Como construir o seu próprio projeto de iluminação pública automática

Introdução: Ilumine o seu mundo automaticamente

Imagine uma realidade: o mundo lá fora está bem iluminado; as luzes acendem-se nas horas certas e apagam-se de acordo com o dia ou a noite - tudo isto sem necessidade de trabalho manual. Isto não é um pensamento futurista, e não está muito longe no futuro; é a verdade com a iluminação pública automática. Para além de proporcionar segurança no seu quintal, os sistemas inteligentes de iluminação pública também podem ajudar a poupar energia durante as horas de luz em pequenas vias comunitárias. Com o chapéu de um construtor ou de um entusiasta da bricolage, é provável que goste de configurar o seu sistema automático de controlo da iluminação pública para aprender as noções básicas de eletrónica, tecnologia baseada em sensores e automatização do controlo. Esta é uma viagem que não só ajuda a iluminar um espaço, mas também a sua mente sobre o funcionamento dos sistemas de iluminação pública.

Este guia alinha-se com as suas paixões DIY, detalhando como transformar as suas luzes de rua em iluminadores inteligentes. Ou, se for um estudante a trabalhar num projeto escolar, este guia servirá como base para os conceitos mais avançados. Aprenderá os princípios básicos e os componentes necessários e, em seguida, trabalhará nas etapas práticas de construção. Continuaremos a explorar possibilidades avançadas e a discutir aspectos da vida real do seu sistema de iluminação pública.

Componentes essenciais para a sua luz de rua automática

Para fabricar candeeiros de rua automáticos, existem alguns componentes electrónicos básicos que funcionam em conjunto na unidade para iluminar a rua e detetar o nível de luz. É, por isso, vital apreciá-las:

• Sensor de luz (por exemplo, resistência dependente da luz - LDR): Este serve como o "olho" do sistema. A resistência eléctrica de um LDR muda consoante a intensidade da luz que incide sobre ele. Embora os LDRs sejam os preferidos dos amadores pelo seu baixo preço e facilidade de utilização, existem alternativas mais sofisticadas, como os fotodíodos ou os fototransístores, que têm propriedades diferentes.
• Controlador/Interruptor (por exemplo, transístor ou microcontrolador): Este é o componente do "cérebro"; recebe informações do LDR de luz e controla a fonte de luz.
  • Transístor (como o BC547): Nos circuitos básicos, um transístor funciona como um interrutor automático. Noutros circuitos, ele vai evocar em função da luz que incide sobre o circuito LDR, que decidirá se a ordem de acender será enviada à lâmpada através do condensador ou não.
  • Microcontrolador (como Arduino, ESP32): Com um microcontrolador programável, podem ser realizados projectos mais avançados, uma vez que este pode ler dados de sensores, processá-los com base em limites e tempos específicos e controlar a fonte de luz através de saídas digitais. Com esta lógica, podem ser executadas tarefas mais complexas.
• Luz Fonte (por exemplo, Díodo emissor de luz – LED): Os LEDs são os mais preferidos para projectos de iluminação DIY, uma vez que são energeticamente eficientes, duráveis e pequenos. Se pretender simular uma iluminação mais brilhante, pode utilizar vários LEDs normais, LEDs de alta potência ou pequenos módulos de LED que requerem um circuito de controlo de apoio.

• Outros componentes necessários:
  • Resistências: Necessário para ligar os sensores, controlar a corrente e a tensão para garantir os níveis necessários no circuito, bem como para os LEDs, e proteger os componentes electrónicos.
  • Transformador: Para aqueles cujos projectos envolvem a transformação de corrente alternada em tensão contínua para os diferentes componentes do circuito.
  • Potência Fonte: Emite energia eléctrica, que pode ser proveniente de baterias de 9 Volts para pequenos projectos portáteis, enquanto os adaptadores de corrente contínua de 12V e 24V também são aplicáveis. Outras fontes incluem painéis solares integrados e baterias para funcionamento fora da rede.
  • Materiais de ligação: Os componentes requerem fios, breadboards para prototipagem, ou perfboards/PCBs para construções mais permanentes.
  • Relés/transístores de potência: Um relé ou um transístor de potência mais potente (como um MOSFET) servirá como interrutor intermédio se controlar uma fonte de luz que exija uma tensão ou corrente mais elevada do que o circuito de controlo primário consegue gerir.

