基于遠(yuǎn)程監(jiān)控的多功能小區(qū)智能路燈系統(tǒng)

張琴 劉忠富 田維香 王明明

Abstract： Aiming at the problem of increasing street lamp management and energy-saving street lamp， this paper designs a control system of remote intelligent street lamp based on 51-MCU.Taking 51 single chip microcomputer as the core， combined time control with optical control， the system could control the street lamp on or off in real time； at the same time， the status information of the street lamp is collected， and the collected information is uploaded to the upper-level monitoring device through the WiFi network interface， and the real-time maintenance of the street lamp is realized.The intelligent street lamp system designed in this paper has the function of light and dark detection of street lamp environment， street lamp control， fault detection and so on， which improves the efficiency of street lamp management and has certain use value.

引言

近年來(lái)，伴隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，諸如路燈等城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在陸續(xù)提出各類(lèi)創(chuàng)新升級(jí)需求。對(duì)于街市路燈來(lái)說(shuō)，其消耗的電量即是面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一。電力資源的供求緊張使得路燈的節(jié)能建設(shè)已然刻不容緩。針對(duì)這一現(xiàn)實(shí)狀況，采取選用智能路燈控制系統(tǒng)即已尤顯迫切與重要。由于室外環(huán)境的不確定性與特異性，導(dǎo)致對(duì)路燈的管理頗具一定的技術(shù)難度。特別是不同季節(jié)的白晝長(zhǎng)短會(huì)有變化，各種陰晴天氣原因等也會(huì)對(duì)路燈的及時(shí)開(kāi)關(guān)帶來(lái)實(shí)際作用與影響。并且，當(dāng)路燈發(fā)生故障以后，維修人員則需要被及時(shí)告知何處路燈發(fā)生了故障[1]。基于此，本文擬采用單片機(jī)為核心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路燈故障，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用在路燈系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化的研發(fā)中，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。下面將對(duì)此展開(kāi)研究論述。

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程智能路燈系統(tǒng)的構(gòu)成主要分為3部分，也就是： 底層傳感器檢測(cè)模塊、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊、WiFi通信電路[2]。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。其中，底層傳感器模塊不斷采集光照以及路燈電流大小，并把數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理，當(dāng)在時(shí)鐘定時(shí)范圍內(nèi)、并且光照強(qiáng)度低于設(shè)定值時(shí)，路燈開(kāi)啟。當(dāng)光照強(qiáng)度高于設(shè)定值、并且不在時(shí)鐘模塊定時(shí)范圍內(nèi)時(shí)，路燈將切斷工作，此時(shí)路燈關(guān)閉。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

本設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)，主要利用單片機(jī)的引腳P2.6 讀取由環(huán)境明暗檢測(cè)模塊發(fā)送的高低電平，并存到存儲(chǔ)器中，51單片機(jī)具有4 k字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器、片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路等[3]。此外，還需要由引腳P2.7接到路燈控制模塊，來(lái)發(fā)出路燈的開(kāi)關(guān)指令。51單片機(jī)在使用時(shí)需加上復(fù)位電路和晶振電路以構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。

單片機(jī)最小系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)中的核心部分，用來(lái)讀取底層傳感器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。同時(shí)把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)給路燈控制模塊，讓路燈控制模塊控制路燈的開(kāi)關(guān)。而且，還與WiFi模塊進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)處理后的數(shù)據(jù)則將發(fā)送給WiFi 的協(xié)調(diào)器，再通過(guò)WiFi網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控[4]。

2.2環(huán)境明暗檢測(cè)電路

環(huán)境明暗檢測(cè)模塊采用光敏電阻和A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADC0832 共同構(gòu)成，用來(lái)檢測(cè)路燈周?chē)拿靼挡?shù)據(jù)傳給單片機(jī)，而且與實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊相配合以協(xié)同控制路燈的開(kāi)關(guān)。光敏電阻與A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADC0832 的CHO腳相連[5]。而A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADC0832 的通道0 通過(guò)遠(yuǎn)程智能路燈控制系統(tǒng)中光敏電阻的阻值設(shè)計(jì)變化以運(yùn)算得到相應(yīng)的電壓值。根據(jù)光照強(qiáng)度的變化，由此得到的電壓值也會(huì)有所不同。通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADC0832，把得到的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832 通過(guò)DO、DI、CLK 等引腳與51單片機(jī)的P3.6、P3.7、P3.5 等相連。

51單片機(jī)通過(guò)這些引腳讀取數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，這就將不同的光照強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓值，再將其二次變換為結(jié)果數(shù)字信號(hào)，也就使51單片機(jī)對(duì)于底層光敏電阻采集的光照值經(jīng)由分析以及一系列技術(shù)研發(fā)步驟后，再將其輸出用于控制路燈開(kāi)關(guān)。

