基于虚拟照度传感器的智能路灯控制器设计*

2021-05-10李烨君王代强

微处理机 2021年2期

李烨君，王代强，2

（1.贵州大学大数据与信息工程学院，贵阳550025；2.贵州民族大学机械电子工程学院，贵阳550025）

1 引言

随着社会经济的飞速发展和智慧型城市理念的提出，路灯的智能控制在近年来开始受到更多人的关注与研究。智能路灯控制应用在城市及乡镇的路灯照明系统中，能够在节约能源和节省成本上起到很大的作用。通过对实际应用情况的调研发现，目前多数路灯系统仍然存在控制方式偏于传统、效率低下和能源浪费等问题，且现有大多数智能路灯控制技术在利用照度传感器实现精准调光时都有成本过高的问题。在此基于STM32 设计一款应用于路灯智能控制系统的单灯控制器，将光敏电阻和传感器对光照的反应数据进行对比结合，利用虚拟传感器概念，以实现路灯精细智能控制，并同时实现使用成本的降低。

2 总体设计框图

设计以STM32 作为主控芯片，主要完成外围硬件电路设计及软件设计两部分，包括：电源模块、虚拟照度传感器检测模块、故障检测模块、控制模块以及Zigbee 通信模块[1]，从整体上实现路灯的开闭、调光、故障检测及上报等功能。控制器总体设计框图如图1 所示。

图1 智能路灯控制系统总体方案框图

所设计控制器在实际工作中采用虚拟照度传感器检测环境明暗变化，并以此为依据进行PWM调光控制；利用继电器实现路灯的开闭功能；利用电流及电压传感器以及BL6523Gx 电能计量芯片采集电能数据进行故障检测；故障的上报是利用制定的编码规则，上传路灯的对应编码来显示位置。

3 虚拟照度传感器构建

虚拟传感器构建流程如图2，它主要针对难以直接测量或直接测量成本比较高的被测量，通过对相关量进行测量，再对测得的数据信号进行处理，可间接获取被测量的信息[2]。虚拟照度传感器构建的主要思路是，首先获取传感器测量数据[3]，具体实现过程是将照度传感器测量到的光强值存入STM32，经数据处理后输出一路占空比可变的PWM方波，即相应占空比；虚拟传感器根据同等条件下测得的光敏电阻相关数据调取所保存的相应占空比数据，模拟真实传感器输出量控制调光。

图2 虚拟传感器构建流程图

4 系统设计

4.1 硬件电路设计

4.1.1 单片机主控模块

以STM32F103C8T6 作为整体设计控制芯片[4]，由时钟电路、复位电路、Boot 引脚电路、JTAG 下载电路等组成单片机系统电路。单片机PB10、PB11 接BL6523Gx 电能计量芯片，采集电流及电压值进行故障检测；PA0 接照度检测模块；PB6 与PB7 是输出引脚，控制LED 灯的开闭及调光。这一部分模块的电路图如图3 所示。

图3 单片机主控模块电路

4.1.2 供电模块

系统中各模块的工作电压均是由此模块电路转换所得到。交流220 V 输入后经由交流调压模块将电压转换为交流12 V，之后经AC-DC 转换电路得到+12 V，利用LM 系列芯片将+12 V 转换为+5 V与+3.3 V，并在芯片两端接入滤波电容使电源输出更加平滑稳定，能够满足单片机、电能采集等模块的供电需求。这一部分模块电路设计如图4 所示。

图4 供电模块电路图

4.1.3 虚拟照度传感器模块

设计选用PR-GZ-3002 型照度传感器来进行前期传感器数据获取。光照强度量程的跨度为0～65535 lx，测量的光强数据输出信号接入单片机PA0引脚，通过ADC 模块读取光强值后输出相应PWM占空比控制LED 调光。同时，在电路中接入光敏电阻。照射光敏电阻的光强的不同，通过它的电流大小就不同，利用这种电流大小变化，在此处串联一个电阻，即可通过读取电压值判断外部光线强弱。根据同等光照条件下光敏电阻电压值与实际输出占空比的对应关系，即可实现设计。

4.1.4 LED 控制模块

LED 控制电路包括灯的开闭和调光两部分设计。路灯的定时开闭利用继电器来实现。单片机通过PB7 引脚输出高/低电平。引脚输出的电流可能不足以驱动继电器，因此串联一个三极管进行放大以驱动继电器，并在继电器两端并联一个二极管用来保护电路[5]。当输出低电平时，三极管Q1 导通，继电器吸附，此时路灯打开；相反输出高电平时，继电器断开，路灯关闭[6]。

当路灯打开时，即可进行PWM 调光控制。单片机通过读取到光强值，产生一路占空比可变的PWM方波，控制场效应管D4184 使之工作在开关状态，通过调整输入脉冲的占空比来调节路灯亮暗。LED控制模块电路如图5 所示。

图5 LED 控制模块电路

4.1.5 电能采集模块

通过对交流输入端电压和用电电流及漏电电流的检测来判断是否故障。此模块用电压及电流传感器检测电能数据，将测得的三路数据输入BL6523Gx 电能计量芯片进行处理。BL6523Gx 是一种单向多功能单子电能计量芯片，具有两个电流采样端和一个电压采样端，集成了3 路ADC、参考电压、电源管理及处理电参数的数字信号处理电路模块，可以检测一路电流、电压、功率等数据，通过串行接口TX 向单片机输出实际功率，判断是否故障。电压及电流数据采集电路如图6 所示。

图6 电能采集模块电路

4.1.6 Zigbee 通信模块

采用CC2530F256 为核心设计Zigbee 通信模块，它具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，8 kB 的RAM 使其具有各种供电方式下的数据保持能力[7]，在智能控制领域的应用尤其广泛。芯片的P0.2 与P0.3 分别与单片机 USART1 的 PA10、PA9 相连，进行通信数据的下发与接收，即接收路灯的运行状态信息并上传，同时把上级控制命令下发给单片机。Zigbee 接口电路如图7 所示。

图7 Zigbee 接口电路模块

4.2 软件程序设计

所设计软件系统的主程序流程如图8。当集中协调器上命令传达时，从机接收命令并根据命令做出具体反应，对LED 执行开闭操作或调节PWM 占空比进行亮度调节；若无命令传达时，则进行自主控制，定时对路灯进行开闭控制，并根据读取到的指令调节占空比进行调光控制。采集电压、电流等数据进行处理判断是否发生故障，将运行状态信息和路灯对应的位置编码一起上报。上位机通过解析上传数据下发执行命令，若故障发生无法解决则可通过预设的编码规则确定路灯位置进行人工维修。