A escolha dos componentes varia consoante a complexidade do projeto, a potência de luz necessária e a fonte de alimentação disponível. O projeto mais simples poderia consistir num LDR, várias resistências, um transístor e um LED, tudo alimentado por uma pequena bateria. Em contrapartida, a versão mais potente e mais completa envolverá um microcontrolador com LEDs mais avançados e uma fonte de alimentação mais substancial.

Benefícios da implementação de luzes de rua automáticas na sua comunidade

A implementação da iluminação pública automática, mesmo em pequena escala, oferece vantagens significativas:

• Melhorado Eficiência energética: As luzes automáticas com sensores de luz tendem a acender-se apenas do anoitecer ao amanhecer. Os sistemas automatizados LED proporcionam maiores poupanças de energia, entre 30% e mais de 70%, quando comparados com os sistemas tradicionais ou com as luzes programadas por temporizadores.
• Inferior Custos operacionais: Uma redução no consumo geral de energia da comunidade está diretamente ligada a uma redução no custo da eletricidade da comunidade. As poupanças resultantes da redução do consumo de energia podem ser redireccionadas para outros programas comunitários importantes.
• Reduzido Manutenção & Extended Lifespan: A iluminação é activada apenas quando necessária, o que reduz ainda mais a acumulação de horas de funcionamento. Isto é particularmente benéfico para os LEDs com uma classificação de 50 000 horas, uma vez que a sua substituição é menos frequente, prolongando a vida útil e reduzindo os custos de mão de obra associados. A automatização também elimina o esforço necessário para a comutação manual.
• Melhorado Segurança e Segurança: A iluminação controlada dos caminhos depois de escurecer elimina a possibilidade de acidentes e muitos crimes, melhorando a segurança dos residentes.
• Ambiental Responsabilidade: Aumento da segurança, sustentabilidade ambiental e conservação de energia através da utilização de iluminação automatizada sofisticada, o que diminui a pegada de carbono global.

Construindo um projeto básico de iluminação pública automática de circuito LDR

Agora, vamos explorar o caso mais simples: uma luz de rua construída com um LDR e um transístor. Nesta fase, o objetivo é construir um projeto que demonstre circuitos electrónicos simples controlados por níveis de luz, como uma introdução à eletrónica básica.

O objetivo principal é conceber um circuito em que a resistência dependente da luz (LDR) controla a corrente de base do transístor, e o transístor acciona o LED como um interrutor. No escuro, a resistência do LDR é alta. Isto permite que alguma corrente flua para a base do transístor, que o liga. Isto ilumina a lâmpada. Com luz, a resistência do LDR é baixa, o que significa que a corrente será desviada da base, pelo que o transístor se desligará e a lâmpada apagar-se-á.

Passo 1: Configurar o resistor dependente de luz (LDR)

O LDR deve ser ligado a um circuito que traduzirá a sua alteração no valor da resistência numa alteração correspondente em alguma tensão. A maneira mais fácil de conseguir isso é usar o LDR com um resistor fixo numa configuração simples de circuito divisor de tensão. Conecte um terminal do LDR à fonte de tensão positiva (por exemplo, terminal positivo da bateria) e o outro terminal a um terminal de um resistor (que chamaremos de R1 e de valor entre 10kΩ e 100kΩ). O outro terminal de R1 está ligado a uma fonte de tensão negativa (terra). A tensão na junção entre o LDR e R1 varia consoante a intensidade da luz. Num ambiente fortemente iluminado, a tensão na junção será baixa porque a resistência do LDR é baixa. Na escuridão, a resistência do LDR é elevada, pelo que a tensão na junção será mais alta. Esta tensão irá controlar o transístor.

O posicionamento do LDR é muito importante. Deve ser colocado numa posição em que a luz circundante possa ser detectada. É preferível posicionar o LDR virado para cima, para o céu, mas deve estar protegido da luz LED que controla. Se a luz do LED atingir o LDR, isso causará problemas de cintilação. A luz acende-se, o LDR detecta-a, apaga a luz, o LDR detecta a escuridão, acende a luz e este ciclo continua.

