劉 暢，侯黎陽

（河南大學 計算機與信息工程學院，開封 475004）

隨著我國社會經(jīng)濟科技各方面發(fā)展愈加迅速，對道路照明系統(tǒng)的要求也越來越高[1]，逐漸向精細化管理、智能化控制等方向發(fā)展。路燈在許多場合都是數(shù)量多密度度高的基礎設施，對于道路的功能實現(xiàn)有重大意義，隨著智能城市體[2]、節(jié)能化[3-4]、信息化[5]的提出和實施，傳統(tǒng)的路燈控制方式智能化控制程度不高、路燈的管理效率低下、無法根據(jù)實際需要及時對路燈的開關進行控制[6]等問題越來越突出。

對于高校等路燈應用數(shù)量和范圍較為集中的中小范圍場所，為改善傳統(tǒng)路燈的諸多缺點，將物聯(lián)網(wǎng)技術[7-8]與傳統(tǒng)路燈結合起來，采用ZigBee無線通信的控制方式讓路燈對行人具有預見性，與智能逐日系統(tǒng)相結合以實現(xiàn)最大化節(jié)能，從而更智能更便捷，無需大量人工管理且實時性智能化程度高。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

校園路燈物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由CPU控制單元、模數(shù)轉換單元、ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸單元、驅動單元和角度轉向機構、傳感器等組成。其中，光敏傳感器對光線亮度做出檢測，CPU判斷決定是否允許亮燈，并結合光強傳感器決定是否允許驅動單元輸出。允許亮燈時人體感應傳感器對是否有行人做出檢測，檢測到行人立即點亮路燈并通過無線網(wǎng)絡發(fā)出數(shù)據(jù)。未檢測到行人但接收到有效數(shù)據(jù)的其它系統(tǒng)點亮路燈并繼續(xù)傳遞數(shù)據(jù)，當前數(shù)據(jù)也允許被人體感應傳感器的最新檢測進行刷新。光強傳感器將太陽光強度轉換成傳感器可以識別的電壓信號，模數(shù)轉換單元將模擬電壓信號轉化成數(shù)字信號傳遞給CPU單元，經(jīng)運算處理，將控制信號發(fā)送給驅動單元，使太陽能發(fā)電板在小誤差范圍內保持正對太陽，保證了最大的光能利用率。系統(tǒng)的組成及連接關系如圖1所示。

圖1 校園路燈物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結構Fig.1 Campus light IOT system structure

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 CPU控制單元

處理器為PQFP封裝的STC89C51RC單片機[9]。該型號單片機體積小而資源豐富，設計電路板時便于元器件排布緊湊，有效減小PCB板面積便于安裝，整體效果也更加美觀。最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

2.2 模數(shù)轉換單元

模數(shù)轉換單元采用ADC0808芯片，以NE555振蕩電路為其提供約500 kHz的工作脈沖。太陽能發(fā)電板未正對太陽時，左右兩個光強傳感器所接收的太陽光強度不同，將各自的光強轉換成電壓信號，ADC0808的兩路轉換通道將對應的模擬信號轉換為數(shù)字信號，傳遞給CPU單元，從而實現(xiàn)具備一定魯棒性的實時對正功能。脈沖發(fā)生電路和模數(shù)轉換電路如圖3、圖4所示。

圖2 最小系統(tǒng)原理Fig.2 Minimum system schematic

圖3 NE555脈沖發(fā)生電路Fig.3 NE555 pulse generation circuit

圖4 模數(shù)轉換電路Fig.4 Analog-digital conversion circuit

2.3 電機驅動單元

電機驅動單元選用L298N作為主要的功率驅動芯片。該芯片內部有4個通道的邏輯驅動電路，集成有專用的H橋驅動，具有兩個使能端控制信號，通過調節(jié)PWM波還可以調節(jié)電機的轉動速度。該驅動電路如圖5所示。

圖5 L298N驅動電路Fig.5 L298N drive circuit

系統(tǒng)設計時未考慮PWM波調速，ENA、ENB兩個使能端直接連接VCC。為了防止自感電壓擊穿開關元件并且較好地釋放其自感能量，在輸出端設計了續(xù)流保護二極管。當電機長時間工作時，芯片明顯發(fā)熱，安裝一塊鋁制散熱片以加強散熱效果。

2.4 傳感器的選型和使用

根據(jù)實際需求，選定傳感器的類型及型號。本系統(tǒng)選用了3種傳感器：光敏電阻、熱釋電人體紅外線傳感器、光強傳感器[10]。

其中光強傳感器本質上是一種微型太陽能電池板，將光線強度轉換為電壓值，最大輸出電壓約為5.1 V。選用兩片光強傳感器用支架調整出一定角度后安裝在太陽能電池板上，當太陽對地角度發(fā)生改變，兩片光強傳感器間產(chǎn)生壓差，經(jīng)CPU計算比較輸出轉向信號，轉向機構動作一定角度正對太陽。如圖6所示為手工制作的機械支架和光強傳感器。

