خلاصة
في عالم اليوم، يتم استهلاك المزيد من الكهرباء بسبب إضاءة الشوارع. ويرجع ذلك إلى التشغيل المستمر للإضاءة أثناء الليل.لتقليل استهلاك الطاقة وإهدارها، يجب على النظام أن يجمع بين الشبكة الحالية والذكاء حتى يتمكن من التفكير بنفسه.يتيح هذا المفهوم المطور حديثًا ضبط أضواء الشوارع تلقائيًا بناءً على ظروف حركة المرور في الوقت الفعلي والتغيير وفقًا للظروف الطبيعية (اكتمال القمر). تتناول هذه الورقة تطوير وتنفيذ مصابيح الشوارع منخفضة التكلفة المعتمدة على أجهزة الاستشعار، والتي بدورها تقلل من استهلاك الطاقة وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون. يشتمل هذا النظام على مستشعر IR، ومستشعر PIR، وجهاز تحكم مدمج منخفض التكلفة وجهاز تخزين.
۱- مقدمة
تعتبر الكهرباء أحد المطالب المشتركة للناس في العالم، وعلى الرغم من إمكانية إنتاجها، إلا أنها لا تلبي الحاجة المحددة. وللتغلب على ذلك يجب توفير الكهرباء في ساعات عدم الاستخدام، ويصعب جداً على الإنسان مراقبتها والتحكم فيها. في عالم اليوم، يتم إنفاق ۶۰% من الكهرباء المنتجة على إنارة الشوارع بسبب تشغيلها المستمر ليلاً.ولتقليل استهلاك الطاقة، من الضروري توظيف التكنولوجيا المتقدمة لنظام إنارة الشوارع. محتوى هذه الورقة هو نظام إضاءة الشوارع الديناميكي الذي يقلل من هدر الطاقة وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون. يقوم هذا النظام بتكييف مستويات الإضاءة بذكاء بناءً على الظروف الجوية وكثافة حركة المرور.يتم ضبط هذه المستويات أو شدة الإضاءة ديناميكيًا من خلال أجهزة الاستشعار ووحدات التحكم الدقيقة وفقًا لكثافة تيار الخط. يتم تضمين ميزة خارجية أيضًا في النظام، بحيث تقوم أضواء الشوارع بتكييف الإضاءة بناءً على الميزات الطبيعية مثل ظروف اكتمال القمر، ولا تشرق الأضواء إلا بنصف شدتها الطبيعية.
الهندسة المعمارية الذكية لإضاءة الشوارع
الشكل ۱. أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء وشرطة التدخل السريع في لين
تتكون هذه البنية من عدة مستشعرات IR وPIR موضوعة على طرفي الخط لاكتشاف كثافة المارة. يتم وضع هذه المستشعرات على مسافة معينة وتقوم بنقل المعلومات عند اكتشاف السيارة. تتواصل أجهزة الاستشعار مع بعضها البعض من خلال اتصال سلكي. هنا، يتم استخدام الاتصال السلكي لتقليل التكلفة.يوفر تنفيذ إضاءة الشوارع الذكية وإضاءة الشوارع الديناميكية طريقة سهلة لتقليل استهلاك الطاقة وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون. هذا النظام لديه القدرة على التحكم في التدفق في الوقت الحقيقي. يتكون كل قسم من أجهزة الاستشعار من أجهزة استشعار تعمل بالأشعة تحت الحمراء وPIR للكشف عن التيار.هنا يتم استخدام هذين المستشعرين لتحسين دقة الكشف. ترتبط هذه المستشعرات بوحدة التحكم الدقيقة حيث تتم معالجة البيانات وضبط مستويات الإضاءة. كلما اكتشف المستشعر أحد المارة، فإنه يتواصل مع أضواء الشوارع القريبة ويقوم بتشغيل الأضواء المحيطة.عندما لا يتم اكتشاف أي نشاط، يتم تعتيم أضواء الشوارع إلى مستوى جهد منخفض ثم يتم تشغيلها إلى مستوى جهد عالٍ عند اكتشاف الحركة. ونظراً لتقدم الصناعات، فإن هذا النظام سوف يلعب دوراً رئيسياً في توفير استهلاك الكهرباء دون التأثير على الراحة. يوضح الشكل ۱ الرسم التخطيطي لنظام إضاءة الشوارع الديناميكي مع أجهزة استشعار IR وPIR في الخط.