Passo 2: Ligar o circuito para automatização

Pegue na tensão de saída da superfície do seu divisor de tensão (o ponto de união do LDR e de R1) e ligue-a à base do transístor NPN (por exemplo, BC547) através de outra resistência (que designaremos por R2 e que é normalmente de cerca de 1kΩ). Esta resistência garante que a corrente que entra na base do transístor é limitada. O emissor do transístor NPN tem de ser ligado ao terminal negativo da sua fonte de alimentação (normalmente designado por terra).

O terminal positivo da fonte de alimentação deve ser ligado ao LED (através da perna positiva, o ânodo, com uma resistência limitadora de corrente R3, normalmente 330Ω para um LED normal de 5 mm alimentado a 9V). O cátodo, que é a perna negativa do LED, liga-se ao coletor do transístor NPN.

Eis um fluxo simplificado do seu funcionamento:

• Luz do dia: Alta intensidade luminosa -> Baixa resistência do LDR -> Baixa tensão na junção do LDR e R1 -> Corrente de base insuficiente para o transístor -> O transístor está desligado -> Nenhuma corrente flui através do LED -> O LED está desligado.
• Escuridão: Baixa intensidade luminosa -> Alta resistência do LDR -> Alta tensão na junção do LDR e R1 -> Corrente de base suficiente para o transístor -> O transístor está ligado -> A corrente flui através do LED -> O LED está ligado.

Enquanto estiver a fazer protótipos numa placa de ensaio ou a soldar componentes numa placa de perfuração ou PCB, certifique-se de que todas as ligações estão seguras. Não ligue a alimentação até que se confirme que o LED e a pinagem do transístor (Base, Coletor, Emissor) estão ligados na polaridade correta. Durante a ligação, uma ajuda visual de um diagrama de circuito básico pode ser extremamente útil e é facilmente acessível online.

Controlo avançado com Arduino

Para os sistemas automatizados básicos, o par LDR e transístor é bastante simples e eficiente. A adição de microcontroladores como o Arduino Uno ou o ESP32 abre caminhos para projectos muito mais complexos. Um LDR pode ser lido por um Arduino, que pode então controlar (através de saídas digitais) um LED ou uma luz potente através de um relé após o processamento dos dados.

Com os Arduinos, a caraterística mais relevante a considerar é a programabilidade. Em vez de depender dos limiares definidos pelos componentes de um dispositivo, é possível definir no código os valores exactos que ligam e desligam a luz. A histerese pode ser incorporada com facilidade, podem ser definidos atrasos de tempo e podem ser satisfeitas condições muito mais racionais e complexas.

Para criar esta versão, vai precisar de: uma placa Arduino, uma fonte de alimentação para o Arduino, um LED com uma resistência limitadora de corrente, uma resistência de 10 kΩ e fios de ligação.

Tal como anteriormente, ligue o LDR e a resistência para formar um divisor de tensão. A junção do LDR e da resistência deve ser ligada a uma das entradas analógicas do Arduino (por exemplo, A0). O LED e a sua resistência são ligados a uma das saídas digitais do Arduino (por exemplo, o pino 9 ou 10 se for utilizado o PWM para regulação da intensidade da luz; caso contrário, qualquer pino digital como o 7 ou o 8 serve).

O código Arduino envolverá:

1. Leitura do valor analógico do pino de entrada do LDR (0-1023). Este valor situar-se-á entre 0 e 1023 (para um ADC de 10 bits).
2. Mapeamento deste valor analógico para um nível de luz. Um valor mais elevado do divisor de tensão significa menos luz no LDR.
3. Definir um valor limite. Quando a leitura do LDR ultrapassa este limiar (indicando escuridão), o pino de saída do LED é colocado em ALTO. Quando ultrapassar outro limiar (indicando luz suficiente), rode o pino de saída do LED para BAIXO. A utilização de limiares ligeiramente diferentes para ON e OFF ajuda a evitar a cintilação quando os níveis de luz estão próximos do ponto de comutação.
4. Opcionalmente, utilizar a modulação da largura de impulso (PWM) num pino digital compatível (0-255) para controlar a luminosidade do LED, permitindo a regulação da intensidade luminosa.

