基于STM32的智能路灯控制系统设计

何 枫，周雪芹，何文德，罗石爱

（1.武汉地产集团武汉时代建筑设计有限公司，湖北 武汉 430013；2.长沙学院计算机工程与应用数学学院，湖南 长沙 410022）

随着我国经济和社会的快速发展，人们期盼路灯等公共照明设施更加普及，更加完善，以方便夜间出行，因此，夜景照明设施的建设成为了城市和乡村公共基础设施建设的重要内容之一。路灯是城乡亮化便民工程的重要组成部分，如今，随着政府对此投入力度的加大，城市的背街小巷以及农村的夜晚更加亮丽了。然而，不断增加的路灯不仅消耗了大量的电能，而且由此产生的设施维护工作量也大增；再加上当今社会对节能环保和设备智能化的要求越来越高，路灯照明系统面临诸多严峻的挑战[1]。目前，由于我国各地经济发展状况不同，各地区的路灯控制方式也不同，对路灯的维护管理大多采用人工方式，消耗了较多的人力和财力资源[2]，同时，很多路灯的开关灯控制方式简单粗放，无法在节能环保与精准服务民众之间取得平衡。因此，设计一款简单实用、性能可靠的智能路灯控制器是当务之急。

1 系统设计方案

本文以单片机STM32F103T8为核心，采用TSL2561模块作为环境光强度传感器，用ADE7755芯片测量功率和电能，通过SIM800C模块发送告警短信，以此完成智能路灯控制系统的设计。该系统不仅能按定制的时间表自动开关路灯，而且还能在白天环境光强度小时开启路灯，环境光亮度大后关闭路灯，并且在路灯线路功率异常时立即向指定手机发送短信告警。

路灯的开关分2种情况：①定时开关路灯。根据1年内日出和日落的时间变化，制订出以月份为时间段的差异化开关灯时间表，不仅能最大限度地满足使用需求，还能节省电能，避免比如夏天傍晚天很亮路灯已开、早上天已大亮路灯还没关等浪费电的情况出现。②在雨雾天、白天光线很暗的情况下自动开关路灯。在非定时开灯时间（即白天），如果是天气原因导致光线暗，可利用光强传感器感应到光强度低于设定的阈值后开路灯，待检测到光强度正常后关闭路灯。光控的优先级高于时控优先级，它能实现白天暴雨、浓雾灯天气下开启路灯。

此外，在路灯线路功率大于上限阈值或小于下限阈值时，系统立即按照设定的时间间隔向指定手机发送告警短信，以便于管理人员及时发现路灯线路故障或偷电等异常情况。

2 硬件设计

系统的硬件主要由STM32F103T8单片机、ADE7755功率计量芯片、环境光强度传感器、TSL2561模块、SIM800C GSM/GPRS模块、电源模块、按键、液晶显示器和继电器等组成。系统的硬件架构如图1所示。

图1 智能路灯控制系统的硬件架构

2.1 STM32单片机

STM32F103T8是中等容量增强型32位基于ARM核心、带64 KB闪存的单片机，它内部集成了20 KB SRAM、2个USART、RTC、2个12位的ADC、3个通用16位定时器、1个PWM定时器、2个I2C和SPI、1个USB和CAN、看门狗。通过USART1下载用户程序，USART2连接GSM/GPRS模块。

2.2 功率计量芯片

ADE7755是美国模拟器件公司生产的一种高准确度的电能测量集成电路，它适用于单相配电系统的高精度电能计量，可提供基于输电线电压和电流计算的瞬时有功功率和平均有功功率，超过IEC61036标准规定的精度要求。其中使用的唯一模拟电路是ADC和参考电压电路，所有其他信号处理（例如乘法和滤波）都是在数字域实现，因此，它在环境条件和时间变化很大的情况下具有较好的稳定性和较高的精确度[3]。

引脚V1P、V1N为电流传感器的模拟输入端，V2P、V2N为电压传感器的模拟输入端。引脚F1和F2以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或单片机接口。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与单片机接口，利用CF经光电耦合器输出的电度脉冲计数来获得负载的功率和电能。单片机的INT0接入CF经光电耦合器的输出端。

