基于虛擬照度傳感器的智能路燈控制器設(shè)計(jì)*

李燁君 ，王代強(qiáng) ，2

（1.貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴陽(yáng)550025；2.貴州民族大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，貴陽(yáng)550025）

1 引 言

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(kāi)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。在此基于STM32 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。

2 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[1]，從整體上實(shí)現(xiàn)路燈的開(kāi)閉、調(diào)光、故障檢測(cè)及上報(bào)等功能?？刂破骺傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 智能路燈控制系統(tǒng)總體方案框圖

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(kāi)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。

3 虛擬照度傳感器構(gòu)建

虛擬傳感器構(gòu)建流程如圖2，它主要針對(duì)難以直接測(cè)量或直接測(cè)量成本比較高的被測(cè)量，通過(guò)對(duì)相關(guān)量進(jìn)行測(cè)量，再對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，可間接獲取被測(cè)量的信息[2]。虛擬照度傳感器構(gòu)建的主要思路是，首先獲取傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)[3]，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是將照度傳感器測(cè)量到的光強(qiáng)值存入STM32，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后輸出一路占空比可變的PWM方波，即相應(yīng)占空比；虛擬傳感器根據(jù)同等條件下測(cè)得的光敏電阻相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)取所保存的相應(yīng)占空比數(shù)據(jù)，模擬真實(shí)傳感器輸出量控制調(diào)光。

圖2 虛擬傳感器構(gòu)建流程圖

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1.1 單片機(jī)主控模塊

以STM32F103C8T6 作為整體設(shè)計(jì)控制芯片[4]，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(kāi)閉及調(diào)光。這一部分模塊的電路圖如圖3 所示。

圖3 單片機(jī)主控模塊電路

4.1.2 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220 V 輸入后經(jīng)由交流調(diào)壓模塊將電壓轉(zhuǎn)換為交流12 V，之后經(jīng)AC-DC 轉(zhuǎn)換電路得到+12 V，利用LM 系列芯片將+12 V 轉(zhuǎn)換為+5 V與+3.3 V，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。這一部分模塊電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 供電模塊電路圖

4.1.3 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0～65535 lx，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)。

4.1.4 LED 控制模塊

LED 控制電路包括燈的開(kāi)閉和調(diào)光兩部分設(shè)計(jì)。路燈的定時(shí)開(kāi)閉利用繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通過(guò)PB7 引腳輸出高/低電平。引腳輸出的電流可能不足以驅(qū)動(dòng)繼電器，因此串聯(lián)一個(gè)三極管進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)繼電器，并在繼電器兩端并聯(lián)一個(gè)二極管用來(lái)保護(hù)電路[5]。當(dāng)輸出低電平時(shí)，三極管Q1 導(dǎo)通，繼電器吸附，此時(shí)路燈打開(kāi)；相反輸出高電平時(shí)，繼電器斷開(kāi)，路燈關(guān)閉[6]。

當(dāng)路燈打開(kāi)時(shí)，即可進(jìn)行PWM 調(diào)光控制。單片機(jī)通過(guò)讀取到光強(qiáng)值，產(chǎn)生一路占空比可變的PWM方波，控制場(chǎng)效應(yīng)管D4184 使之工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整輸入脈沖的占空比來(lái)調(diào)節(jié)路燈亮暗。LED控制模塊電路如圖5 所示。

圖5 LED 控制模塊電路

4.1.5 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。電壓及電流數(shù)據(jù)采集電路如圖6 所示。

圖6 電能采集模塊電路

4.1.6 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，8 kB 的RAM 使其具有各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力[7]，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)。Zigbee 接口電路如圖7 所示。

圖7 Zigbee 接口電路模塊

4.2 軟件程序設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的主程序流程如圖8。當(dāng)集中協(xié)調(diào)器上命令傳達(dá)時(shí)，從機(jī)接收命令并根據(jù)命令做出具體反應(yīng)，對(duì)LED 執(zhí)行開(kāi)閉操作或調(diào)節(jié)PWM 占空比進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)；若無(wú)命令傳達(dá)時(shí)，則進(jìn)行自主控制，定時(shí)對(duì)路燈進(jìn)行開(kāi)閉控制，并根據(jù)讀取到的指令調(diào)節(jié)占空比進(jìn)行調(diào)光控制。采集電壓、電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷是否發(fā)生故障，將運(yùn)行狀態(tài)信息和路燈對(duì)應(yīng)的位置編碼一起上報(bào)。上位機(jī)通過(guò)解析上傳數(shù)據(jù)下發(fā)執(zhí)行命令，若故障發(fā)生無(wú)法解決則可通過(guò)預(yù)設(shè)的編碼規(guī)則確定路燈位置進(jìn)行人工維修。

圖8 系統(tǒng)主程序流程圖

5 測(cè)試結(jié)果與分析

所設(shè)計(jì)的智能路燈控制器的硬件實(shí)物圖如圖9所示。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)，詳細(xì)如表1 所示。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[8]，達(dá)到節(jié)省成本的目的。

圖9 路燈控制器實(shí)物圖

6 結(jié) 束 語(yǔ)

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)。