A versatilidade do microcontrolador permite uma modificação simples. Por exemplo, pode ser implementado um controlo baseado no tempo (por exemplo, regulação da intensidade da luz à noite) com a adição de um módulo de relógio em tempo real (RTC), e podem ser implementadas outras caraterísticas de poupança de energia integrando sensores adicionais, tais como infravermelhos passivos (PIR) ou sensores de radar que detectam movimento e só activam ou acendem as luzes quando é detectada a presença.

Otimização do seu projeto para utilização no mundo real

A construção de um circuito numa placa de ensaio é útil como ponto de partida. No entanto, a colocação de uma luz de rua automática requer considerações adicionais relativamente à longevidade, funcionalidade e segurança.

Dicas de segurança e proteção contra intempéries

Todas as actividades eléctricas ao ar livre requerem considerações meteorológicas. Os componentes podem ser afectados pela chuva, humidade, poeira ou mudanças de temperatura, além de constituírem um risco para a segurança. É obrigatório proteger o seu circuito numa caixa à prova de intempéries com uma classificação IP adequada para utilização no exterior. Todas as ligações eléctricas devem ser resistentes à humidade e estar protegidas. Se estiver a utilizar energia eléctrica, o que quase nunca é sugerido para projectos de bricolage, consulte um eletricista e tome medidas de proteção GFCI.

Para projectos de alimentação CC de baixa tensão, como baterias ou adaptadores CC, o risco é menor; no entanto, a proteção contra curto-circuitos e humidade continua a ser importante para prolongar a vida útil do equipamento e evitar danos. Outros sensores, como o LDR, devem estar desobstruídos, mas a placa de circuitos deve estar protegida. O vedante de silicone pode ajudar a manter a integridade estrutural quando utilizado à volta dos pontos de entrada dos cabos.

Melhorias de eficiência energética

É possível fazer muitas coisas para além de ligar e desligar o sistema para poupar energia.

• LED Seleção: Utilize LEDs de alta eficiência. Um LED normal de 5 mm é suficiente para modelos pequenos, mas nos candeeiros de rua reais, são utilizados LEDs de alta potência devido à sua eficiência superior a 150 lúmenes por watt.
• Escurecimento: Tal como explicado na secção Arduino, adicionar a capacidade de regulação da intensidade da luz é uma das optimizações mais poderosas. A luz não precisa de estar no seu brilho máximo durante toda a noite. Pode ser reduzida para um nível mais baixo durante as horas de silêncio e apenas acender quando detecta movimento. Isto reduz ainda mais o consumo de energia em mais 30-50% para além da simples automação de ligar/desligar.
• Integração solar: Como uma abordagem ecológica e autónoma, pode ser adicionado um painel solar, um controlador de carga e uma bateria recarregável. O painel solar carrega a bateria durante o dia, enquanto a bateria pode alimentar a luz durante a noite. Para tal, é necessário determinar com exatidão a dimensão do painel solar e da bateria, bem como o consumo de energia e a irradiação solar da região, em comparação com o consumo de energia da luz.

Desafios comuns e resolução de problemas

Mesmo os sistemas electrónicos relativamente simples podem apresentar problemas durante a instalação do seu sistema. Aqui estão cinco problemas típicos em projectos de iluminação pública automática e as respectivas soluções:

