基于虛擬照度傳感器的智能路燈控制器設(shè)計

寧紅衛(wèi)

摘要：隨著社會經(jīng)濟的飛速發(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)進行對比結(jié)合，利用虛擬傳感器概念，以實現(xiàn)路燈精細智能控制，并同時實現(xiàn)使用成本的降低。

關(guān)鍵詞：虛擬照度;傳感器;智能路燈;控制器設(shè)計

引言

針對當(dāng)前大多數(shù)道路路燈的實際控制方式過于傳統(tǒng)、成本高且人工效率低等問題，提出一種基于虛擬照度傳感器的智能路燈控制器設(shè)計方案。

1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，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。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。

2虛擬照度傳感器構(gòu)建

構(gòu)造虛擬傳感器對難以直接測量或成本較高的被測信息進行測量。通過測量相關(guān)量，然后對測量數(shù)據(jù)信號進行處理，間接地獲得測量信息。虛擬照度傳感器的主要思想是首先獲取傳感器的測量數(shù)據(jù)，然后將傳感器的光強值存儲到STM32中，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后輸出一個可變占空比的PWM方波，根據(jù)光敏電阻的數(shù)據(jù)，虛擬傳感器可以獲得占空比的數(shù)據(jù)，并模擬真實傳感器的輸出來控制調(diào)光。

3系統(tǒng)設(shè)計

3.1硬件電路設(shè)計

3.1.1單片機主控模塊

以STM32F103C8T6作為整體設(shè)計控制芯片，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系統(tǒng)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(diào)光。

3.1.2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220V輸入后經(jīng)由交流調(diào)壓模塊將電壓轉(zhuǎn)換為交流12V，之后經(jīng)AC-DC轉(zhuǎn)換電路得到+12V，利用LM系列芯片將+12V轉(zhuǎn)換為+5V與+3.3V，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、電能采集等模塊的供電需求。

3.1.3虛擬照度傳感器模塊

設(shè)計選用PR-GZ-3002型照度傳感器來進行前期傳感器數(shù)據(jù)獲取。光照強度量程的跨度為0～65535lx，測量的光強數(shù)據(jù)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(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。

3.1.4 LED控制模塊

LED控制電路包括兩部分：光開關(guān)和調(diào)光。路燈定時開關(guān)采用繼電器實現(xiàn)。單片機通過PB7引腳輸出高/低電平。引腳的電流輸出可能不足以驅(qū)動繼電器，所以一個晶體管串聯(lián)起來放大繼電器，二極管并聯(lián)起來保護電路。當(dāng)輸出低時，三極管Q1接通，繼電器被吸附，路燈接通;當(dāng)輸出高時，繼電器被關(guān)閉，路燈被關(guān)閉。當(dāng)路燈打開時，可進行PWM調(diào)光控制。單片機讀取光強值，一路產(chǎn)生可變占空比的PWM方波，控制場效應(yīng)管D4184使其工作在開關(guān)狀態(tài)，調(diào)節(jié)輸入脈沖占空比來調(diào)節(jié)路燈的亮度和黑暗。

3.1.5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向單片機輸出實際功率，判斷是否故障。

3.1.6 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，8kB的RAM使其具有各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力，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USART1的PA10、PA9相連，進行通信數(shù)據(jù)的下發(fā)與接收，即接收路燈的運行狀態(tài)信息并上傳，同時把上級控制命令下發(fā)給單片機。

3.2軟件程序設(shè)計

當(dāng)指令在中央?yún)f(xié)調(diào)器上傳輸時，控制器接收計算機發(fā)出的指令，根據(jù)指令作出具體響應(yīng)，對LED執(zhí)行開閉操作或調(diào)整pwm占空比進行亮度調(diào)整;如果指令沒有傳輸，則定期對路燈進行自主控制，并根據(jù)讀取的指令調(diào)整調(diào)光控制的占空比。收集電壓、電流等數(shù)據(jù)，判斷是否有故障，將運行狀態(tài)信息與路燈對應(yīng)的位置代碼一起運行。主機通過分析上傳的數(shù)據(jù)發(fā)出執(zhí)行命令。如果發(fā)生故障而無法解決，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的人工維護編碼規(guī)則確定路燈位置。

3.3測試結(jié)果與分析

在完成系統(tǒng)搭建后，對虛擬照度傳感器的工作情況進行測試。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)。利用這組數(shù)據(jù)，單片機根據(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]，達到節(jié)省成本的目的。

結(jié)束語

綜上，基于STM32單片機，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)。

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