智能路燈系統(tǒng)

陸咸鵬+黃天星+胡麗清+張春柳+李金露

摘 要：基于無線操作網(wǎng)絡(luò)的智能路燈系統(tǒng)，采用先進(jìn)的路由終端wifi組網(wǎng)技術(shù)，搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，ESP8266為開發(fā)平臺，通過傳感器實(shí)現(xiàn)光線強(qiáng)度采集控制，路燈單獨(dú)開關(guān)控制，自動調(diào)光，分組和集體控制并帶有自動報警功能。系統(tǒng)采用高效率的LED光源驅(qū)動，PWM控制和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，太陽能發(fā)電技術(shù)，低成本控制，具有較高的現(xiàn)實(shí)意義和開發(fā)前景。

關(guān)鍵詞：路燈；恒流驅(qū)動；WIFI

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市路燈的電能消耗大，利用率低，效能不高。而隨著人們的環(huán)保節(jié)能意識的逐漸增強(qiáng)，提供一種減少照明時間并且節(jié)約用電，而且還可以降低管理支出的智能型路燈對城市建設(shè)顯得極為重要。因此路燈采用光能發(fā)電，采用低功耗高亮度的LED燈，運(yùn)用ESP8266WIFI模塊進(jìn)行系統(tǒng)的組網(wǎng)的控制，實(shí)現(xiàn)手機(jī)或者其他移動平臺的控制。此方式解決了傳統(tǒng)路燈控制方式不靈活、管理維護(hù)困難和電能資源浪費(fèi)的實(shí)際問題，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣、系統(tǒng)運(yùn)行可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為路燈管理提供高效實(shí)用的解決方案。整個的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)是由遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)，為路燈控制管理提供了先進(jìn)實(shí)用的解決方案，可實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的智能化、信息化、低成本的目標(biāo)，對改善路燈管理，提高節(jié)能控制成效有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用宏晶科技公司產(chǎn)的STC12C5A60S2的單片機(jī)芯片作為主控芯片，采用2路HC-SR501紅外人體傳感器實(shí)現(xiàn)覆蓋270度的探測范圍。路燈主電源采用一面單晶硅高效率太陽能板發(fā)電板，結(jié)合鋰電蓄電池組，升降壓供電模塊，可滿足控制板及路燈主體供電需求。

1.1 外部電源設(shè)計(jì)

太陽能采光電路采用一路步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接太陽能板，并運(yùn)用兩路光強(qiáng)采樣模塊，實(shí)時跟蹤太陽光強(qiáng)，同時驅(qū)動電機(jī)隨太陽轉(zhuǎn)動，保證采光效率最大化。

1.2 內(nèi)部電源設(shè)計(jì)

蓄電池采用ANJING公司的12V7AH電池，通過一路LM2596降壓電路將12V降為5V，供STC12單片機(jī)以及ESP8266模塊工作，另一路采用XL6009升壓電路將12V升為18V供路燈驅(qū)動電路工作。

1.3 光線強(qiáng)度采樣電路

光線強(qiáng)度采樣電路主演采用龍信達(dá)LXD3537B，其靈敏度高，工作穩(wěn)定，響應(yīng)光譜在350nm到750nm，配合10K分壓電阻及濾波電阻組成，通過STC12單片機(jī)得AD采樣端口讀出采樣點(diǎn)電壓，并計(jì)算出光強(qiáng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

每個路燈模組的硬件包括8266WIFI模塊，太陽能發(fā)電模塊，蓄電池供電模塊STC12單片機(jī)中控模塊，LED驅(qū)動電路模塊及路燈實(shí)體六個模塊組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

STC12C5A60S2單片機(jī)為宏晶科技公司開發(fā)的單時鐘單片機(jī)，是高速。低功耗，抗干擾超強(qiáng)的新一代單片機(jī)。內(nèi)部集成2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250KB/S）。片上集成1280字節(jié)RAM。其工業(yè)級工作溫度范圍-40～+85C。

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，擁有業(yè)內(nèi)極富競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。ESP8266硬件接口非常豐富，可支持UART、IIC、PWM、GPIO、ADC等，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場合。最大傳輸速率為：460800bps。ESP8266支持STA/AP/STA+AP 三種模式。

