智能路燈控制系統設計與仿真實現

陳春燕

（武漢軟件工程職業學院，湖北 武漢 430205）

路燈在人們的日常生活中發揮著重要的作用，夜晚的燈光烘托安靜與和平，帶來溫暖和期盼，指引前行的路。路燈也是城市必不可少的基礎設施，路燈的節能效果直接影響節能減排的成果，通過智能調控對照明進行最優化設置，合理減少開關時間，降低運行成本，打造宜居城市[1]。本設計中的智能路燈控制方案如圖1 所示。

圖1 智能路燈系統方案

1 控制系統整體設計

在本次設計的路燈控制系統中，先對路燈進行合理的分組和分區，在每組路燈的能源輸入端加入接觸器，通過控制系統控制接觸器的接通和斷開狀態，進而實現對路燈的亮滅控制。

本次設計的路燈控制系統具有自動和定時2 種控制模式，這2 種控制模式可以自主切換。在自動模式下，路燈的亮滅由環境的光照強度進行控制，根據環境的光照強度與光照參數的關系進行路燈亮滅的控制；在定時模式下，路燈的亮滅由當前時間決定，根據路燈開啟和關閉的定時時間完成路燈的亮滅控制。

本次設計的系統根據硬件實現分為6 個模塊，分別為控制器模塊、顯示模塊、按鍵檢測模塊、光強傳感模塊、時鐘模塊、上位機通信模塊[2]。總體設計框圖如圖2 所示。

圖2 控制系統整體框圖

2 模塊設計

本設計根據功能分為人機接口模塊、自動功能模塊、定時功能模塊、緊急手動控制模塊和后臺通信模塊。下面依次對5 個模塊進行介紹。

2.1 人機接口模塊

人機接口模塊通過良好的人機交互設計，使操作者在面對控制系統時，可以方便操作，并具有可視化的效果。

考慮到路燈控制系統應該穩定可靠、易于維護，在本設計中，人機接口模塊的設計使用傳統的按鍵+數碼管模式，該模式抗干擾能力強、成本低，這樣單個控制系統具有顯示界面，可以方便進行功能調試和故障排查，在開發和售后階段具有很大的便捷性，且方便后期的功能擴展。

數碼管的顯示控制在設計中一般要占用較多的IO口，比如8 位數碼管的顯示需要16 個IO 口才能完成，在本設計中使用譯碼器和鎖存器的結合，減少IO 口的使用個數。顯示模塊仿真設計電路如圖3 所示。

圖3 顯示模塊仿真設計電路

在本設計中考慮到維護的便捷性，操作者需要進行數據查看、控制模式切換、設置參數選擇、參數值增加、參數值減小的操作。這些操作由操作者完成，需要設計信號輸入模塊。本設計中使用4 腳立式輕觸按鍵作為信號輸入，根據操作內容的需要，設計5 個按鍵輸入，按鍵輸入模塊電路及功能定義如圖4 所示。

圖4 按鍵功能設計

在人機接口的程序設計中，按鍵檢測和數碼管顯示代碼根據硬件電路的連接進行編寫和調試。在該部分中，比較煩瑣的是按鍵和顯示的處理。要先設計好按鍵和對應的顯示界面，便于程序處理。根據按鍵檢測值的不同，數碼管顯示不同的內容。

在1 號按鍵按下時，進行數碼管的顯示切換，在本設計中，數碼管的顯示界面有3 個，分別是數據顯示界面、參數設置界面、時鐘顯示界面。數據顯示界面設計如圖5 所示，參數設置界面設計如圖6 所示，時鐘顯示界面設計如圖7 所示。

圖5 數據顯示界面設計

圖6 參數設置界面設計

圖7 時鐘顯示界面設計

1 號按鍵按下后的控制流程如圖8 所示。

圖8 1 號按鍵控制流程

在2 號按鍵按下時，進行控制模式的切換，控制模式的切換只能在實時數據界面進行操作。2 號按鍵的控制流程如圖9 所示。

圖9 2 號按鍵控制流程

在3 號按鍵按下時，進行參數設置的切換，參數切換功能在參數設置界面和時鐘顯示界面有效。在本設計中可以進行時間的設置。3 號按鍵的控制流程如圖10 所示。

圖10 3 號按鍵控制流程

2.2 自動功能模塊

在路燈控制系統的自動模式下，需要根據自然環境中的光照強度變化，完成路燈亮滅的控制，在路燈控制系統的自動模式中，有2 個參數，分別是光照強度上限和光照強度下限。當采樣到的光照強度小于光照強度下限時，路燈亮；當采樣到的光照強度大于光照強度上限時，路燈滅[3]。

