基于虛擬照度傳感器的智能路燈控制器設(shè)計(jì)

寧紅衛(wèi)

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和智慧型城市理念的提出，路燈的智能控制在近年來(lái)開始受到更多人的關(guān)注與研究。智能路燈控制應(yīng)用在城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的路燈照明系統(tǒng)中，能夠在節(jié)約能源和節(jié)省成本上起到很大的作用。通過(guò)對(duì)實(shí)際應(yīng)用情況的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前多數(shù)路燈系統(tǒng)仍然存在控制方式偏于傳統(tǒng)、效率低下和能源浪費(fèi)等問(wèn)題，且現(xiàn)有大多數(shù)智能路燈控制技術(shù)在利用照度傳感器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)光時(shí)都有成本過(guò)高的問(wèn)題。在此設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于路燈智能控制系統(tǒng)的單燈控制器，將光敏電阻和傳感器對(duì)光照的反應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比結(jié)合，利用虛擬傳感器概念，以實(shí)現(xiàn)路燈精細(xì)智能控制，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)使用成本的降低。

關(guān)鍵詞：虛擬照度;傳感器;智能路燈;控制器設(shè)計(jì)

引言

針對(duì)當(dāng)前大多數(shù)道路路燈的實(shí)際控制方式過(guò)于傳統(tǒng)、成本高且人工效率低等問(wèn)題，提出一種基于虛擬照度傳感器的智能路燈控制器設(shè)計(jì)方案。

1總體設(shè)計(jì)框圖

設(shè)計(jì)以STM32作為主控芯片，主要完成外圍硬件電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)兩部分，包括：電源模塊、虛擬照度傳感器檢測(cè)模塊、故障檢測(cè)模塊、控制模塊以及Zigbee通信模塊，從整體上實(shí)現(xiàn)路燈的開閉、調(diào)光、故障檢測(cè)及上報(bào)等功能。所設(shè)計(jì)控制器在實(shí)際工作中采用虛擬照度傳感器檢測(cè)環(huán)境明暗變化，并以此為依據(jù)進(jìn)行PWM調(diào)光控制;利用繼電器實(shí)現(xiàn)路燈的開閉功能;利用電流及電壓傳感器以及BL6523Gx電能計(jì)量芯片采集電能數(shù)據(jù)進(jìn)行故障檢測(cè);故障的上報(bào)是利用制定的編碼規(guī)則，上傳路燈的對(duì)應(yīng)編碼來(lái)顯示位置。

2虛擬照度傳感器構(gòu)建

構(gòu)造虛擬傳感器對(duì)難以直接測(cè)量或成本較高的被測(cè)信息進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)測(cè)量相關(guān)量，然后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，間接地獲得測(cè)量信息。虛擬照度傳感器的主要思想是首先獲取傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，然后將傳感器的光強(qiáng)值存儲(chǔ)到STM32中，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后輸出一個(gè)可變占空比的PWM方波，根據(jù)光敏電阻的數(shù)據(jù)，虛擬傳感器可以獲得占空比的數(shù)據(jù)，并模擬真實(shí)傳感器的輸出來(lái)控制調(diào)光。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1硬件電路設(shè)計(jì)

3.1.1單片機(jī)主控模塊

以STM32F103C8T6作為整體設(shè)計(jì)控制芯片，由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、Boot引腳電路、JTAG下載電路等組成單片機(jī)系統(tǒng)電路。單片機(jī)PB10、PB11接BL6523Gx電能計(jì)量芯片，采集電流及電壓值進(jìn)行故障檢測(cè);PA0接照度檢測(cè)模塊;PB6與PB7是輸出引腳，控制LED燈的開閉及調(diào)光。

3.1.2供電模塊

系統(tǒng)中各模塊的工作電壓均是由此模塊電路轉(zhuǎn)換所得到。交流220V輸入后經(jīng)由交流調(diào)壓模塊將電壓轉(zhuǎn)換為交流12V，之后經(jīng)AC-DC轉(zhuǎn)換電路得到+12V，利用LM系列芯片將+12V轉(zhuǎn)換為+5V與+3.3V，并在芯片兩端接入濾波電容使電源輸出更加平滑穩(wěn)定，能夠滿足單片機(jī)、電能采集等模塊的供電需求。

3.1.3虛擬照度傳感器模塊

設(shè)計(jì)選用PR-GZ-3002型照度傳感器來(lái)進(jìn)行前期傳感器數(shù)據(jù)獲取。光照強(qiáng)度量程的跨度為0～65535lx，測(cè)量的光強(qiáng)數(shù)據(jù)輸出信號(hào)接入單片機(jī)PA0引腳，通過(guò)ADC模塊讀取光強(qiáng)值后輸出相應(yīng)PWM占空比控制LED調(diào)光。同時(shí)，在電路中接入光敏電阻。照射光敏電阻的光強(qiáng)的不同，通過(guò)它的電流大小就不同，利用這種電流大小變化，在此處串聯(lián)一個(gè)電阻，即可通過(guò)讀取電壓值判斷外部光線強(qiáng)弱。根據(jù)同等光照條件下光敏電阻電壓值與實(shí)際輸出占空比的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