LED電源驅(qū)動電路：

本智能路燈系統(tǒng)采用恒流驅(qū)動方式，選用集成驅(qū)動芯片GM9910B進(jìn)行驅(qū)動路燈工作。GM9910B是一款平均電流模式而且恒定控制的IC芯片。使用降壓拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)來驅(qū)動LED路燈。GM9910B輸出電流精度可達(dá)+/-3%，無需回路補(bǔ)償或側(cè)面電流感應(yīng)，該IC芯片的特色在于其通過間斷模式（HICCUP-MODE）電流限制來實(shí)現(xiàn)LED路燈短路保護(hù)，線性調(diào)光輸入和可輸出PWM調(diào)光策略。GM9910B允許10-500V的寬電壓輸入，大于90%的效率。輸出電流由10MA-1A以上。工作頻率可達(dá)300KHZ。

3 系統(tǒng)調(diào)光控制

3.1 路燈自檢

路燈自檢體系指到路燈開啟時間段后，路燈亮度不足或無法亮起，自檢體系開始工作。自檢系統(tǒng)自動檢測來自LED路燈光源的光強(qiáng)信號，當(dāng)光強(qiáng)低于設(shè)定值時，可判定路燈已無法正常工作，并反饋故障信息。

3.2 自主調(diào)光

路燈正常通電工作后，系統(tǒng)可預(yù)設(shè)光路燈常亮值（默認(rèn)PWM輸出占空比為30%）。

當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)度小于50LUX時，路燈系統(tǒng)正常通電工作。

當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)度在50-150LUX時，路燈系統(tǒng)采用PWM調(diào)光方式。

當(dāng)路燈系統(tǒng)感應(yīng)人體經(jīng)過時，系統(tǒng)輸出PWM占空比為70%，并長亮至人體信號消失。

當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)大于300LUX時，路燈系統(tǒng)關(guān)閉，太陽能發(fā)電系統(tǒng)正常工作。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

路燈是整個路燈控制的核心節(jié)點(diǎn)。ESP8266模組負(fù)責(zé)上位機(jī)與控制核心（STC12C5A60S2單片機(jī)以及其他驅(qū)動模塊）的指令連接。首先，系統(tǒng)默認(rèn)初始化上位機(jī)操作端和節(jié)點(diǎn)控制端，并由ESP8266模塊自行組織客戶端與子服務(wù)端實(shí)現(xiàn)總-分連接。隨后程序進(jìn)入中斷循環(huán)，并實(shí)時檢測是否有來自上位機(jī)操作端的指令數(shù)據(jù)，并根據(jù)外界環(huán)境實(shí)現(xiàn)自我控制。

4.2 路燈終端程序設(shè)計(jì)

路燈終端是為了實(shí)現(xiàn)各子部分信息的傳遞。路燈光線采集控制，來自上位機(jī)操作端的控制，自我控制。路燈自行加入控制網(wǎng)絡(luò)，并監(jiān)聽指令信息，同時進(jìn)入中斷循環(huán)。

4.3 操作軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制軟件是基于JAVA編寫而成的操作端，通過互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議并結(jié)合安信可公司的ESP8266模組，構(gòu)成通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)。上電時，路燈系統(tǒng)控制端自動初始化并搜索連接路燈系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)。同時，STC12單片機(jī)發(fā)送指令啟動ESP8266模組。連接成功后，操作端可發(fā)送指令進(jìn)行實(shí)時控制。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)經(jīng)測試各路燈系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間0.1KM以上可視范圍之間數(shù)據(jù)傳輸，運(yùn)行狀態(tài)良好。路燈運(yùn)用了先進(jìn)的路由搭網(wǎng)技術(shù)的智能路燈系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)低成本的控制，不僅免去路燈布線以及搭線的安裝成本，采用高效率的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，大容量蓄電池，大大節(jié)約電能的同時更加綠色環(huán)保，其高效的驅(qū)動系統(tǒng)，提高了能源的利用率。智能路燈系統(tǒng)的控制終端可由手機(jī)端控制，解決了現(xiàn)有系統(tǒng)路燈的控制平臺的不便，并實(shí)現(xiàn)自動調(diào)光，故障報警的多功能，具有應(yīng)用價值和推廣前景。

參考文獻(xiàn)

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