基于Si4463的道路照明系統的設計與實現

鄔志鋒 王貴恩

摘?要：針對當前城市道路照中普遍存在的能耗過高、人力成本高、智能化程度低等不足，本文結合4G公眾網和無線通信技術設計了實現一套主要由上位機客戶端、4G/RF網關、LED單燈控制器成的道路照明控制系統，該系統實現了路燈的遠程手動或自動控制、路燈狀態監測、路燈—環境協同等功能。該系統已應用于某市政工程，測試表明該系統響應迅速，報障準確，系統穩定，降低了道路照明系統的維護成本，且該系統可以根據環境的亮度、道路上汽車和行人的情況自動調節路燈狀態，保持汽車前方的照明范圍能完全覆蓋駕駛員的安全視距，實現路燈自適應照明，提高了道路照明的智能化。

關鍵詞：道路照明;4G通信技術;自組網;智能化;路燈—環境協同

城市道路照明是社會公共設施的重要組成部分，但是目前路燈行業存在能源費用高和運維費用高兩大痛點[1]，據統計“十二五”期間，我國1064個城市僅主干道照明路燈就新增833萬盞，交裝功率總計407萬千瓦，管理人員約5萬人[2]。為了解決這兩個痛點，提高路燈控制的自動化智能化，近些年發展出了基于電力線通信、GPRS、Lora、NB-IOT、ZigBee等通信技術的路燈系統，但是在實際使用中存在諸如通信干擾較大、延遲較長、易受天氣影響、無法及時發現定位路燈故障、不能進行精準控制等弊端[3]，且無法實時根據路上行人、車輛情況實時調整路燈亮度，不能實現路燈的智能化控制。

針對當前道路照明系統存在的以上不足，本系統融合4G通信技術、無線通信技術和智能傳感器技術設計實現了一種新型智能道路控制系統，主要實現了遠程控制路燈開關、亮度，采集路燈電壓、電流、功率因子等狀態;自動巡檢，自動識別路燈是否故障，并自動告警;實時采集環境光亮度、車流信息、行人信息，并據此調整路燈的亮度等功能，有效解決了以上問題。

1 系統組成及工作原理

本道路照明系統自上而下由上位機客戶端、4G/RF網關、LED單燈控制器成三部分構成。LED單燈控制器的主要作用輸出0～10V調光信號控制LED燈具的亮度，同時使用傳感器獲取路燈工作狀態、環境信息。4G/RF網關安裝在智能電表中，主要作用是獲取當前配電箱的電流、電壓等信息，并為上位機客戶端和LED單燈控制器之間的通信提供中轉服務。上位機客戶端是為了完成相關管理工作設計的一套PC軟件，主要作用對LED路燈、配電箱的電流、電壓進行監控，結合亮度信息識別LED路燈是否出現故障。

系統可實現兩種控制方式：智能控制、手動控制。智能控制主要是由智能路燈配電柜根據當前時間、環境光亮度、路面車流量、人流等信息，進行智能判斷，調節照明亮度，滿足路面實際照明需求。手動控制主要用于突發狀況，可通過客戶端進行遠程控制路燈開關燈、調整亮度，也可以在智能路燈配電柜上進行現場控制。

2 硬件設計

2.1 LED單燈控制器設計

LED單燈控制器是本系統的控制終端，LED單燈控制器終端節點負責使用傳感器采集路燈的電壓、電流、功率因子，環境光亮度、車流人流信息，并將這些信息通過Si4463無線通信模塊上傳到智能路燈配電柜，同時輸出0～10V調光信號控制LED燈具的亮度，其結構如圖1所示。

2.1.1 微控制器選型

根據LED單燈控制器的功能要求，考慮實現時需要用到的通信接口等功能組件、開發成本、穩定性因素，本系統選用意法公司的STM32F103C8T6作為主控芯片，STM32F103系列微控制器采用3.3V工作電壓，內部包含了PWM發生器、USART通信接口、模數轉換器、定時器等模塊，同時具有高性能、高可靠性等優點[4]。STM32F103C8微控制器使用其SPI1口與RF芯片Si4463進行通信，使用USART2與電能計量芯片HT7017通信，使用內部ADC的輸入通道7采集環境光亮度傳感器的模擬信號量，使用IO口PA6獲取微波傳感器的狀態。

2.1.2 Si4463通信模塊

無線通信是實現遠程控制和測量的基礎，無線通信頻率的選擇是本系統的一個難點，首先由于一個網關所控制的LED單燈控制器最多可達256臺，所以無線通信速度不能太低;其次公路是一種非常特殊的通信場景，汽車點火裝置會在7～300MHz這個頻率段上產生大量的輻射干擾[5];第三，除了道路主干道外，路燈還會安裝在背街小巷中，此時路燈會被周邊大量較高的建筑物所遮擋，所以要求無線通信的繞射能力要比較強[6]。根據路燈無線通信的以上三個特點，經過大量的實驗證明，433MHz這個頻率最適合用于LED單燈控制器與智能路燈配電柜之間的無線通信。根據工作頻率和通信功率要求，本系統選擇了Silicon Labs公司的Si4463通信模塊。Si4463通信模塊工作在119～1050MHz頻率段，最大輸出功率20dBm，接收靈敏度高達-126dBm，領道選擇性-60dB，最大傳輸速度1000kbps[7]。

