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550025；2.貴州民族大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，貴陽550025）

1 引 言

隨著社會經(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。通過對實際應(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現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)光時都有成本過高的問題。在此基于STM32 設(shè)計一款應(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光照的反應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比結(jié)合，利用虛擬傳感器概念，以實現(xiàn)路燈精細(xì)智能控制，并同時實現(xiàn)使用成本的降低。

2 總體設(shè)計框圖

設(shè)計以STM32 作為主控芯片，主要完成外圍硬件電路設(shè)計及軟件設(shè)計兩部分，包括：電源模塊、虛擬照度傳感器檢測模塊、故障檢測模塊、控制模塊以及Zigbee 通信模塊[1]，從整體上實現(xiàn)路燈的開閉、調(diào)光、故障檢測及上報等功能?？刂破骺傮w設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 智能路燈控制系統(tǒng)總體方案框圖

所設(shè)計控制器在實際工作中采用虛擬照度傳感器檢測環(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 電能計量芯片采集電能數(shù)據(jù)進(jìn)行故障檢測；故障的上報是利用制定的編碼規(guī)則，上傳路燈的對應(yīng)編碼來顯示位置。

3 虛擬照度傳感器構(gòu)建

虛擬傳感器構(gòu)建流程如圖2，它主要針對難以直接測量或直接測量成本比較高的被測量，通過對相關(guān)量進(jìn)行測量，再對測得的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理，可間接獲取被測量的信息[2]。虛擬照度傳感器構(gòu)建的主要思路是，首先獲取傳感器測量數(shù)據(jù)[3]，具體實現(xiàn)過程是將照度傳感器測量到的光強(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

4.1 硬件電路設(shè)計

4.1.1 單片機(jī)主控模塊

以STM32F103C8T6 作為整體設(shè)計控制芯片[4]，由時鐘電路、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 電能計量芯片，采集電流及電壓值進(jìn)行故障檢測；PA0 接照度檢測模塊；PB6 與PB7 是輸出引腳，控制LED 燈的開閉及調(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)計選用PR-GZ-3002 型照度傳感器來進(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，測量的光強(qiáng)數(shù)據(jù)輸出信號接入單片機(jī)PA0引腳，通過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，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)一個電阻，即可通過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際輸出占空比的對應(yīng)關(guān)系，即可實現(xiàn)設(shè)計。

4.1.4 LED 控制模塊

LED 控制電路包括燈的開閉和調(diào)光兩部分設(shè)計。路燈的定時開閉利用繼電器來實現(xiàn)。單片機(jī)通過PB7 引腳輸出高/低電平。引腳輸出的電流可能不足以驅(qū)動繼電器，因此串聯(lián)一個三極管進(jìn)行放大以驅(qū)動繼電器，并在繼電器兩端并聯(lián)一個二極管用來保護(hù)電路[5]。當(dāng)輸出低電平時，三極管Q1 導(dǎo)通，繼電器吸附，此時路燈打開；相反輸出高電平時，繼電器斷開，路燈關(guān)閉[6]。

當(dāng)路燈打開時，即可進(jìn)行PWM 調(diào)光控制。單片機(jī)通過讀取到光強(qiáng)值，產(chǎn)生一路占空比可變的PWM方波，控制場效應(yīng)管D4184 使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整輸入脈沖的占空比來調(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

通過對交流輸入端電壓和用電電流及漏電電流的檢測來判斷是否故障。此模塊用電壓及電流傳感器檢測電能數(shù)據(jù)，將測得的三路數(shù)據(jù)輸入BL6523Gx 電能計量芯片進(jìn)行處理。BL6523Gx 是一種單向多功能單子電能計量芯片，具有兩個電流采樣端和一個電壓采樣端，集成了3 路ADC、參考電壓、電源管理及處理電參數(shù)的數(shù)字信號處理電路模塊，可以檢測一路電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)，通過串行接口TX 向單片機(jī)輸出實際功率，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，同時把上級控制命令下發(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

所設(shè)計軟件系統(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，從機(jī)接收命令并根據(jù)命令做出具體反應(yīng)，對LED 執(zhí)行開閉操作或調(diào)節(jié)PWM 占空比進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)；若無命令傳達(dá)時，則進(jìn)行自主控制，定時對路燈進(jìn)行開閉控制，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)信息和路燈對應(yīng)的位置編碼一起上報。上位機(jī)通過解析上傳數(shù)據(jù)下發(fā)執(zhí)行命令，若故障發(fā)生無法解決則可通過預(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 測試結(jié)果與分析

所設(shè)計的智能路燈控制器的硬件實物圖如圖9所示。在完成系統(tǒng)搭建后，對虛擬照度傳感器的工作情況進(jìn)行測試。

外部環(huán)境發(fā)生明暗變化時，測得照度傳感器檢測到的光強(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)光控制的照度檢測與調(diào)光[8]，達(dá)到節(jié)省成本的目的。

圖9 路燈控制器實物圖

6 結(jié) 束 語

基于STM32 單片機(jī)，利用虛擬傳感器技術(shù)設(shè)計智能路燈控制器，對其軟硬件各模塊設(shè)計要有周全考慮。按照設(shè)計思路實際搭建系統(tǒng)進(jìn)行實驗測試，測試結(jié)果表明，該控制器系統(tǒng)實現(xiàn)了對路燈的智能調(diào)光、故障檢測及上報等功能，并可有效地降低運(yùn)營成本，為后續(xù)完整智能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計與實際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。