基于虛擬照度傳感器的智能路燈控制器設計*

李燁君 ，王代強 ，2

（1.貴州大學大數據與信息工程學院，貴陽550025；2.貴州民族大學機械電子工程學院，貴陽550025）

1 引 言

隨著社會經濟的飛速發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注與研究。智能路燈控制應用在城市及鄉鎮的路燈照明系統中，能夠在節約能源和節省成本上起到很大的作用。通過對實際應用情況的調研發現，目前多數路燈系統仍然存在控制方式偏于傳統、效率低下和能源浪費等問題，且現有大多數智能路燈控制技術在利用照度傳感器實現精準調光時都有成本過高的問題。在此基于STM32 設計一款應用于路燈智能控制系統的單燈控制器，將光敏電阻和傳感器對光照的反應數據進行對比結合，利用虛擬傳感器概念，以實現路燈精細智能控制，并同時實現使用成本的降低。

2 總體設計框圖

設計以STM32 作為主控芯片，主要完成外圍硬件電路設計及軟件設計兩部分，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]，從整體上實現路燈的開閉、調光、故障檢測及上報等功能?？刂破骺傮w設計框圖如圖1 所示。

圖1 智能路燈控制系統總體方案框圖

所設計控制器在實際工作中采用虛擬照度傳感器檢測環境明暗變化，并以此為依據進行PWM調光控制；利用繼電器實現路燈的開閉功能；利用電流及電壓傳感器以及BL6523Gx 電能計量芯片采集電能數據進行故障檢測；故障的上報是利用制定的編碼規則，上傳路燈的對應編碼來顯示位置。

3 虛擬照度傳感器構建

虛擬傳感器構建流程如圖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，通過對相關量進行測量，再對測得的數據信號進行處理，可間接獲取被測量的信息[2]。虛擬照度傳感器構建的主要思路是，首先獲取傳感器測量數據[3]，具體實現過程是將照度傳感器測量到的光強值存入STM32，經數據處理后輸出一路占空比可變的PWM方波，即相應占空比；虛擬傳感器根據同等條件下測得的光敏電阻相關數據調取所保存的相應占空比數據，模擬真實傳感器輸出量控制調光。

圖2 虛擬傳感器構建流程圖

4 系統設計

4.1 硬件電路設計

4.1.1 單片機主控模塊

以STM32F103C8T6 作為整體設計控制芯片[4]，由時鐘電路、復位電路、Boot 引腳電路、JTAG 下載電路等組成單片機系統電路。單片機PB10、PB11 接BL6523Gx 電能計量芯片，采集電流及電壓值進行故障檢測；PA0 接照度檢測模塊；PB6 與PB7 是輸出引腳，控制LED 燈的開閉及調光。這一部分模塊的電路圖如圖3 所示。

圖3 單片機主控模塊電路

4.1.2 供電模塊

系統中各模塊的工作電壓均是由此模塊電路轉換所得到。交流220 V 輸入后經由交流調壓模塊將電壓轉換為交流12 V，之后經AC-DC 轉換電路得到+12 V，利用LM 系列芯片將+12 V 轉換為+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定，能夠滿足單片機、電能采集等模塊的供電需求。這一部分模塊電路設計如圖4 所示。

圖4 供電模塊電路圖

4.1.3 虛擬照度傳感器模塊

設計選用PR-GZ-3002 型照度傳感器來進行前期傳感器數據獲取。光照強度量程的跨度為0～65535 lx，測量的光強數據輸出信號接入單片機PA0引腳，通過ADC 模塊讀取光強值后輸出相應PWM占空比控制LED 調光。同時，在電路中接入光敏電阻。照射光敏電阻的光強的不同，通過它的電流大小就不同，利用這種電流大小變化，在此處串聯一個電阻，即可通過讀取電壓值判斷外部光線強弱。根據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關系，即可實現設計。

4.1.4 LED 控制模塊

LED 控制電路包括燈的開閉和調光兩部分設計。路燈的定時開閉利用繼電器來實現。單片機通過PB7 引腳輸出高/低電平。引腳輸出的電流可能不足以驅動繼電器，因此串聯一個三極管進行放大以驅動繼電器，并在繼電器兩端并聯一個二極管用來保護電路[5]。當輸出低電平時，三極管Q1 導通，繼電器吸附，此時路燈打開；相反輸出高電平時，繼電器斷開，路燈關閉[6]。

當路燈打開時，即可進行PWM 調光控制。單片機通過讀取到光強值，產生一路占空比可變的PWM方波，控制場效應管D4184 使之工作在開關狀態，通過調整輸入脈沖的占空比來調節路燈亮暗。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據，將測得的三路數據輸入BL6523Gx 電能計量芯片進行處理。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的數字信號處理電路模塊，可以檢測一路電流、電壓、功率等數據，通過串行接口TX 向單片機輸出實際功率，判斷是否故障。電壓及電流數據采集電路如圖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據保持能力[7]，在智能控制領域的應用尤其廣泛。芯片的P0.2 與P0.3 分別與單片機 USART1 的 PA10、PA9 相連，進行通信數據的下發與接收，即接收路燈的運行狀態信息并上傳，同時把上級控制命令下發給單片機。Zigbee 接口電路如圖7 所示。

圖7 Zigbee 接口電路模塊

4.2 軟件程序設計

所設計軟件系統的主程序流程如圖8。當集中協調器上命令傳達時，從機接收命令并根據命令做出具體反應，對LED 執行開閉操作或調節PWM 占空比進行亮度調節；若無命令傳達時，則進行自主控制，定時對路燈進行開閉控制，并根據讀取到的指令調節占空比進行調光控制。采集電壓、電流等數據進行處理判斷是否發生故障，將運行狀態信息和路燈對應的位置編碼一起上報。上位機通過解析上傳數據下發執行命令，若故障發生無法解決則可通過預設的編碼規則確定路燈位置進行人工維修。

圖8 系統主程序流程圖

5 測試結果與分析

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

外部環境發生明暗變化時，測得照度傳感器檢測到的光強值和輸出的PWM 占空比，以及光敏電阻兩端電壓值的數據，詳細如表1 所示。利用這組數據，單片機根據讀取到的光敏電阻電壓值直接輸出對應的調節占空比。虛擬傳感器可以代替照度傳感器用于智能調光控制的照度檢測與調光[8]，達到節省成本的目的。

圖9 路燈控制器實物圖

6 結 束 語

基于STM32 單片機，利用虛擬傳感器技術設計智能路燈控制器，對其軟硬件各模塊設計要有周全考慮。按照設計思路實際搭建系統進行實驗測試，測試結果表明，該控制器系統實現了對路燈的智能調光、故障檢測及上報等功能，并可有效地降低運營成本，為后續完整智能路燈控制系統的設計與實際應用打下基礎。