智能路灯控制系统设计与仿真实现

陈春燕

（武汉软件工程职业学院，湖北 武汉 430205）

路灯在人们的日常生活中发挥着重要的作用，夜晚的灯光烘托安静与和平，带来温暖和期盼，指引前行的路。路灯也是城市必不可少的基础设施，路灯的节能效果直接影响节能减排的成果，通过智能调控对照明进行最优化设置，合理减少开关时间，降低运行成本，打造宜居城市[1]。本设计中的智能路灯控制方案如图1 所示。

图1 智能路灯系统方案

1 控制系统整体设计

在本次设计的路灯控制系统中，先对路灯进行合理的分组和分区，在每组路灯的能源输入端加入接触器，通过控制系统控制接触器的接通和断开状态，进而实现对路灯的亮灭控制。

本次设计的路灯控制系统具有自动和定时2 种控制模式，这2 种控制模式可以自主切换。在自动模式下，路灯的亮灭由环境的光照强度进行控制，根据环境的光照强度与光照参数的关系进行路灯亮灭的控制；在定时模式下，路灯的亮灭由当前时间决定，根据路灯开启和关闭的定时时间完成路灯的亮灭控制。

本次设计的系统根据硬件实现分为6 个模块，分别为控制器模块、显示模块、按键检测模块、光强传感模块、时钟模块、上位机通信模块[2]。总体设计框图如图2 所示。

图2 控制系统整体框图

2 模块设计

本设计根据功能分为人机接口模块、自动功能模块、定时功能模块、紧急手动控制模块和后台通信模块。下面依次对5 个模块进行介绍。

2.1 人机接口模块

人机接口模块通过良好的人机交互设计，使操作者在面对控制系统时，可以方便操作，并具有可视化的效果。

考虑到路灯控制系统应该稳定可靠、易于维护，在本设计中，人机接口模块的设计使用传统的按键+数码管模式，该模式抗干扰能力强、成本低，这样单个控制系统具有显示界面，可以方便进行功能调试和故障排查，在开发和售后阶段具有很大的便捷性，且方便后期的功能扩展。

数码管的显示控制在设计中一般要占用较多的IO口，比如8 位数码管的显示需要16 个IO 口才能完成，在本设计中使用译码器和锁存器的结合，减少IO 口的使用个数。显示模块仿真设计电路如图3 所示。

图3 显示模块仿真设计电路

在本设计中考虑到维护的便捷性，操作者需要进行数据查看、控制模式切换、设置参数选择、参数值增加、参数值减小的操作。这些操作由操作者完成，需要设计信号输入模块。本设计中使用4 脚立式轻触按键作为信号输入，根据操作内容的需要，设计5 个按键输入，按键输入模块电路及功能定义如图4 所示。

图4 按键功能设计

在人机接口的程序设计中，按键检测和数码管显示代码根据硬件电路的连接进行编写和调试。在该部分中，比较烦琐的是按键和显示的处理。要先设计好按键和对应的显示界面，便于程序处理。根据按键检测值的不同，数码管显示不同的内容。

在1 号按键按下时，进行数码管的显示切换，在本设计中，数码管的显示界面有3 个，分别是数据显示界面、参数设置界面、时钟显示界面。数据显示界面设计如图5 所示，参数设置界面设计如图6 所示，时钟显示界面设计如图7 所示。

图5 数据显示界面设计

图6 参数设置界面设计

图7 时钟显示界面设计

1 号按键按下后的控制流程如图8 所示。

图8 1 号按键控制流程

在2 号按键按下时，进行控制模式的切换，控制模式的切换只能在实时数据界面进行操作。2 号按键的控制流程如图9 所示。

图9 2 号按键控制流程

在3 号按键按下时，进行参数设置的切换，参数切换功能在参数设置界面和时钟显示界面有效。在本设计中可以进行时间的设置。3 号按键的控制流程如图10 所示。

图10 3 号按键控制流程

2.2 自动功能模块

在路灯控制系统的自动模式下，需要根据自然环境中的光照强度变化，完成路灯亮灭的控制，在路灯控制系统的自动模式中，有2 个参数，分别是光照强度上限和光照强度下限。当采样到的光照强度小于光照强度下限时，路灯亮；当采样到的光照强度大于光照强度上限时，路灯灭[3]。