2.3 光强度传感器

光强度传感器是用来检测环境光强度的。TSL2561是TAOS公司生产的一款高速、低功耗、可编程、配置灵活的光强度数字转换芯片，含I2C总线接口，涵盖1～70 000 Lx的光强度范围，适合街道路灯环境下的光强度测量。其内部集成了2个光敏二极管，通道0对可见光和红外线敏感，通道1只对红外线敏感，2个积分式ADC分别对2个光敏二极管的电流积分，并将其转化为数字量，且保存在各自的数字寄存器中。单片机通过I2C总线可编程设置环境光强度的上下阈值，当光强度大于该上限阈值或小于下限阈值时，会产生低电平中断信号。

2.4GSM/GPRS模块

SIM800C为GSM/GPRS无线通讯模块，可支持4频GSM/GPRS，工作的频段为GSM850 MHz、EGSM900 MHz、DCS1800 MHz和PCS1900 MHz，支持移动和联通的手机卡。模块通过串口与单片机的USART2连接，单片机通过AT命令对其进行操作。

3 系统软件设计

系统的软件部分由主程序和2个中断服务程序组成，代码由C语言编写。

3.1 主函数main

系统上电后，程序开始初始化，包括单片机本身的定时器、看门狗、实时时钟、中断和2个串口的初始化，I/O口的模式设置，以及环境光强度阈值设置。其中，建议将单片机的2个中断INT0和INT1设置成下降沿触发方式，将USART1和USART2的波特率设置成115 200 bps。

初始化完成后，使用AT命令通过GPRS模块从SIM卡中读取手机号码用于发送告警短信，读取RTC的当前月份和时间与开关灯时间表对照，判断是否为开路灯时间，以及当前路灯的开关状态。如果是白天，还要判断当前光强度是否低于最小阈值或高于最大阈值，综合判断是否要开关路灯。此外，还要根据CF脉冲计数来累加用电量和用电有功功率，分别判断开灯和关灯期间的功率是否正常，如果异常，则向指定手机发送告警短信。程序主函数流程如图2所示，图中的开灯时间是指正常的夜晚开灯时间。

图2 主函数流程图

3.2 中断服务程序

外部中断0（INT0）的中断服务程序可实现对ADE7755输出的CF脉冲计数，用来计算功率和用电量，流程如图3所示。外部中断1（INT1）的中断服务程序可实现对环境光强度低于指定的最小阈值或高于最大阈值的判断和记录。该实时记录结果（光线暗或光线正常）用在主程序中，以此判断白天是否要开路灯，或开路灯后是否要关掉路灯。流程如图4所示。

图3 INT0中断服务程序流程图

3.3 功率和电能的计算

ADE7755的CF引脚的输出频率反映了有功功率的大小，将CF的输出频率设定为2 048（F1，F2），要求设置SCF＝0和S0＝S1＝1.单片机在内部定时器设定的积分时间内对CF输出的脉冲计数，平均功率正比于CF脉冲的频率，而在1个积分周期内消耗的电能则与积分周期内的脉冲个数成正比。实际测量功率时，要具体参照电压和电流互感器参数以及芯片的外围电路设置。

在ADE7755的外围电路中，通过输出频率设置电路，设置CF引脚的输出频率，即电表常数的设置。本文的电表常数设定为3 200 imp/kW·h，即电表记录1 kW·h（即1度电）电能，表现为ADE7755的CF引脚输出3 200个脉冲。

图4 INT1中断服务程序流程图

4 结论

本文基于STM32F103T8单片机，采用光强度传感器模块TSL2561、电能测量芯片ADE7755、GSM/GPRS模块SIM800C设计实现了智能路灯控制系统。该系统安装在路灯的配电箱中，既能按定制的开关灯时间表开关路灯，又可以在白天暴雨、浓雾等天气情况下开路灯，天气好转后自动关路灯。此外，当检测到用电功率出现异常时，系统自动向指定手机发送短信告警，以便管理人员及时发现路灯线路用电异常。在测试中，系统电源采用锂电池与220 V供电相结合，这样可以保证停电后系统依然能工作，且记录的用电量等信息不会丢失。实验结果表明，该系统造价比较低，性能较为稳定，有较大的实用价值。

［1］苏赐民，李琪德，黄健倡，等.智能路灯控制器的研究与设计［J］.现代信息科技，2017，1（3）：8-10.

［2］樊冬兰.智能路灯控制器的研究［J］.商品与质量，2016（8）.

［3］Biao M A.Design of Electricity Power Measurement and Management System for Student Apartment Based on ADE7755［J］.Computer Engineering，2007，33（2）：205-207.