城市路燈的智能控制系統設計

陳 帥，姚善化

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232000)

1 引言

為了應對全球能源危機，降低能源消耗，提高公共設施利用效率，建設新型智慧城市成為城市發展的重要方向。路燈是一個城市基礎設施的重要組成部分，也是城鎮居民生活中不可缺少的一部分[1]。智慧城市建設速度不斷加快，涉及的內容也很多，其中智能路燈的建設及其管理體系的建立與應用尤為重要。目前，大部分城市的路燈都是人工管理，路燈發生故障時不能及時準確定位檢修，需要人工逐個排查，造成資源上的浪費。利用物聯網和人工智能技術的智能路燈系統已經成為國內外研究的熱點領域。目前常用的路燈控制方法與路燈智能控制相比，存在管理落后、滯后性嚴重、精度低、工作效果差的缺點。對于這些缺點要及時處理，因此本課題研發以型號為STC89C52單片機為基礎的路燈智能管控系統[2]。

2 系統總體設計

系統要做到使路燈能夠根據周圍的光照環境自動調整路燈亮度和開關，路燈一旦發生故障，要立刻檢測出來，匯報給監控界面，及時派人檢修。本課題研發的系統中主要功能包括故障檢測、路燈管控、采集環境信息、MCU、上位機管理以及無線通信共6個功能模塊。系統最核心的功能模塊為MCU，故障檢測主要對路燈故障進行檢測，路燈管控主要對路燈電路接通與斷開進行控制，并調節亮度，采集環境信息即采集信號，無線通信負責上位機與下位機數據互換，如圖1所示。

圖1 系統整體結構

在系統工作時，環境信息采集模塊會收集環境信息數據，將收集到的數據發送到MCU進行分析處理，然后MCU根據周圍環境判斷，通過路燈控制模塊打開或者調整路燈的光照亮度。路燈實時運行情況由故障檢測模塊進行監測，在路燈出現故障時該模塊就會將具體情況傳輸給主控制器MCU，MCU驅動路燈管控功能模塊將電路斷開，然后驅動無線通信模塊將故障信息向上位機進行傳輸。上位機再將具體指令傳輸給下位機。

3 路燈控制系統的硬件設計

3.1 環境信息采集模塊的硬件設計

在環境信息采集上，利用光敏電阻傳感器對周圍環境光線檢測，收集周圍環境光照強度的數據。內光電效應是光敏電阻工作基本原理。光照愈強，阻值愈低。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強而變大，從而實現光電轉換[4]。首先在光照監測傳感器中設置光照閾值，當周圍環境的光照強度大于光照閾值時，數字輸出量接口輸出高電平，反之輸出低電平，即0和1。如圖2所示。

3.2 控制路燈的硬件電路設計設計

路燈控制電路主要是通過STM32的I/O發送高低電平信號給電磁繼電器，使電磁繼電器完成開關的打開與閉合，實現對工作電路通斷的控制。

3.3 故障檢測模塊的硬件設計

該功能模塊主要是對路燈運行情況進行定期監測，如果發現路燈工作過程出現問題，該模塊就會對具體情況進行檢測，并將信息傳送給主控制器MCU，MCU驅動無線通信和路燈管控電路執行對應的操作。故障檢測的原理是主要監測工作電路中的電流是否在正常范圍內。可以通過電流互感器，基本RS觸發器，電磁繼電器以及STM32的PD13引腳來配合監測電路中的電流。一般路燈的工作電壓在220 V，電流在2～3 A之間。電流通過電流互感器500倍縮小使電磁繼電器開關閉合使RS觸發器SD一端置1，然后RD一端置1，STM32的PD13引腳與觸發器的相連接。一旦工作電路中的電流發生異常電磁繼電器開關打開，SD置0，使PD13接收到的電平信號發生變化，以此判定工作電路發生故障。

圖2 光照監測電路

3.4 無線通信模塊的硬件設計

相對來說4G技術發展時間更長，所以更加成熟，本設計選擇USR-G770DTU模塊，由于要實現各種信號的相互轉換，所以要完成4G模塊與STM32間接口電路的設計，串口信號TTL向信號RS232轉變是利用芯片SP3232完成，轉換后向4G模塊進行傳輸。數據通信接口電路原理圖如圖3所示。

圖3 數據通信接口電路原理

4 路燈控制系統的程序設計

系統通電后，先使系統初始化，然后讀取電鐵存儲器的特定地址。預先將設定好的數據采集時間、光照閾值等參數寫入電鐵儲存器中，如果沒有預先設定，則將系統默認參數寫入電鐵存儲器的相應地址中。如果系統已經設置了預定參數并處于工作模式中，系統收到采集時間的時鐘信號，MCU向傳感器發送采集指令，并將傳感器返回的數據進行解析和儲存，之后系統進入待機工作模式，等待下一次時鐘喚醒。提前設定的采集總次數完成采集以后，系統會計算這些數據中的最大最小值以及平均值，這些數據中的代表值是光照均值，將其與提前設定的光照閾值對比分析。當光照均值沒有達到閾值，則判定光照不足，然后通過路燈控制模塊打開路燈或者調整路燈的光照亮度，當光照均值大于光照閾值，則判定光照充足，然后關閉路燈或者調整路燈光照亮度。[5]自動控制流程圖如圖4所示。

圖4 自動控制流程

系統讀取主要包括工作模式、設定時間以及光照閾值等數據的讀取。幀格式如表1所示。

表1 通信協議的幀格式

5 結語

智能路燈在智慧城市中發揮著不可代替的作用，可節省大量資源，降低碳排放，具有良好的社會效益，在成本上，可節省人員維護支出，具有很好的經濟效益。智能化管理避免了白天亮燈的情況，提高了路燈開關的可靠性[6]，避免了不必要的能源浪費，減少了因路燈照明故障引起的交通事故的發生。具有良好的實用價值。