1. A luz mantém-se constantemente acesa (dia e noite):
   1. Causa possível: O circuito LDR não controla corretamente a entrada do transístor/microcontrolador. A configuração demasiado alta (para o Arduino) ou a utilização de resistências polarizadas é incorrecta (para o circuito LDR).
   2. Resolução de problemas: Verificar a cablagem do LDR e a saída do divisor de tensão. Verifique a tensão na entrada da base do transístor/microcontrolador em função do tempo. Esta deve mover-se significativamente. Modificar os valores das resistências R1/R2 de acordo com o código ou limiar definido. Evitar que o LDR seja protegido contra a luz.
2. A luz nunca se acende:
   1. Causa possível: Não há alimentação para o circuito, o LED está incorretamente ligado, o LED ou o transístor estão danificados, não há corrente devido a uma ligação incorrecta (a corrente não pode fluir) ou o valor de polarização foi alterado para um valor inferior.
   2. Resolução de problemas: Confirmar as ligações à fonte de alimentação e os valores de tensão correspondentes. Confirmar as ligações corretas dos LEDs, verificar a polaridade. Modificar todas as peças, se possível com testes. Verificar meticulosamente todas as ligações de acordo com o diagrama. Alterar o limiar definido no código e as resistências de controlo de polarização.
3. A luz pisca ou liga-se/desliga-se repetidamente perto do nascer ou do pôr do sol:
   1. Causa possível: À medida que o LED se ilumina, a luz que atinge o LDR pode oscilar em torno do limiar, mantendo o LDR causador a oscilar ligado a mudanças rápidas em torno da passagem por zero.
   2. Resolução de problemas: Reposicionar os LDR de forma a ficarem fora do campo de visão da luz do LED. No código Arduino, adicione histerese: limiares diferentes para ligar e desligar.
4. A sensibilidade é demasiado baixa ou demasiado alta (a luz liga-se/desliga-se em níveis de luz errados):
   1. Causa possível: O valor da resistência fixa no divisor de tensão (R1) não é adequado para o LDR específico, ou o limiar do código (para o Arduino) precisa de ser ajustado.
   2. Resolução de problemas: No caso do circuito LDR/transístor, experimente valores diferentes para R1 (muitas vezes é utilizado um potenciómetro nos projectos para ajustar este valor). Para o Arduino, ajuste o valor do limiar digital no código até que a luz acenda no nível de luz ambiente desejado.
5. Os componentes sobreaquecem ou gastam energia rapidamente:
   1. Causa possível: Utilização de resistências inadequadas, uma vez que demasiada potência está a sobrepor-se a transístores de tampa de contentor solta, são utilizados transístores de carga baixa ou estão a ser utilizadas peças/fontes de alimentação subdimensionadas.
   2. Resolução de problemas: Verificar os cálculos de todas as resistências, especialmente a resistência em série ligada ao LED. Certifique-se de que o transístor selecionado é tolerante à corrente para a carga. Escolha uma fonte de alimentação com capacidade de corrente.
   3. A resolução destes problemas num projeto contribui para o desenvolvimento de competências mais sofisticadas e exige mais capacidade de resolução de problemas.

Este projeto pode ser ampliado para comunidades maiores?

É uma oportunidade educativa notável enquanto constrói o seu próprio projeto de iluminação pública automática, quer seja um circuito simples ou um sistema sofisticado baseado em Arduino. O projeto incute as noções básicas de eletrónica, lógica de programação e princípios de automatização. Pode ser criado para uso privado, para exercícios educativos ou para iluminar uma pequena área de um caminho de jardim e um alpendre, entre outros locais.

Pensar em colocar um sistema de iluminação pública automatizado numa rua inteira, num parque, num grande campus ou num complexo comercial muda a sua mentalidade de bricolage para as partes mais críticas da implementação.

O escalonamento manual de dezenas ou mesmo centenas de unidades criadas individualmente coloca sérios problemas à medida que a complexidade do sistema aumenta para além das suas capacidades pessoais de bricolage:

• Consistência e Fiabilidade: Enquanto em termos de desempenho idêntico, todas as unidades partilham resultados semelhantes num ambiente diversificado, com a montagem manual e os componentes mistos, a consistência do desempenho resume-se em grande medida às condições ambientais.
• Instalação e Manutenção: Com todos os aspectos combinados, a instalação de unidades com artesanato individual causa um labirinto complexo e interminável, tentando manter um controlo centralizado, sem pontos de controlo para monitorização remota, acelerando ainda mais a resolução de problemas.
• Robustez e longevidade: As condições climatéricas adversas e as condições ao ar livre exigem uma total ausência de incertezas, juntamente com componentes testados, bem como impermeabilização e resistência para que a estrutura resista durante anos e décadas enquanto estiver exposta aos elementos. Tudo isto faz parte da necessidade de componentes de nível industrial, que os projectos de bricolage muitas vezes não têm.
• Integração de funcionalidades avançadas: A implementação de funcionalidades inteligentes pró-activas, como a manutenção preditiva, a integração com redes inteligentes à escala da cidade e a regulação inteligente adaptável ao fluxo de tráfego, exige sistemas avançados e protocolos de comunicação correspondentes, que vão para além dos projectos normais de bricolage.
• Garantia e assistência: Os serviços de suporte e garantia não estão disponíveis para projectos do tipo "faça você mesmo". Os serviços profissionais para reparações ou substituições são da exclusiva responsabilidade do indivíduo.

