圖6 故障檢測電路

3 系統軟件設計

本系統主控電路程序選用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，控制條件依據控制中心設置，通過單片機的WiFi功能，向服務器發送和接收相關數據信息，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。通過服務器實現裝置和手機端連接，用戶可以用手機更改本發明裝置燈光亮度、光敏程度、定時信息及廣播文本及圖片數據,靈活調整設備參數。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

本產品設計及仿真測試采用的立創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，經過電氣分析和在線測試，進行了本產品實物制作和測試。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為核心的室內外路燈調節器設計不僅滿足照明路燈控制的需求，提高照明系統的節能環保價值，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、醫院等多種室內外公共區域照明需求。采用C語言進行開發，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。隨著照明系統使用該裝置升級，可有效提高節能、個性化照明效果。

圖10 實物測試及示波器測量數據曲線