本功能模塊中的硬件電路由信號檢測、信號處理和信號傳輸電路組成，具體如下。

信號檢測部分：光照強度的檢測由光照傳感器來完成。

信號處理部分：根據光照傳感器輸出的信號不同，需要設計不同的處理電路，在本次仿真中使用可調電阻模擬光照信號的變化，信號處理電路較為簡單。

信號傳輸部分：在控制系統中需要完成對光照傳感器輸出信號的處理，再送給單片機處理。光照傳感器的輸出是模擬信號，單片機只能對數字信號進行處理，因此光照傳感器的輸出信號需要通過AD 轉換再和單片機連接。在本設計中的AD 轉換部分使用TI 公司生產的8 位AD 芯片TLC549，這款芯片使用三線SPI 接口與單片機進行連接。

該部分信號的傳輸過程如圖11 所示。

圖11 光照強度信號傳輸

在仿真中，使用可調電阻模擬傳感器的信號變化。光照強度檢測的仿真設計電路如圖12 所示。

圖12 傳感模塊仿真設計圖

自動模式的控制流程如圖13 所示。

圖13 自動模式控制流程

在AD 轉換模塊的編程中，需要根據TLC549 與單片機進行數據交換的時序圖完成編程。TLC549 的通信時序如圖14 所示。

圖14 TLC549 通信時序

在TLC549 與單片機的通信中，使能信號低電平有效，時鐘信號上升沿鎖存數據，先發送數據高位。

2.3 定時功能模塊

在路燈控制系統的定時模式下，路燈的亮滅由當前的時間決定。在定時模式下，有2 個參數，分別為路燈開啟時間和路燈關閉時間。在當前時間晚于路燈開啟時間時，路燈亮；在當前時間晚于路燈關閉時間時，路燈滅。

在定時模式中，需要獲取當前的時間，如果通過定時器來完成時間計算，程序設計復雜，流程不清晰。因此在本次設計中，時鐘電路選用低功耗實時時鐘芯片DS1302 來實現，該芯片提供時間讀取和設置的接口，具有閏年補償功能，DS1302 通過SPI 接口與單片機進行數據交換[4]。

DS1302 進行單字節讀和寫時的控制時序如圖15所示。

圖15 DS1302 單字節讀寫控制時序

定時模式的控制流程如圖16 所示。

圖16 定時模式控制流程

在定時模式下，需要根據當前時間進行控制，使用12 h 制進行控制時，判斷條件較為復雜，建議使用24 h 制進行控制。

2.4 緊急手動模塊

在有需要路燈全部亮的緊急情況或者需要路燈全部滅的故障排查情況時，需要手動控制路燈全亮或者全滅，手動控制按鍵在硬件電路中連接在單片機的外部中斷輸入端子。在仿真中，使用按鍵接入外部中斷端子，實現緊急情況下的手動控制。

2.5 后臺通信模塊

在本控制系統與上位機通信模塊預留485 通訊接口，可以實現路燈的遠程控制和智能控制。根據需要選擇控制系統與后臺的通信協議，在通信協議定義中可以完成實時數據的獲取、參數的設置和遠程控制的功能。具體的通信協議可以根據具體的需要設計。

3 結論

城市路燈存在開關燈控制方式單一、巡查困難等問題，導致路燈系統能耗高，維護成本高，給人們的出行和生活帶來極大不便。針對以上問題，提出智能路燈控制系統設計，本設計具有如下優勢：①系統功能完備，具有2 種控制模式，可以合理利用能源，達到節能的目的；②控制效率高，成本低，可以在供電電源輸入端加入接觸器，實現一組路燈的控制，合理布局和控制；③系統可擴展性好，在系統框架不改變的前提下，可以新增檢測輸入和控制模式，優化控制效果；④智能化控制，留有通信接口，可以使用modbus 協議或者其他通信協議進行遠程控制通信。