王海燕，高之圣，楊定波

(1.淮安信息職業(yè)技術學院，江蘇 淮安 223003；2.宿遷市綠源照明有限公司，江蘇 宿遷 223800)

1 引言

當前，能源短缺已成為人類經(jīng)濟社會發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)，在國家“十二五”規(guī)劃綱要中提出的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)作為七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之首被委以重任。城市亮燈工程讓現(xiàn)代化大都市日益靚麗，交通出行更加便利。但是，很多城市路燈控制存在亮燈的時間管理不夠科學，不能根據(jù)季節(jié)的變化及時調(diào)整路燈的控制模式，造成很多電能的浪費。

2 路燈控制系統(tǒng)方案的選擇

圖1是路燈控制系統(tǒng)的示意圖，經(jīng)過查閱大量文獻資料，發(fā)現(xiàn)目前的國內(nèi)外路燈控制系統(tǒng)[1]都是基于各種有線和無線網(wǎng)絡的嵌入式應用，主要實現(xiàn)方案有以下幾種：

圖1 路燈控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Street lighting control system diagram

方案一：基于GSM[2]、GPRS、ZigBee[3]無線網(wǎng)絡的路燈管理，它具有施工方便的優(yōu)點，并且利用了現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎實施，管理方便，便于查詢和存儲數(shù)據(jù)，管理效率高，但是這些技術方案實現(xiàn)成本普遍較高；

方案二：采用工業(yè)以太網(wǎng)、LonWorks、CAN總線[4]等有線網(wǎng)絡的路燈管理系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡相比，施工布線復雜，后期的維護成本高。

方案三：采用低廉的RS-485有線網(wǎng)絡方式構(gòu)建路燈管理系統(tǒng)，突出優(yōu)點是成本低和技術上更易于實現(xiàn)。

經(jīng)過綜合考慮，決定采用方案三構(gòu)建LED路燈管理系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)方案設計

3.1 系統(tǒng)的總體設計

本路燈模擬系統(tǒng)由一個支路控制器和四個單元控制器組成。支路控制器和單元控制器都采用單片機為主控制器，它們之間采用RS485的數(shù)據(jù)通信方式。支路控制器通過RS485實現(xiàn)對各單元路燈的定時開關、燈光亮度調(diào)節(jié)、時間顯示、光線檢測、故障檢測、從機數(shù)目查詢、各單元控制器的工作狀態(tài)顯示等，系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)方案框圖Fig.2 System block diagram program

3.2 單元控制器的方案設計

單元控制器主要由處理器模塊、光線檢測模塊、移動物體檢測模塊、路燈故障檢測模塊、燈光調(diào)節(jié)驅(qū)動模塊組成，如圖3所示。傳感器檢測模塊將檢測到的環(huán)境光線信號和物體運動方向信號送給單片機，單元控制器利用脈寬調(diào)制技術，產(chǎn)生PWM波信號來實現(xiàn)路燈的開、關控制，以及路燈亮度的調(diào)節(jié)。

圖3 單元控制器的方案框圖Fig.3 Plan diagram of a controller unit

4 單元控制器的硬件電路設計

4.1 環(huán)境光線檢測電路

環(huán)境光線檢測電路如圖4所示，該電路主要根據(jù)光照情況來檢測判斷白天和黑夜。此部分電路采用高性價比的光敏電阻作為光學傳感器件，其亮阻為5kΩ左右，暗阻值100kΩ左右。將它與一個電阻相連，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的高低電平，供單片機處理，電路簡單，成本低。

圖4 光敏檢測電路圖Fig.4 Sensitive detection circuit

4.2 故障檢測電路

故障檢測電路主要檢測路燈應該發(fā)光卻不發(fā)光時，判斷路燈出現(xiàn)故障，因此可以在路燈的下方附近安裝一個光敏電阻，此光敏電阻在晚上天黑的時候，只接受對應路燈發(fā)出的光照呈現(xiàn)亮阻；如果路燈壞了不發(fā)光，則光敏電阻呈現(xiàn)暗阻，從而判斷路燈是否出現(xiàn)故障，該電路原理和上述光敏檢測電路結(jié)構(gòu)類似，不再重述。

4.3 移動物體檢測電路

移動物體檢測電路如圖5所示，它能根據(jù)路上的人流量來開啟和關閉路燈，當檢測到有人走來時，前方的路燈隨著人的向前移動逐次點亮；同時，后方的路燈逐次熄滅，由于減少了路燈的亮燈時間，達到節(jié)能的效果。