Quando considerar uma solução profissional

Quando as suas necessidades abrangem áreas maiores ou comunidades inteiras e vão para além de um único projeto, as limitações das soluções de bricolage tornam-se evidentes. É nesta fase que uma solução fiável e em escala sistema automático de iluminação pública A WOSEN oferece soluções de iluminação profissional concebidas para responder às suas necessidades. Tal como a WOSEN, um fabricante especializado, oferece vantagens distintas para soluções de iluminação profissional adaptadas a implementações significativas:

• Construído para fiabilidade e longevidade: Ao contrário das construções para amadores, os candeeiros de rua LED profissionais são construídos com materiais de alta qualidade e são concebidos de forma robusta, garantindo 50 000 horas de vida útil, classificações elevadas de resistência às intempéries (IP66) e resistência a condições exteriores extremas. Juntamente com períodos de garantia robustos de 5 a 7 anos, estas reivindicações proporcionam uma confiança e uma garantia inestimáveis.
• Caraterísticas sensoriais sofisticadas: Da simples deteção de presença de luz, o grau profissional vai muito além disso. A deteção de movimento é activada por radar especializado e sensores humanos integrados nas luminárias, permitindo uma regulação adaptativa da intensidade luminosa que melhora consideravelmente a eficiência energética e a segurança.
• Controlo centralizado sem esforço e escalabilidade por níveis: Gerir muitas luzes DIY pode facilmente transformar-se num pesadelo logístico. As soluções de nível profissional têm operações de terminal inteligentes e tecnologia de malha LoRa integrada para uma comunicação estável que permite o controlo, a gestão e a monitorização de uma rede inteira a partir de um único ponto de acesso.
• Padrões inabaláveis e produção de rendimento: É necessário um desempenho consistente em todas as unidades durante o escalonamento. Empresas como a WOSEN notaram a capacidade de produzir consistentemente com precisão até 300.000 unidades por mês, o que é um forte contraste com a variabilidade das construções individuais de bricolage. A WOSEN também garante a alta qualidade uniforme necessária para projectos de grande escala.

Ao optar por uma solução profissional, está a garantir um investimento em fiabilidade, funcionalidades avançadas e escalabilidade, que são complexas quando automatização da iluminação a nível comunitário.

Conclusão: O futuro da iluminação pública automatizada

A criação do seu próprio modelo automatizado do candeeiro de rua dá-lhe uma visão do mundo dos sensores, circuitos e automação. Desde os circuitos básicos de LDR e transístor até aos sistemas programáveis mais avançados controlados por Arduino, obtém competências que lhe darão uma apreciação da forma como a tecnologia melhora e torna os ambientes mais fáceis.

As partes essenciais foram discutidas, um modelo básico foi construído, o potencial dos microcontroladores foi descrito, optimizações importantes como a impermeabilização e a eficiência energética foram abordadas e a resolução de problemas comuns foi explicada. As etapas de criação do modelo de iluminação pública automatizada são infinitas e podem certamente ajudar na aprendizagem, no entanto, há um limite quando se trata de escalonamento.

A forma como os candeeiros de rua funcionam atualmente é previsível, mas a integração de novas tecnologias cria oportunidades para funcionalidades autónomas e inteligentes. Interruptores básicos de crepúsculo-até-amanhecer, candeeiros de rua equipados com sensores de luz que ajustam os seus níveis com base no tráfego, estruturas avançadas de cidades inteligentes e muitos outros sistemas, todos beneficiam as comunidades e os cidadãos, contribuindo para uma maior segurança, sustentabilidade e habitabilidade. Quer continue a procurar desafios avançados de bricolage, quer procure respostas profissionais de maior dimensão, estes princípios de iluminação automática serão sempre úteis até chegar o momento em que seja necessário construir um ambiente inteligente mais avançado.