چکیده
در دنیای امروزی به دلیل روشنایی خیابان ها مقدار بیشتری برق مصرف می شود. این به دلیل عملکرد مداوم روشنایی در طول شب است. برای کاهش مصرف برق و اتلاف انرژی، سیستمی باید شبکه موجود را با هوشمندی ترکیب کند تا خودش بتواند فکر کند. این مفهوم تازه توسعهیافته، چراغهای خیابانی را قادر میسازد تا به طور خودکار بر اساس شرایط ترافیکی در زمان واقعی تنظیم شوند و با توجه به شرایط طبیعی (ماه کامل) تغییر کنند. این مقاله به توسعه و اجرای چراغهای خیابانی مبتنی بر سنسور کم هزینه میپردازد که به نوبه خود مصرف انرژی و انتشار CO2 را کاهش میدهد. این سیستم شامل سنسور IR، سنسور PIR، کنترلر تعبیه شده کم هزینه و دستگاه ذخیره سازی است.
- مقدمه
برق یکی از مطالبات متداول مردم در جهان است، اگرچه می توان آن را تولید کرد اما پاسخگوی نیاز دقیق نیست. برای غلبه بر این امر، برق در ساعات عدم استفاده باید صرفه جویی شود و نظارت و کنترل آن برای انسان بسیار سخت است. در دنیای امروز، ۶۰ درصد برق تولیدی به دلیل کارکرد مداوم آن در شب، صرف روشنایی خیابان ها می شود. برای به حداقل رساندن مصرف برق، باید از فناوری غنی برای سیستم روشنایی خیابان ها استفاده شود. این مقاله در مورد سیستم روشنایی پویای خیابان بحث می کند که اتلاف انرژی و انتشار CO2 را کاهش می دهد. این سیستم به طور هوشمند سطوح روشنایی را بر اساس شرایط آب و هوایی و تراکم ترافیک تطبیق می دهد. این سطوح یا شدت روشنایی به صورت دینامیکی از طریق سنسورها و میکروکنترلر با توجه به چگالی جریان خط تنظیم می شود. یک ویژگی خارجی نیز در این سیستم گنجانده شده است، به طوری که چراغهای خیابانی روشنایی را بر اساس ویژگیهای طبیعی مانند شرایط ماه کامل تطبیق میدهند، و چراغ ها فقط تا حد نیمی از شدت طبیعی خود میدرخشند.
- معماری چراغ خیابانی هوشمند
شکل .۱ سنسورهای IR و PIR در Lane
این معماری متشکل از چندین حسگر IR و PIR است که در هر دو انتهای خط برای تشخیص تراکم رهگذران قرار گرفته اند. این سنسورها در فاصله معینی قرار می گیرند و در زمان شناسایی وسیله نقلیه اطلاعات را بین خود منتقل می کنند. سنسورها از طریق اتصال سیمی با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. در اینجا از اتصال سیمی به منظور کاهش هزینه استفاده می شود. اجرای سیستم روشنایی هوشمند و دینامیک خیابان، روش آسانی را برای کاهش مصرف انرژی و انتشار CO2 فراهم می کند. این سیستم قابلیت کنترل جریان در زمان واقعی را دارد. هر بخش حسگر از هر دو سنسور مادون قرمز و PIR برای تشخیص جریان تشکیل شده است. در اینجا این دو سنسور برای بهبود دقت تشخیص آن استفاده شده اند. این سنسورها به میکروکنترلری که داده ها در آن پردازش شده است متصل می شوند و سطوح روشنایی را تنظیم می کنند. هر زمان که رهگذری توسط سنسور شناسایی شود، با چراغ های خیابان مجاور ارتباط برقرار می کند و نورهای اطراف را روشن می کند. وقتی هیچ فعالیتی تشخیص داده نشود، چراغهای خیابان تا سطح ولتاژ پایین کم میشوند و با تشخیص حرکت تا سطح ولتاژ بالا روشن میشوند. با توجه به پیشرفت صنایع، این سیستم نقش عمده ای در صرفه جویی در مصرف برق بدون تاثیر بر حوزه آسایش خواهد داشت. شکل ۱ نمودار شماتیک سیستم روشنایی پویای خیابان با سنسورهای IR و PIR در خط را نشان می دهد.
