基于MCU的路灯节能智能控制系统设计

李刚

摘 要 随着近年来中国科技的发展，尤其是计算机网络领域的快速发展，人们的生活方式发生了巨大的改变。日常生活中的家电设备也越来越多样化，这些家电设备的巨增使得我国的用电需求增加，我国的电力资源出现紧缺的问题。本设计利用单片机设计路灯节能智能控制系统，该系统可以根据环境光照的强弱以及有无行人车辆，智能控制路灯的亮度和开关状态，当环境光照强度高和无行人车辆时，降低路灯的电流或关闭路灯，若环境光强比较暗则增加路灯工作的电流，从而提高电力资源的利用率，达到节能的目的。同时该系统还设计了故障检测系统，这些技术可以减轻维护人员的负担。

关键词 节能 MCU 智能

中图分类号：P273 文献标识码：A

0引言

路灯在日常的生活当中扮演着重要的角色，路灯的存在避免了很多突发事情发生，同时路灯也是城市的重要公共安全设施和景观设施，是建设美丽城市的重要设施之一。经调查发现每年我国路灯的数量都会增加600万，我国路灯的总数量已经达到7000万盏。目前我国很多城市都采用传统的照明方式，在能源匮乏和电力资源紧缺的今天，这种方式存在太多的弊端。我国的路灯使用情况都是晚上7点开始工作，持续工作13个小时左右，第二天早上停止工作，这种做法会导致电力资源的严重浪费，而且其中大部分浪费的电力资源是没有意义的。比如在深夜居民都在家休息时，很多场所没有行人和车辆，这些地方的路灯就可以停止工作，夏季太阳很早就升起，有些地域早上4点天就亮了，这段时间之后就可以让路灯停止工作。而且路灯都是工作在高压状态，路灯正常工作是非常耗电的，这些电力的资源的消耗占据电力资源的30%。传统的改进方法是加入人力资源进行控制，但是路灯的覆盖面太广，需要投入的人力资源也是非常可观的。路灯数量的增多使得路灯在能源消耗方面占了跟多的比重，路灯能源消耗问题已经成为各个部门关注的焦点。而且传统的照明系统的设计都没有考虑故障检测的功能，也使得后续维护的任务压力变大，消耗了很多人力物力。所以现在对路灯节能方面投入的研究精力越来越多，而且研究的内容也越来越深入。

1背景

实现智能化的路灯照明系统，是解决路灯节能问题一个有效的方法，现在城市的智能化发展越来越完善，近年来人工智能也是研究的热门话题。如何对路灯进行智能化的控制

图1：系统总体设计图

也是当前社会关注的话题。我国始终都在提倡节能减排这一环保的理念，只有提高电力资源的利用率才能更好的实现这个节能减排的目的。同时国家有关部门也发表了很多路灯节能方面的文件，要求乡村和城市要大大推进路灯的全面覆盖，但是在路灯全面覆盖的同时还要大力倡导节能减排的理念，从而推进社会更好的建设和发展，因此智能照明系统的实现也已经刻不容缓。本文就是针对该问题设计了路灯节能智能控制的方案，实现路灯的智能控制，根据环境亮度智能的调节路灯工作的电流大小，减少不必要的电力资源的消耗。该系统还增加了故障检测模块，当照明系统发生故障时可以自动报警，同时通知控制中心及时处理。该设计很大程度上减少了电力资源的浪费，同时也减轻了后续维护的人员的负担。同时该智能照明系统相比于传统的照明系统工作更加稳定，使用寿命更长，因此具有很大的应用前景。

2系统总体介绍

该智能路灯系统总体硬件设计如图1所示，该智能照明系统主要分为如下几个模块， 电源转换模块，行人车辆检测模块，光照强度检测模块，报警模块，通信模块，故障检测模块。其中电源转换模块实现的功能是将市电220V转换到MCU可以正常工作的电压范围。系统的主要工作流程如下，单片机通过AD模块采集光敏电阻分得电压大小来判断环境光照强度，根据环境光强控制晶闸管的开度。单片机根据行人检测模块测量的数据判断当前环境中是否有行人车辆存在，当有行人车辆时控制路灯正常工作，当无行人车辆时就控制路灯停止工作。该系统添加了故障检测模块，当控制路灯正常工作时，却没有检测到路灯发光，MCU可以检测到故障电路没有电流通过，此时可以控制报警系统发出报警信息，通知有关部门的人员及时维修，同时通过通信模块将此故障发送到最近的控制中心，通知维护人员及时处理发生故障的路灯。

3硬件电路设计

3.1电源模块

在本系统中，220V的市电先通过变压器降到20V左右，然后转换为直流电压。单片機工作电压为3.3V，部分芯片工作电压为5V，通常的供电方案会存在一定的纹波。由于在该系统中，5V和3.3V的功耗都比较低，电流均小于500mA，但对电源的稳定性要求较高，需要电源芯片具有低压差，低发热量，电源输出稳定的要求。因此选用Ti公司的TPS7350，TPS7333分别作为5V，3.3V的稳压芯片。Ti公司的微功耗低压差线性电源芯片，具有完善的保护电路，包括过流过压，电压反接保护。使用TPS7350和TPS7333芯片只需要极少的外围元件就能实现高效稳压电路。而且TPS7350和TPS7333芯片接受的输入电压的范围比较大，具有低功耗的特点，而且使用寿命很长。

3.2行人车辆检测模块

行人车辆检测模块使用的传感器为激光传感器，激光传感器与MCU的通信方式为USB2.0，使用专用的SCIP指令系统，可以与MUC进行高速传输数据。激光传感器主要测量环境中障碍物的距离信息，通过存储激光传感器的数据，将前后存储的数据进行比较，可以得到环境中运动物体的表面信息，根据运动物体的表面信息可以很容易的判断出当前运动物体是否是行人和车辆。当环境中有行人车辆时控制系统控制路灯正常工作，当无行人车辆时控制路灯停止控制，达到了智能控制路灯的效果。

3.3环境光强检测模块

环境光强检测模块主要使用的是5537光敏电阻，该电阻对光强的灵敏度高，响应时间快，电阻变化明显。该部分电路采用电阻分压原理，将光敏电阻串联到电路中进行分压，为了消除环境的干扰，系统对光敏电阻的分压用运算放大器进一步放大。运算放大器使用的是OP07，OP07的噪声比较低，是一款非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，其零飘不严重，使用时不需要额外的调零工作。OP07输出的电压接入单片机AD采集模块，单片机根据AD模块采集信号的强弱控制晶闸管的开度，达到控制路灯工作电流大小的效果。该系统建立了晶闸管开度与光照强度的线性关系，同时当环境光强超过一定范围后控制晶闸管电路关闭，说明此时是白天，当光强小于一定范围后控制晶闸管全开，使路灯工作在最亮的状态。endprint