圖6 光強傳感器Fig.6 Light intensity sensor

光照強度增加到一定程度時，該傳感器即輸出最大電壓導致較難判斷太陽角度，故應改進設計分壓電路，將電壓轉換為電流，采集與光強保持更好對應關系的電流信號。

2.5 人體感應單元

人體感應單元在行人經(jīng)過時發(fā)出信號，由CPU控制啟動路燈，通過無線方式通知周圍若干路燈，使其它路燈提前點亮，從而高效節(jié)能且智能。人體感應電路如圖7所示。

圖7 人體感應電路Fig.7 Human sensing circuit

人體感應單元設置為允許觸發(fā)和可重復觸發(fā)方式。該電路主要涉及輸出延遲時間和觸發(fā)封鎖時間。其中BISS0001芯片的引腳3（RR1）和引腳 4（RC1）是輸出延遲時間Tx的調節(jié)端，Tx≈49152R1C1（R1是接在引腳3（RR1）的電阻；C1是接在引腳4（RC1）上的電容），引腳 5（RC2）和引腳 6（RR2）是觸發(fā)封鎖時間Ti的調節(jié)端，Ti≈24R2C2（R2是接在引腳 6（RR2）的電阻；C2是接在引腳 5（RC2）上的電容）。該電路需具有實時檢測的功能，輸出延遲時間Tx和觸發(fā)封鎖時間Ti均設為0，電路中C1和C2均直接短接。

2.6 無線數(shù)據(jù)傳輸單元

ZigBee無線模塊具有安全穩(wěn)定、功耗低、成本低、時延短、工作頻段靈活等優(yōu)點。設置其端口P0.2、P0.3 為外設功能，成為接收（Rx）和發(fā)送（Tx）端口，串口通信的波特率配置為4800，使與CPU工作頻率相同。通過對其編程，可使其以無線形式發(fā)送CPU的數(shù)據(jù)，由其它路燈系統(tǒng)的無線接收端接收。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 系統(tǒng)主要程序設計

系統(tǒng)上電啟動后，立即對定時器、模數(shù)轉換單元、外部中斷進行初始化。初始化完成后，定時器發(fā)出脈沖，ADC0808接收到CPU的使能信號后，開始檢測光強傳感器信號。外部中斷函數(shù)不斷地檢測外部輸入信號，如果接收到信號，立即對信號進行處理，然后判段執(zhí)行對應的程序。系統(tǒng)主程序流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)主程序流程Fig.8 System main program flow chart

3.2 模數(shù)轉換服務子程序

該子程序的主要功能是感知太陽光線角度，為了節(jié)約耗電并提高系統(tǒng)的運行效率，采用詢問應答的方式進行處理，詳細流程如圖9所示。

圖9 模數(shù)轉換處理流程Fig.9 A/D conversion flow chart

4 系統(tǒng)調試與運行驗證

系統(tǒng)框架初步設計完成后，首先在Proteus軟件中進行該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)核心電路的仿真，經(jīng)過電路搭建，程序下載，系統(tǒng)仿真實驗的信號傳遞和動作指示反應都在預期范圍內。

系統(tǒng)的實際調試工作較為瑣碎，主要就電源部分簡要論述。電源分控制、驅動電源兩部分。采用7805CT（NLHC249），輸入電壓UI=6.8 V，輸出Uo=5 V，加散熱片后可使Imax=1 A。經(jīng)AMS1117-3.3芯片（Sot-223封裝）輸出3.3 V電源，供ZigBee模塊使用。因焊接不牢、線徑偏細等問題，電源調試時常出現(xiàn)線路糊化等問題，分別做出改進。經(jīng)過實際測試，該電路的輸出功率可以滿足系統(tǒng)需要。圖10為系統(tǒng)供電電源電路，圖11為實際焊接的接口電路。

圖10 系統(tǒng)供電電源電路Fig.10 System power supply circuit

圖11 接口電路Fig.11 Interface circuit

在程序和外圍設備設計完成后，將硬件和軟件進行整合，開始測試系統(tǒng)的各項功能，通過不斷地測試與調試逐漸完善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最終實現(xiàn)了系統(tǒng)的全部預期功能。圖12為搭建的實物平臺。

圖12 校園路燈物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)Fig.12 Campus lights IOT system

5 結語

本文所設計的校園路燈物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運用Zig-Bee無線通訊模塊進行局域自組網(wǎng)，采用C語言對所設計電路進行開發(fā)，在組建過程中設計多種專用外部執(zhí)行機構，在實驗仿真和實際應用時表現(xiàn)出穩(wěn)定性強、操作安裝便捷等特點。在系統(tǒng)的整體設計中采用功能模塊化的思路，便于實際應用中的使用和維護。經(jīng)過實物平臺的功能驗證，該系統(tǒng)滿足預期設計目標和應用環(huán)境的要求。