本功能模块中的硬件电路由信号检测、信号处理和信号传输电路组成，具体如下。

信号检测部分：光照强度的检测由光照传感器来完成。

信号处理部分：根据光照传感器输出的信号不同，需要设计不同的处理电路，在本次仿真中使用可调电阻模拟光照信号的变化，信号处理电路较为简单。

信号传输部分：在控制系统中需要完成对光照传感器输出信号的处理，再送给单片机处理。光照传感器的输出是模拟信号，单片机只能对数字信号进行处理，因此光照传感器的输出信号需要通过AD 转换再和单片机连接。在本设计中的AD 转换部分使用TI 公司生产的8 位AD 芯片TLC549，这款芯片使用三线SPI 接口与单片机进行连接。

该部分信号的传输过程如图11 所示。

图11 光照强度信号传输

在仿真中，使用可调电阻模拟传感器的信号变化。光照强度检测的仿真设计电路如图12 所示。

图12 传感模块仿真设计图

自动模式的控制流程如图13 所示。

图13 自动模式控制流程

在AD 转换模块的编程中，需要根据TLC549 与单片机进行数据交换的时序图完成编程。TLC549 的通信时序如图14 所示。

图14 TLC549 通信时序

在TLC549 与单片机的通信中，使能信号低电平有效，时钟信号上升沿锁存数据，先发送数据高位。

2.3 定时功能模块

在路灯控制系统的定时模式下，路灯的亮灭由当前的时间决定。在定时模式下，有2 个参数，分别为路灯开启时间和路灯关闭时间。在当前时间晚于路灯开启时间时，路灯亮；在当前时间晚于路灯关闭时间时，路灯灭。

在定时模式中，需要获取当前的时间，如果通过定时器来完成时间计算，程序设计复杂，流程不清晰。因此在本次设计中，时钟电路选用低功耗实时时钟芯片DS1302 来实现，该芯片提供时间读取和设置的接口，具有闰年补偿功能，DS1302 通过SPI 接口与单片机进行数据交换[4]。

DS1302 进行单字节读和写时的控制时序如图15所示。

图15 DS1302 单字节读写控制时序

定时模式的控制流程如图16 所示。

图16 定时模式控制流程

在定时模式下，需要根据当前时间进行控制，使用12 h 制进行控制时，判断条件较为复杂，建议使用24 h 制进行控制。

2.4 紧急手动模块

在有需要路灯全部亮的紧急情况或者需要路灯全部灭的故障排查情况时，需要手动控制路灯全亮或者全灭，手动控制按键在硬件电路中连接在单片机的外部中断输入端子。在仿真中，使用按键接入外部中断端子，实现紧急情况下的手动控制。

2.5 后台通信模块

在本控制系统与上位机通信模块预留485 通讯接口，可以实现路灯的远程控制和智能控制。根据需要选择控制系统与后台的通信协议，在通信协议定义中可以完成实时数据的获取、参数的设置和远程控制的功能。具体的通信协议可以根据具体的需要设计。

3 结论

城市路灯存在开关灯控制方式单一、巡查困难等问题，导致路灯系统能耗高，维护成本高，给人们的出行和生活带来极大不便。针对以上问题，提出智能路灯控制系统设计，本设计具有如下优势：①系统功能完备，具有2 种控制模式，可以合理利用能源，达到节能的目的；②控制效率高，成本低，可以在供电电源输入端加入接触器，实现一组路灯的控制，合理布局和控制；③系统可扩展性好，在系统框架不改变的前提下，可以新增检测输入和控制模式，优化控制效果；④智能化控制，留有通信接口，可以使用modbus 协议或者其他通信协议进行远程控制通信。