- بلوک دیاگرام چراغ های خیابانی پویا
شکل ۲ بلوک دیاگرام سیستم روشنایی پویا خیابان را نشان می دهد. بلوک دیاگرام از زیرسیستم های مختلفی مانند واحد سنجش، واحد میکروکنترلر و سیستم روشنایی تشکیل شده است. واحد حس کننده از هر دو سنسور IR و PIR برای تشخیص تراکم خط تشکیل شده است. میکروکنترلر کم توان به واحد حسگر متصل شده است تا سطح شدت روشنایی را بر اساس تراکم تنظیم کند. میکروکنترلر به سیستم روشنایی متصل است. کل این واحد از باتری ها تغذیه می شود. واحد حس کننده، ارتباطات داخلی را برای پاکسازی چراغ ها در طول مسیر ایجاد می کند.
شکل ۲. بلوک دیاگرام پایه سیستم روشنایی پویای خیابان
تشخیص و کنترل نور خیابان
۳.۱ واحد تشخیص
واحد تشخیص متشکل از حسگرهای مادون قرمز و حسگرهای مادون قرمز غیرفعال در هر طرف خط است که تراکم یا جریان خط را تشخیص داده و داده ها را برای پردازش به میکروکنترلر ارسال می کند. این واحدهای حسگر در هر دو طرف جاده برای عملیات جداگانه در هر طرف قرار می گیرند. این واحدهای حسگر در طول عملیات آن با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. هنگامی که فردی در لاین شناسایی می شود، این واحد، چراغ ها و همچنین چراغ های مجاور خود را روشن می کند، به طوری که فرد می تواند توسط دایره ای امن از نور احاطه شود. این به دلیل ارتباط بین سنسورها به دست می آید. این کنترل دینامیکی چراغ های خیابانی بر هدر رفت انرژی الکتریکی که در بحران انرژی امروزی بیشترین الزام را دارد غلبه می کند. در این کنترل دینامیک، واحد تشخیص نقش مهمی برای حس کردن تراکم خط و انجام اقدامات مربوطه از طریق میکروکنترلر ایفا می کند.
۳.۲ کنترل نور خیابان از طریق محاسبات
از واحد حسگر، داده ها به میکروکنترلری که در آن کنترل دینامیکی نور خیابان انجام می شود، منتقل می شود که نمودار جریان آن در شکل ۳ آورده شده است.
شکل ۳ نمودار جریان سیستم روشنایی پویای خیابان
نمودار جریان، در مورد کنترل روشنایی در سیستم روشنایی خیابانی پویا توضیح می دهد. در ابتدا تمام مقادیر مربوط به تراکم از طریق واحد سنجش خوانده می شود. ابتدا بررسی می کند که آیا حرکتی در خط وجود دارد یا خیر، و سپس به دو بخش فرعی تقسیم می شود.
I. اگر هر گونه دیتای حرکت وجود داشته باشد، نورها با روشنایی بالاتر خود می درخشند و با سنسور مجاور ارتباط برقرار می کنند تا نورهای اطراف را روشن کنند.
II. در غیر این صورت، چراغ ها به اندازه یک چهارم روشنایی اولیه خود می درخشند و برای انجام همان عملیات با همسایه ها ارتباط برقرار می کنند.
بنابراین سیستم اجازه روشنایی بالا برای تراکم بالاتر و روشنایی کمتر برای تراکم کمتر را می دهد. خطی با جریان تراکم کمتر باعث صرفه جویی در مصرف الکتریسیته برای آینده و کاهش انتشار CO2 می شود. در این سیستم کنترل شمارنده چراغ های خیابان نیز گنجانده شده است. عملیات شمارش در خود میکروکنترلر انجام می شود. در هر ۳۰ روز یک روز ماه کامل وجود خواهد داشت. شمارنده طوری ساخته می شود که هر زمان که شمارنده به مضرب ۳۰ برسد، نور تا ۲۵ درصد روشنایی اولیه خود کم می شود. اجرای این سیستم در شهر ۶۰ درصد صرفه جویی در مصرف برق و در نتیجه کاهش CO2 را بهمراه دارد.