2.1.3 電能計量電路

電能計量電路的作用是測量路燈燈具實際的工作電壓、電流和功率因子，同時LED單燈控制器根據電能計量的結果和實際控制輸出的功率進行比較，判斷燈具是否出現故障，電路如圖2所示。

本系統使用的是鉅泉光電科技（上海）有限公司HT7017單相電能計量芯片，HT7017是一顆帶UART通訊接口的高精度單相多功能計量芯片，內部含有三路22位Sigma-Delta ADC，不經能測量電流、電壓，還可以測量有功功率、無功功率。如圖2所示，220V交流電壓通過P1端子送入互感器L1中，經過互感器轉換的電壓信號由HT7017進行測量，同理電流互感器通過P2端子送入HT7017進行測量。測量的電流、電壓、有功功率、無功功率等電能參數通過UART接口發送給微控制器。

2.1.4 PWM/電壓轉換電路

目前大多數LED燈具使用的是0～10V模擬直流電壓調光，同時考慮到本系統的LED單燈控制器需要同時控制兩個LED燈具和STM32F103C內部沒有DAC等原因，本系統使用了PWM通過RC低通濾波器模擬DAC的方式產生0～10V的直流電壓[8]，電路如圖3所示。

微控制器使用定時器TIM2產生頻率為150Hz的PWM信號，經過R3、C2構成的低通濾波器濾波后得到平均值電壓V，設PWM信號的高電平為Vh，占空比為η，則平均值電壓V為：

運算放大器構成一個同相比例放大電路對V進行放大，輸出到LED燈具的調光電壓為：

所以，只要按照要求調整占空比為η即可以調節LED燈具調光電壓在0～10V之間變化，同時由于R3和C2構成的濾波電路截止頻率遠小于PWM頻率，所以有效抑制了輸出端電壓的突變，避免了LED燈具亮度的突變，使LED燈具的亮度調節自然柔和。

2.2 4G/RF網關設計

4G/RF網關是現場控制核心，主要作用是實現上位機客戶端與LED單燈控制器通信，并將智能電表的電能數據、環境數據等狀態信息上傳到上位機客戶端。4G/RF網關在結構上由上行DTU、主控電路板和電能表、水浸傳感器、開箱傳感器等傳感器組成，主控電路板和傳感器通過RS485總線相連。主控電路板主要由微控制器和無線通信模塊構成。

2.2.1 微控制器選型

由于微控制器需要使用4G模塊、無線通信模塊和RS485接口進行大量的通信，同時還要進行LED單燈控制器的網絡維護，所以其運算量較大，本系統采用了STM32F205R作為控制核心。STM32F205R是基于Cortex-M3內核的微控制器，工作頻率高達120MHz，具有150DMIPS的執行速度，同時具有SPI、USART等豐富的外部接口[9]，如圖4所示，微控制器使用其USART3接成RS485接口與4G通信模塊E20通信，使用USART1接口接成RS485接口與外部的傳感器通信，使用SPI1接口與無線通信模塊Si4463進行通信，使用SPI2把相關的配置、狀態信息存在外部的W25Q16中。

2.2.2 上行DTU選型

目前數路燈控制器數據上行到控制平臺主要使用的是GPRS和NB-IOT兩種方式，但是這兩種方式的通信速度都較低，沒辦法滿足智能路燈配電柜大量數據上傳的速度要求，同時考慮到目前2G網絡正在關停，所以本系統選擇了4G數據終端，該DTU使用RS485接口與微控制器的USART3連接。

3 軟件設計

軟件設計主要包括LED單燈控制器程序設計、4G/RF網關程序設計、PC端程序設計。

3.1 LED單燈控制器程序設計

LED單燈控制器程序的主要功能接收、處理4G/RF網關轉發的指令和臨近LED單燈控制器的傳感器數據，采集傳感器的數據并廣播給臨近控制器，智能調光燈。

LED單燈控制器在接收到數據包后首先使用CRC判斷接收到的數據包是否正確，對于正確的數據包主要是要判斷本機控制器是否要執行該數據包的指令和是否要轉發該數據包，程序流程圖如圖5所示。

是否需要執行該數據包的指令的方法：如果接收到是廣播型數據包，LED單燈控制器通過包號判斷該數據包是否被接收處理過，如果包號不同說明該數據包是第一次被接收，需要被處理，如果本地地址在廣播數據包的執行列表中，LED單燈控制器就要分析、執行該數據包對應的指令，否則不處理。對于單播型數據包，如果本機地址是路由列表的最后一跳，則說明本機是該命令的目的地址，單燈控制器需要執行并應答該指令。應答的方法是：講需要返回的數據裝入數據包的參數區，然后將路由表倒置，使數據包可以從發送路徑原路返回，同時將本機的RSSI裝入數據包中，告知智能路燈配電柜本機與上一跳之間的通信質量，以便其進行網絡維護。