圖5 光電檢測電路圖Fig.5 Photoelectric detection circuit

4.4 白光LED驅(qū)動電路

路燈控制系統(tǒng)試驗過程中采用1W的白光[5]LED作為路燈，經(jīng)測試，該燈泡最大功率工作時需要流過約350mA的電流，當流過的電流不同時，亮度也跟著改變，只有恒流驅(qū)動時，燈光亮度才不會閃爍，達到照明的要求。因此，路燈的正常發(fā)光需要一個恒流驅(qū)動電路，考慮到路燈亮度的調(diào)節(jié)范圍，對應要求路燈的恒流源電流在20%～100%內(nèi)變化，并能可靠工作。

最常用的路燈驅(qū)動方案有：基于運放和大功率三極管或場效應管構(gòu)成的恒流源；利用穩(wěn)壓源和大功率三極管構(gòu)成的恒流源；采用專用的大功率白光LED驅(qū)動集成電路。

由于本系統(tǒng)采用的LED功率不大，因此，采用一個常用的LM7805和S8050三極管就可以驅(qū)動，并且電路簡單、成本低廉，因而被采用。

利用單片機定時中斷的方式產(chǎn)生PWM脈沖，對一只NPN型的8050三極管通斷控制。當PWM的頻率超過50Hz時，人眼覺察不到燈的閃爍，并且利用PWM的脈寬變化實現(xiàn)了路燈的亮度調(diào)節(jié)，此電路可達到對PWM脈沖寬度步進1%進行控制，實現(xiàn)了對路燈亮度的20%～100%可調(diào)。實驗證明，該方案能穩(wěn)定可靠。具體電路如圖6所示。

圖6 LED驅(qū)動電路圖Fig.6 LED drive circuit diagram

5 單元控制器的軟件設計

通電后，單元控制器執(zhí)行完初始化程序，就處于監(jiān)聽狀態(tài)，主要是接受支路控制器的查詢和設置，從而選擇自己的工作模式，并一直工作在這種模式，直到支路控制器發(fā)來新的指令。在天黑點亮路燈的時候，單元控制器還一直檢測路燈的工作狀態(tài)，發(fā)生故障時，能夠主動通知支路控制器。在光電模式中，單元控制器必須能夠及時獲得它兩側(cè)的光電開關的檢測信號，借以決定當前路燈的開和關。系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7 單元控制器流程圖Fig.7 Unit controller flowchart

6 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試使用了數(shù)字萬用表及GWS-2202雙通道示波器，對本控制系統(tǒng)所用的白光LED燈進行測試，測試結(jié)果如表1所示。

通過測量分析，可見該系統(tǒng)實現(xiàn)了路燈亮度的有效調(diào)節(jié)功能。另外，還對進行移動物體檢測、環(huán)境光線檢測、故障檢測等功能驗證及測試，實現(xiàn)了LED路燈系統(tǒng)多模式智能控制。

表1 單顆粒LED的測量數(shù)據(jù)Table 1 LED single particle measurement data

7 結(jié)論

本系統(tǒng)通過實驗、測試，成功開發(fā)了一種智能LED路燈控制系統(tǒng)單元控制器。系統(tǒng)控制方便，運行穩(wěn)定，達到最初設計要求。系統(tǒng)設計電路簡捷，成本低廉，性價比高。本系統(tǒng)下一步還將在單元控制器與支路控制器之間的組網(wǎng)、通信、上位機及路燈綜合調(diào)度管理等方面作深入研究。

[1] 李健,蔣全勝,任靈芝.智能路燈控制系統(tǒng)設計[J].工業(yè)控制計算機,2010,23(6):110～112.

[2] 王玉巧,胡玉璽.基于單片機的路燈智能控制系統(tǒng)[J].山東輕工業(yè)學院學報,2010,24(4):70～72.

[3] 申利民,翁桂鵬.基于ZigBee的智能小區(qū)LED路燈控制系統(tǒng)設計[J].中國照明電器，2011,(02):26～29.

[4] 楊芬,吳伯農(nóng),吳海軍.智能傳感器的CAN總線接口設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2011,(08):7～10.

[5] 楊恒. LED照明驅(qū)動電路設計與實例精選[M].北京:中國電力出版社,2008.