۴. راه اندازی آزمایشی
۴.۱ تشخیص تراکم
سنسورها در دو انتهای جاده قرار می گیرند. این از سنسور مادون قرمز و مادون قرمز غیرفعال تشکیل شده است. این سنسورها برای تشخیص تراکم خط استفاده می شوند. این سنسورها خروجی دیجیتالی می دهند که بسته به تشخیص، ۰ ولت یا ۵ ولت است. فرض کنید اگر حرکت در خط خاصی تشخیص داده شود، خروجی ۵ ولت می دهد، در غیر این صورت ولتاژ خروجی ۰ است. این مقادیر خروجی از طریق میکروکنترلر Atmega128 پردازش می شوند. میکروکنترلر برای تجزیه و تحلیل تراکم خط برنامه ریزی شده است و یک کنترل پویا به شدت نورهای خیابان می دهد. با این سیستم، چراغ های خیابان می توانند خودشان فکر کنند و شدت نور را تنظیم کنند. با استفاده از مقاومت های وابسته به نور، چراغ های خیابان به طور خودکار خاموش و روشن می شوند. در این سیستم، میکروکنترلر در طول روز در حالت خواب باقی میماند و در زمان تاریکی به حالت فعال میرود. این عملیات با مشاهده نور طبیعی به صورت خودکار انجام می شود.
۴.۲ میکروکنترلر و کنترل روشنایی
میکروکنترلر به طور مشترک برای تمام واحدهای حسگر عمل می کند، اما کنترل روشنایی به صورت جداگانه برای هر سنسور برای دقت بهتر به دست می آید. تراکم خط از طریق واحد حسگر تشخیص داده می شود و در میکروکنترلر دریافت می شود. این میکروکنترلر کنترل شدت نور دینامیکی را انجام می دهد و سیگنال را به سیستم روشنایی منتقل می کند. این کنترل پویا از طریق مدولاسیون عرض پالس در Atmega128 به دست می آید. به طور معمول سیستم های روشنایی از لامپ های LED و بخار سدیم هستند.
۵. مفهوم کار
در ابتدا حسگرهای IR و PIR بر اساس تراکم حرکت در دو طرف جاده ها قرار می گیرند. این سنسورها به میکروکنترلر مشترک متصل می شوند. برای یک خیابان تنها یک میکروکنترلر برای انجام عملیات کافی است. سنسور اطلاعات مربوط به چگالی خط را حس می کند و سیگنال را به میکروکنترلر منتقل می کند. هر خط سنسورهای خود را دارد که ارتباط داخلی بین آنها برقرار می کند. میکروکنترلر دستورالعمل را از واحد حسگر دریافت می کند و تراکم خط را تجزیه و تحلیل می کند که به نوبه خود شدت نورهای خیابان را کنترل می کند. مدل کوچک سیستم در شکل ۴ نشان داده شده است. میکروکنترلر داده ها را مطابق نمودار جریان پردازش می کند. این سیگنال های پردازش شده به سیستم روشنایی منتقل می شوند که در آن شدت نور متفاوت است. سیگنال به نور نزدیک منتقل می شود تا اقدام لازم را بر اساس تحرکات انجام دهد.
شکل ۴ خروجی شبیه سازی میکروکنترلر برای سیستم روشنایی پویای خیابان
۶. نتایج
نتیجه شامل عملکرد موفقیت آمیز سیستم روشنایی پویای خیابان است. اتلاف انرژی را در ساعات عدم استفاده کاهش می دهد. این سیستم شدت نورها را بر اساس تراکم خط کنترل می کند. این سیستم را میتوان به عنوان چراغهای خیابانی هوشمند یا چراغهای خیابان هوشمند که خود فکر نیز میکنند هم نامید.
۷. نتیجه گیری
این مقاله سیستم روشنایی خیابانی کمهزینه را از طریق حسگرها برای کاهش انرژی الکتریکی ارائه میکند. این سیستم روشنایی خیابانی پویا از طریق سنسورهای IR و PIR آزمایش شده و خروجی ها از طریق نرم افزار شبیه سازی proteus7 به دست آمده اند. با معرفی این سیستم می توان تا حدودی از بحران انرژی در دنیای امروز کاست.