2.3時(shí)鐘模塊電路

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊主要由DS1302、晶振以及紐扣電源構(gòu)成。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊在遠(yuǎn)程智能路燈的控制系統(tǒng)中主要用于設(shè)定時(shí)間段，讓路燈在一段時(shí)間內(nèi)可以處于環(huán)境明暗檢測(cè)模塊的控制作用下，而在其余時(shí)間內(nèi)則不會(huì)接受環(huán)境明暗檢測(cè)模塊的控制。VCC 提供電源，但VCC2 接入電壓值為3 V 的紐扣電源BT1，用于電源出現(xiàn)故障時(shí)也能保持DS1302 的正常計(jì)時(shí)狀態(tài)。在X1腳與X2 腳之間加入一個(gè)Y2 為32.768 KHz的晶振并連接在一起。DS1302 的RST、I/O、SLCK 端分別同單片機(jī)的P2.1、P2.2、P2.3相連，為了確保其正常工作給電路增加了阻值為10 K的上拉電阻。時(shí)鐘模塊在遠(yuǎn)程智能路燈控制系統(tǒng)中并非僅有計(jì)時(shí)作用，同時(shí)也可在一定的時(shí)間段內(nèi)配置管控路燈的開(kāi)關(guān)。時(shí)鐘模塊的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.4故障檢測(cè)電路

故障檢測(cè)模塊是遠(yuǎn)程智能路燈控制系統(tǒng)的一個(gè)重要部分。路燈的故障檢測(cè)模塊主要是由電流互感器、整流電橋電路、濾波電路、電壓比較電路以及光耦電路構(gòu)成。基本的作用就是檢測(cè)路燈的接入電纜中是否有電流流過(guò)，如果有電流流過(guò)并在正常范圍內(nèi)，則表明路燈此時(shí)正常工作。反之，當(dāng)路燈的接入電纜的電流值低于或高于正常的電流值的范圍時(shí)，則表明此時(shí)路燈并沒(méi)有正常工作。通過(guò)電流互感器以及電壓比較器LM393 將采集值發(fā)送給單片機(jī)處理后，再經(jīng)由WiFi網(wǎng)將信息發(fā)送給上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控路燈的工作狀態(tài)。當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出警示，從而利于路燈檢修，并可節(jié)省大批的人力以及物力。

2.5路燈控制電路

路燈控制系統(tǒng)由繼電器、三極管、續(xù)流二極管以及發(fā)光二極管等構(gòu)成。設(shè)計(jì)中，三極管的發(fā)射極連接繼電器的一端，并通過(guò)電阻R4與發(fā)光二極管D1相連，同時(shí)與續(xù)流二極管D2 相連。繼電器、發(fā)光二極管以及續(xù)流二極管D2的另一端共地。同時(shí)，三極管PNP 的集電極接VCC。三極管PNP 的基極通過(guò)電阻R1與單片機(jī)的P1.0 相連。當(dāng)PNP 的基極電壓為高電平時(shí)，三極管沒(méi)有導(dǎo)通，此時(shí)繼電器打開(kāi)，而發(fā)光二極管D1不工作。反之，當(dāng)PNP三極管的基極電壓為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)的繼電器閉合、而發(fā)光二極管D1導(dǎo)通并發(fā)光。綜合上述過(guò)程即可有效控制路燈的開(kāi)關(guān)。路燈控制模塊的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.6WiFi通信電路

通信核心芯片采用ESP8266。ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi 透?jìng)髂K，擁有業(yè)內(nèi)極富競(jìng)爭(zhēng)力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專(zhuān)為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶(hù)的物理設(shè)備連接到WiFi 無(wú)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[6]。

若使該設(shè)計(jì)電路進(jìn)入正常工作只需3處接線，分別是：VCC和CH_PD接3.3電源正極，GND接地。而據(jù)研究可知，USB-TTL下載模塊上則具備了3.3 V的電源。再使用串口調(diào)試，就要將模塊與下載器的TXD和RXD進(jìn)行交叉連接。WiFi通信模塊電路設(shè)計(jì)可如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程智能路燈控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，主要分為底層傳感器模塊以及單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊和WiFi通信傳輸模塊[7]。通過(guò)軟件的設(shè)計(jì)可以讓遠(yuǎn)程智能路燈控制模塊的各部分展開(kāi)有序工作，從而滿(mǎn)足遠(yuǎn)程智能路燈控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)需求。同時(shí)，通過(guò)軟件研發(fā)可以對(duì)硬件操作設(shè)計(jì)最佳流程、做到優(yōu)化運(yùn)行，最終達(dá)到對(duì)硬件資源的合理調(diào)度應(yīng)用。首先，研究給出了底層傳感器模塊和單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)。具體來(lái)說(shuō)，單片機(jī)控制底層硬件重點(diǎn)分為數(shù)據(jù)處理以及控制數(shù)據(jù)輸出2部分。其中，數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)采集等環(huán)節(jié)。而單片機(jī)控制數(shù)據(jù)輸出就是指讓單片機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的功能步驟提供展示與輸出。其次，就是WiFi子程序的調(diào)用設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸。系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計(jì)流程則如圖5所示。

4結(jié)束語(yǔ)

本文研發(fā)了一種基于51單片機(jī)的遠(yuǎn)程智能路燈的控制系統(tǒng)。文中設(shè)計(jì)了環(huán)境監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、路燈控制、電源轉(zhuǎn)換等硬件電路，并隨即提出了與其配套的底層傳感器、單片機(jī)和WiFi 傳輸?shù)溶浖O(shè)計(jì)。本次研究解決了不同地區(qū)源于季節(jié)差異、天氣變換等因素而導(dǎo)致的資源浪費(fèi)問(wèn)題，方便對(duì)路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，還可及時(shí)查證路燈的照明狀態(tài)，并能夠針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題第一時(shí)間做出應(yīng)對(duì)處理，方便小區(qū)居民的工作與生活。

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