是否轉發數據包的判斷方法：對于第一次接收到的廣播數據包，LED單燈控制器判斷本機是否在路由列表之中，如果在，則將路由指針加1使數據包指向下一個轉發地址，然后將該數據包發送出去。對于單播數據包，如果本機不是最后一跳則說明本機是路由轉發節點，LED單燈控制器將路由指針加1后再將數據包轉發。

針對傳統路燈只能定時開關燈或者遠程控制的不足，本系統在傳統的這兩個功能之上設計根據環境智能開關燈、調光的功能，實現了道路照明與環境的協同。各LED單燈控制器利用微波傳感器獲取路面的實際車輛通行情況和接收臨近LED單燈控制器發送出來的車輛通行信息，預測照亮范圍內的車輛情況并根據《城市道路照明設計標準CJJ45-2015》計算路燈亮度，然后以計算結果為輸入、以實際亮度為反饋，使用PID算法進行柔性調光，保持司機視野內的亮度穩定，滿足《城市道路照明設計標準CJJ45-2015》的要求，在車輛通過后迅速減低亮度，實現節能減排。

3.2 4G/RF網關程序設計

4G/RF網關程序的主要功能是轉發上位機客戶端下發的數據包、采集上傳各傳感器的數據和LED單燈控制器自組網的維護。

根據路燈帶狀分布的特點，本系統設計了以智能配電柜為中心的有中心多跳自組網，所以組網的關鍵是根據接收信號強度（Received Signal Strength Indication，RSSI）尋找能穩定通信到的最遠的LED單燈控制器作為路由節點，RSSI反映的是接收方接收到的無線信號強度，其值越大說明通知質量越好，一般來說是隨著距離增大而降低，也會收到周圍環境遮蔽的影響[10]。組網的程序流程如圖6所示。

4G/RF網關上電后首先清除原有的路由表，然后根據PC端下傳的LED單燈控制器列表下發LED單燈控制器的短地址，使各單燈控制器能使用短地址運行。4G/RF網關依次采集路由節點后面的每一個LED單燈控制器的電參數，依據通信協議，控制器在返回電能參數的同時會返回最后一次通信的RSSI，即路由節點與其通信的RSSI，如果RSSI大于設定的閾值，則說明可以繼續增加通信的距離，則通信短地址加1，與下一個LED單燈控制器通信，如此經過多次迭代，直到找出第一個RSSI小于閾值的LED單燈控制器為止，該控制器即為當前路由節點能穩定通信到的下一個最遠LED單燈控制器，所以其作為下一跳的路由節點。4G/RF網關執行多次嘗試，直至找出6個路由節點，完成自組網為止。

大量實驗發現在公路這種特殊場景下進行的無線通信容易受到車流量、天氣等因素影響，所以必須對于已經形成的自組網進行實時維護，確保通信的可靠性。如圖6所示，根據組網方法本系統是以采集LED單燈控制器傳感器數據時返回的RSSI為依據，實時判斷各個LED單燈控制器的通信質量，并據此重新指定新的最佳路由節點，形成新的自組網。

3.3 上位機客戶端程序設計

上位機客戶端的主要作用是資產管理、人員管理、路面實時狀態監控、路燈狀態監控。管理人員可以通過上位機客戶端界面查看4G/RF網關、LED單燈控制器上傳的實時數據，根據對數據的分析可以手動或者自動對路燈的運行狀態進行設定，同時管理軟件會自動根據各LED單燈控制器輸出的亮度值與實際電能參數比較，分析判斷路燈是否發生故障，如果確認其發生了故障，軟件會發出報警，并將發生故障的路燈的具體地址信息、故障原因發送給客戶端，降低運維的難度。

4 系統測試

本系統運行界面如圖7所示，LED單燈控制界面如圖8所示。

經過長時間的運行表明，在控制距離上，在主干道雙側布燈、燈桿高度12米、距離40米的條件下，本系統單側可穩定傳輸至少70個燈桿、距離2800米左右;在故障檢測方面，可迅速發現LED燈老化亮度不足、損壞故障，并能準確定位到燈桿;在智能控制方面，能按照日出日落、環境亮度、車輛等條件進行開關燈、亮度調節。

5 結論

本系統將4G公眾網和無線通信技術相結合，并基于RSSI構成自組網，實現了路燈的單燈開光、亮度的精準控制，LED單燈控制器還能及時發現路燈故障并定位故障路燈位置，提高了維護、維修的針對性，有效降低了路燈的運維成本;同時本系統還實現了根據日出日落時間、環境光亮度、車流量信息對路燈的智能化路燈控制，不僅降低了路燈的電能消耗，還可延長照明設施的使用壽命。

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基金項目：2020年廣東省科技創新戰略專項重點項目（pdjh2020a0972）;廣東省交通運輸廳科技計劃項目（2011-02-047）

作者簡介：鄔志鋒（1985—?），男，廣東河源人，碩士，講師，研究方向：智能電子產品設計、嵌入式系統應用。