رسم تخطيطي لأضواء الشوارع الديناميكية
يوضح الشكل ۲ المخطط التفصيلي لنظام إضاءة الشوارع الديناميكي. يتكون المخطط التفصيلي من أنظمة فرعية مختلفة مثل وحدة الاستشعار ووحدة التحكم الدقيقة ونظام الإضاءة. تتكون وحدة الاستشعار من مستشعرات IR وPIR للكشف عن كثافة الخط.يتم توصيل وحدة تحكم دقيقة منخفضة الطاقة بوحدة الاستشعار لضبط مستوى شدة الإضاءة بناءً على الكثافة. يتم توصيل المتحكم الدقيق بنظام الإضاءة. الوحدة بأكملها مدعومة بالبطاريات. تقوم وحدة الاستشعار بإجراء اتصالات داخلية لمسح الأضواء على طول الطريق.
الشكل ۲. رسم تخطيطي أساسي لنظام إضاءة الشوارع الديناميكي
كشف ومراقبة إنارة الشوارع
۳.۱ وحدة التشخيص
تتكون وحدة الكشف من أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء وأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء السلبية على كل جانب من الخط، والتي تكتشف ازدحام الخط أو التيار وترسل البيانات إلى وحدة التحكم الدقيقة للمعالجة. يتم وضع وحدات الاستشعار هذه على جانبي الطريق لتشغيلها بشكل منفصل على كل جانب.
تتواصل وحدات الاستشعار هذه مع بعضها البعض أثناء عملها. عندما يتم اكتشاف شخص ما في المسار، تقوم الوحدة بتشغيل أضواءها، وكذلك الأضواء المجاورة، بحيث يمكن إحاطة الشخص بدائرة ضوء آمنة.يتم تحقيق ذلك بسبب التواصل بين أجهزة الاستشعار. يتغلب هذا التحكم الديناميكي في أضواء الشوارع على هدر الطاقة الكهربائية الذي هو مطلوب بشدة في أزمة الطاقة الحالية. في هذا التحكم الديناميكي، تلعب وحدة الكشف دورًا مهمًا لاستشعار كثافة الخط واتخاذ الإجراءات المقابلة من خلال وحدة التحكم الدقيقة.
۳.۲ التحكم في إنارة الشوارع من خلال الحسابات
من وحدة الاستشعار، يتم نقل البيانات إلى وحدة التحكم الدقيقة التي يتم من خلالها التحكم الديناميكي في ضوء الشارع، والذي يظهر مخطط التدفق الخاص به في الشكل ۳.
الشكل ۳: مخطط تدفق نظام إضاءة الشوارع الديناميكي
يشرح المخطط التدفقي التحكم في الإضاءة في نظام إضاءة الشوارع الديناميكي. في البداية تتم قراءة جميع القيم المتعلقة بالكثافة من خلال وحدة القياس. يقوم أولاً بالتحقق مما إذا كان هناك أي حركة في الخط، ثم ينقسم إلى قسمين فرعيين.
۱. إذا كانت هناك أي بيانات حركة، فسوف تتألق الأضواء عند سطوعها العالي وتتواصل مع المستشعر القريب لتشغيل الأضواء المحيطة.
۱۱. وبخلاف ذلك، تشرق الأضواء بربع سطوعها الأصلي وتتواصل مع الجيران لإجراء نفس العملية.
وبالتالي فإن النظام يسمح بسطوع عالي لكثافة أعلى وسطوع أقل لكثافة أقل. الخط ذو تيار التكثيف المنخفض يوفر استهلاك الكهرباء للمستقبل ويقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. نظام التحكم في عداد أضواء الشوارع متضمن أيضًا في هذا النظام. تتم عملية العد في المتحكم الدقيق نفسه. سيكون هناك يوم اكتمال القمر كل ۳۰ يومًا. تم تصميم العداد بحيث أنه كلما وصل العداد إلى مضاعف ۳۰، انخفض الضوء إلى ۲۵% من سطوعه الأصلي. ويؤدي تطبيق هذا النظام في المدينة إلى توفير استهلاك الكهرباء بنسبة ۶۰% وبالتالي تقليل ثاني أكسيد الكربون.