3.1.4 LED控制模塊

LED控制電路包括兩部分：光開關(guān)和調(diào)光。路燈定時(shí)開關(guān)采用繼電器實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通過(guò)PB7引腳輸出高/低電平。引腳的電流輸出可能不足以驅(qū)動(dòng)繼電器，所以一個(gè)晶體管串聯(lián)起來(lái)放大繼電器，二極管并聯(lián)起來(lái)保護(hù)電路。當(dāng)輸出低時(shí)，三極管Q1接通，繼電器被吸附，路燈接通;當(dāng)輸出高時(shí)，繼電器被關(guān)閉，路燈被關(guān)閉。當(dāng)路燈打開時(shí)，可進(jìn)行PWM調(diào)光控制。單片機(jī)讀取光強(qiáng)值，一路產(chǎn)生可變占空比的PWM方波，控制場(chǎng)效應(yīng)管D4184使其工作在開關(guān)狀態(tài)，調(diào)節(jié)輸入脈沖占空比來(lái)調(diào)節(jié)路燈的亮度和黑暗。

3.1.5電能采集模塊

通過(guò)對(duì)交流輸入端電壓和用電電流及漏電電流的檢測(cè)來(lái)判斷是否故障。此模塊用電壓及電流傳感器檢測(cè)電能數(shù)據(jù)，將測(cè)得的三路數(shù)據(jù)輸入BL6523Gx電能計(jì)量芯片進(jìn)行處理。BL6523Gx是一種單向多功能單子電能計(jì)量芯片，具有兩個(gè)電流采樣端和一個(gè)電壓采樣端，集成了3路ADC、參考電壓、電源管理及處理電參數(shù)的數(shù)字信號(hào)處理電路模塊，可以檢測(cè)一路電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)，通過(guò)串行接口TX向單片機(jī)輸出實(shí)際功率，判斷是否故障。

3.1.6 Zigbee通信模塊

采用CC2530F256為核心設(shè)計(jì)Zigbee通信模塊，它具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，8kB的RAM使其具有各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力，在智能控制領(lǐng)域的應(yīng)用尤其廣泛。芯片的P0.2與P0.3分別與單片機(jī)USART1的PA10、PA9相連，進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的下發(fā)與接收，即接收路燈的運(yùn)行狀態(tài)信息并上傳，同時(shí)把上級(jí)控制命令下發(fā)給單片機(jī)。

3.2軟件程序設(shè)計(jì)

當(dāng)指令在中央?yún)f(xié)調(diào)器上傳輸時(shí)，控制器接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令，根據(jù)指令作出具體響應(yīng)，對(duì)LED執(zhí)行開閉操作或調(diào)整pwm占空比進(jìn)行亮度調(diào)整;如果指令沒(méi)有傳輸，則定期對(duì)路燈進(jìn)行自主控制，并根據(jù)讀取的指令調(diào)整調(diào)光控制的占空比。收集電壓、電流等數(shù)據(jù)，判斷是否有故障，將運(yùn)行狀態(tài)信息與路燈對(duì)應(yīng)的位置代碼一起運(yùn)行。主機(jī)通過(guò)分析上傳的數(shù)據(jù)發(fā)出執(zhí)行命令。如果發(fā)生故障而無(wú)法解決，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的人工維護(hù)編碼規(guī)則確定路燈位置。

3.3測(cè)試結(jié)果與分析

在完成系統(tǒng)搭建后，對(duì)虛擬照度傳感器的工作情況進(jìn)行測(cè)試。外部環(huán)境發(fā)生明暗變化時(shí)，測(cè)得照度傳感器檢測(cè)到的光強(qiáng)值和輸出的PWM占空比，以及光敏電阻兩端電壓值的數(shù)據(jù)。利用這組數(shù)據(jù)，單片機(jī)根據(jù)讀取到的光敏電阻電壓值直接輸出對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)占空比。虛擬傳感器可以代替照度傳感器用于智能調(diào)光控制的照度檢測(cè)與調(diào)光]，達(dá)到節(jié)省成本的目的。

結(jié)束語(yǔ)

綜上，基于STM32單片機(jī)，利用虛擬傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)智能路燈控制器，對(duì)其軟硬件各模塊設(shè)計(jì)要有周全考慮。按照設(shè)計(jì)思路實(shí)際搭建系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該控制器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈的智能調(diào)光、故障檢測(cè)及上報(bào)等功能，并可有效地降低運(yùn)營(yíng)成本，為后續(xù)完整智能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

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