陳 帥，姚善化

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232000)

1 引言

為了應對全球能源危機，降低能源消耗，提高公共設施利用效率，建設新型智慧城市成為城市發(fā)展的重要方向。路燈是一個城市基礎設施的重要組成部分，也是城鎮(zhèn)居民生活中不可缺少的一部分[1]。智慧城市建設速度不斷加快，涉及的內容也很多，其中智能路燈的建設及其管理體系的建立與應用尤為重要。目前，大部分城市的路燈都是人工管理，路燈發(fā)生故障時不能及時準確定位檢修，需要人工逐個排查，造成資源上的浪費。利用物聯網和人工智能技術的智能路燈系統(tǒng)已經成為國內外研究的熱點領域。目前常用的路燈控制方法與路燈智能控制相比，存在管理落后、滯后性嚴重、精度低、工作效果差的缺點。對于這些缺點要及時處理，因此本課題研發(fā)以型號為STC89C52單片機為基礎的路燈智能管控系統(tǒng)[2]。

2 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)要做到使路燈能夠根據周圍的光照環(huán)境自動調整路燈亮度和開關，路燈一旦發(fā)生故障，要立刻檢測出來，匯報給監(jiān)控界面，及時派人檢修。本課題研發(fā)的系統(tǒng)中主要功能包括故障檢測、路燈管控、采集環(huán)境信息、MCU、上位機管理以及無線通信共6個功能模塊。系統(tǒng)最核心的功能模塊為MCU，故障檢測主要對路燈故障進行檢測，路燈管控主要對路燈電路接通與斷開進行控制，并調節(jié)亮度，采集環(huán)境信息即采集信號，無線通信負責上位機與下位機數據互換，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構

在系統(tǒng)工作時，環(huán)境信息采集模塊會收集環(huán)境信息數據，將收集到的數據發(fā)送到MCU進行分析處理，然后MCU根據周圍環(huán)境判斷，通過路燈控制模塊打開或者調整路燈的光照亮度。路燈實時運行情況由故障檢測模塊進行監(jiān)測，在路燈出現故障時該模塊就會將具體情況傳輸給主控制器MCU，MCU驅動路燈管控功能模塊將電路斷開，然后驅動無線通信模塊將故障信息向上位機進行傳輸。上位機再將具體指令傳輸給下位機。

3 路燈控制系統(tǒng)的硬件設計

3.1 環(huán)境信息采集模塊的硬件設計

在環(huán)境信息采集上，利用光敏電阻傳感器對周圍環(huán)境光線檢測，收集周圍環(huán)境光照強度的數據。內光電效應是光敏電阻工作基本原理。光照愈強，阻值愈低。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強而變大，從而實現光電轉換[4]。首先在光照監(jiān)測傳感器中設置光照閾值，當周圍環(huán)境的光照強度大于光照閾值時，數字輸出量接口輸出高電平，反之輸出低電平，即0和1。如圖2所示。

3.2 控制路燈的硬件電路設計設計

路燈控制電路主要是通過STM32的I/O發(fā)送高低電平信號給電磁繼電器，使電磁繼電器完成開關的打開與閉合，實現對工作電路通斷的控制。

3.3 故障檢測模塊的硬件設計

該功能模塊主要是對路燈運行情況進行定期監(jiān)測，如果發(fā)現路燈工作過程出現問題，該模塊就會對具體情況進行檢測，并將信息傳送給主控制器MCU，MCU驅動無線通信和路燈管控電路執(zhí)行對應的操作。故障檢測的原理是主要監(jiān)測工作電路中的電流是否在正常范圍內?？梢酝ㄟ^電流互感器，基本RS觸發(fā)器，電磁繼電器以及STM32的PD13引腳來配合監(jiān)測電路中的電流。一般路燈的工作電壓在220 V，電流在2～3 A之間。電流通過電流互感器500倍縮小使電磁繼電器開關閉合使RS觸發(fā)器SD一端置1，然后RD一端置1，STM32的PD13引腳與觸發(fā)器的相連接。一旦工作電路中的電流發(fā)生異常電磁繼電器開關打開，SD置0，使PD13接收到的電平信號發(fā)生變化，以此判定工作電路發(fā)生故障。

圖2 光照監(jiān)測電路

3.4 無線通信模塊的硬件設計

相對來說4G技術發(fā)展時間更長，所以更加成熟，本設計選擇USR-G770DTU模塊，由于要實現各種信號的相互轉換，所以要完成4G模塊與STM32間接口電路的設計，串口信號TTL向信號RS232轉變是利用芯片SP3232完成，轉換后向4G模塊進行傳輸。數據通信接口電路原理圖如圖3所示。

圖3 數據通信接口電路原理

4 路燈控制系統(tǒng)的程序設計

系統(tǒng)通電后，先使系統(tǒng)初始化，然后讀取電鐵存儲器的特定地址。預先將設定好的數據采集時間、光照閾值等參數寫入電鐵儲存器中，如果沒有預先設定，則將系統(tǒng)默認參數寫入電鐵存儲器的相應地址中。如果系統(tǒng)已經設置了預定參數并處于工作模式中，系統(tǒng)收到采集時間的時鐘信號，MCU向傳感器發(fā)送采集指令，并將傳感器返回的數據進行解析和儲存，之后系統(tǒng)進入待機工作模式，等待下一次時鐘喚醒。提前設定的采集總次數完成采集以后，系統(tǒng)會計算這些數據中的最大最小值以及平均值，這些數據中的代表值是光照均值，將其與提前設定的光照閾值對比分析。當光照均值沒有達到閾值，則判定光照不足，然后通過路燈控制模塊打開路燈或者調整路燈的光照亮度，當光照均值大于光照閾值，則判定光照充足，然后關閉路燈或者調整路燈光照亮度。[5]自動控制流程圖如圖4所示。

圖4 自動控制流程

系統(tǒng)讀取主要包括工作模式、設定時間以及光照閾值等數據的讀取。幀格式如表1所示。

表1 通信協議的幀格式

5 結語

智能路燈在智慧城市中發(fā)揮著不可代替的作用，可節(jié)省大量資源，降低碳排放，具有良好的社會效益，在成本上，可節(jié)省人員維護支出，具有很好的經濟效益。智能化管理避免了白天亮燈的情況，提高了路燈開關的可靠性[6]，避免了不必要的能源浪費，減少了因路燈照明故障引起的交通事故的發(fā)生。具有良好的實用價值。