۴. إعداد الاختبار
۴.۱ كشف الكثافة
يتم وضع أجهزة الاستشعار على طرفي الطريق. وهو يتألف من مستشعر الأشعة تحت الحمراء والأشعة تحت الحمراء السلبية. تُستخدم هذه المستشعرات للكشف عن ازدحام الخط. تعطي هذه المستشعرات مخرجات رقمية إما ۰ فولت أو ۵ فولت حسب الاكتشاف.
لنفترض أنه إذا تم اكتشاف حركة في خط معين، فإنه يخرج ۵ فولت، وإلا فإن جهد الخرج هو ۰. تتم معالجة قيم الإخراج هذه من خلال متحكم Atmega128.تمت برمجة المتحكم الدقيق لتحليل كثافة الخط وإعطاء تحكم ديناميكي في شدة أضواء الشوارع. مع هذا النظام، يمكن لأضواء الشوارع أن تفكر بنفسها وتضبط شدة الضوء. باستخدام المقاومات المعتمدة على الضوء، يتم تشغيل وإطفاء أضواء الشوارع تلقائيًا.في هذا النظام، يظل المتحكم الدقيق في وضع السكون أثناء النهار وينتقل إلى الوضع النشط أثناء الظلام. تتم هذه العملية تلقائيًا من خلال مراقبة الضوء الطبيعي.
۴.۲ المتحكم الدقيق والتحكم في الإضاءة
يعمل المتحكم الدقيق بشكل مشترك لجميع وحدات الاستشعار، ولكن يتم التحكم في السطوع بشكل منفصل لكل مستشعر للحصول على دقة أفضل. يتم اكتشاف كثافة الخط من خلال وحدة الاستشعار واستقبالها في المتحكم الدقيق. يقوم هذا المتحكم الدقيق بالتحكم الديناميكي في شدة الضوء وينقل الإشارة إلى نظام الإضاءة. يتم تحقيق هذا التحكم الديناميكي من خلال تعديل عرض النبض في Atmega128. عادةً ما تكون أنظمة الإضاءة عبارة عن مصابيح LED وبخار الصوديوم.
۵. مفهوم العمل
في البداية، يتم وضع أجهزة استشعار IR وPIR على جانبي الطرق بناءً على كثافة حركة المرور. ترتبط هذه المستشعرات بوحدة التحكم الدقيقة الشائعة.بالنسبة لشارع واحد، يكفي متحكم واحد فقط لإجراء العملية. يستشعر المستشعر معلومات كثافة الخط وينقل الإشارة إلى وحدة التحكم الدقيقة.يحتوي كل خط على أجهزة استشعار خاصة به تعمل على إنشاء اتصال داخلي بينهما.يتلقى المتحكم الدقيق التعليمات من وحدة الاستشعار ويقوم بتحليل كثافة الخط، والتي بدورها تتحكم في شدة أضواء الشوارع.يظهر النموذج الصغير للنظام في الشكل ۴. يقوم المتحكم الدقيق بمعالجة البيانات وفقًا لمخطط التدفق. وتنتقل هذه الإشارات المعالجة إلى نظام الإضاءة، حيث تتنوع شدة الضوء. يتم إرسال الإشارة إلى الضوء القريب لاتخاذ الإجراء اللازم بناءً على الحركات.
الشكل ۴. مخرجات محاكاة المتحكم الدقيق لنظام إضاءة الشوارع الديناميكي
۶. نتائج
وتشمل النتيجة التشغيل الناجح لنظام إضاءة الشوارع الديناميكي. يقلل من فقدان الطاقة خلال ساعات عدم الاستخدام. يتحكم هذا النظام في شدة الأضواء بناءً على كثافة الخط. يمكن أيضًا تسمية هذا النظام باسم مصابيح الشوارع الذكية أو مصابيح الشوارع الذكية التي تفكر بنفسها.
۷. خاتمة
يعرض هذا البحث نظام إنارة الشوارع منخفض التكلفة من خلال أجهزة الاستشعار لتقليل الطاقة الكهربائية. يتم اختبار نظام إضاءة الشوارع الديناميكي هذا من خلال أجهزة استشعار IR وPIR ويتم الحصول على المخرجات من خلال برنامج محاكاة proteus7. ومن خلال إدخال هذا النظام، يمكن تقليل أزمة الطاقة في عالم اليوم إلى حد ما.
