城市路灯的智能控制系统设计
2021-07-22姚善化
陈 帅，姚善化
(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232000)
1 引言
为了应对全球能源危机，降低能源消耗，提高公共设施利用效率，建设新型智慧城市成为城市发展的重要方向。路灯是一个城市基础设施的重要组成部分，也是城镇居民生活中不可缺少的一部分[1]。智慧城市建设速度不断加快，涉及的内容也很多，其中智能路灯的建设及其管理体系的建立与应用尤为重要。目前，大部分城市的路灯都是人工管理，路灯发生故障时不能及时准确定位检修，需要人工逐个排查，造成资源上的浪费。利用物联网和人工智能技术的智能路灯系统已经成为国内外研究的热点领域。目前常用的路灯控制方法与路灯智能控制相比，存在管理落后、滞后性严重、精度低、工作效果差的缺点。对于这些缺点要及时处理，因此本课题研发以型号为STC89C52单片机为基础的路灯智能管控系统[2]。
2 系统总体设计
系统要做到使路灯能够根据周围的光照环境自动调整路灯亮度和开关，路灯一旦发生故障，要立刻检测出来，汇报给监控界面，及时派人检修。本课题研发的系统中主要功能包括故障检测、路灯管控、采集环境信息、MCU、上位机管理以及无线通信共6个功能模块。系统最核心的功能模块为MCU，故障检测主要对路灯故障进行检测，路灯管控主要对路灯电路接通与断开进行控制，并调节亮度，采集环境信息即采集信号，无线通信负责上位机与下位机数据互换，如图1所示。
图1 系统整体结构
在系统工作时，环境信息采集模块会收集环境信息数据，将收集到的数据发送到MCU进行分析处理，然后MCU根据周围环境判断，通过路灯控制模块打开或者调整路灯的光照亮度。路灯实时运行情况由故障检测模块进行监测，在路灯出现故障时该模块就会将具体情况传输给主控制器MCU，MCU驱动路灯管控功能模块将电路断开，然后驱动无线通信模块将故障信息向上位机进行传输。上位机再将具体指令传输给下位机。
3 路灯控制系统的硬件设计
3.1 环境信息采集模块的硬件设计
在环境信息采集上，利用光敏电阻传感器对周围环境光线检测，收集周围环境光照强度的数据。内光电效应是光敏电阻工作基本原理。光照愈强，阻值愈低。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强而变大，从而实现光电转换[4]。首先在光照监测传感器中设置光照阈值，当周围环境的光照强度大于光照阈值时，数字输出量接口输出高电平，反之输出低电平，即0和1。如图2所示。
3.2 控制路灯的硬件电路设计设计
路灯控制电路主要是通过STM32的I/O发送高低电平信号给电磁继电器，使电磁继电器完成开关的打开与闭合，实现对工作电路通断的控制。
3.3 故障检测模块的硬件设计
该功能模块主要是对路灯运行情况进行定期监测，如果发现路灯工作过程出现问题，该模块就会对具体情况进行检测，并将信息传送给主控制器MCU，MCU驱动无线通信和路灯管控电路执行对应的操作。故障检测的原理是主要监测工作电路中的电流是否在正常范围内。可以通过电流互感器，基本RS触发器，电磁继电器以及STM32的PD13引脚来配合监测电路中的电流。一般路灯的工作电压在220 V，电流在2～3 A之间。电流通过电流互感器500倍缩小使电磁继电器开关闭合使RS触发器SD一端置1，然后RD一端置1，STM32的PD13引脚与触发器的相连接。一旦工作电路中的电流发生异常电磁继电器开关打开，SD置0，使PD13接收到的电平信号发生变化，以此判定工作电路发生故障。
图2 光照监测电路
3.4 无线通信模块的硬件设计
相对来说4G技术发展时间更长，所以更加成熟，本设计选择USR-G770DTU模块，由于要实现各种信号的相互转换，所以要完成4G模块与STM32间接口电路的设计，串口信号TTL向信号RS232转变是利用芯片SP3232完成，转换后向4G模块进行传输。数据通信接口电路原理图如图3所示。
图3 数据通信接口电路原理
4 路灯控制系统的程序设计
系统通电后，先使系统初始化，然后读取电铁存储器的特定地址。预先将设定好的数据采集时间、光照阈值等参数写入电铁储存器中，如果没有预先设定，则将系统默认参数写入电铁存储器的相应地址中。如果系统已经设置了预定参数并处于工作模式中，系统收到采集时间的时钟信号，MCU向传感器发送采集指令，并将传感器返回的数据进行解析和储存，之后系统进入待机工作模式，等待下一次时钟唤醒。提前设定的采集总次数完成采集以后，系统会计算这些数据中的最大最小值以及平均值，这些数据中的代表值是光照均值，将其与提前设定的光照阈值对比分析。当光照均值没有达到阈值，则判定光照不足，然后通过路灯控制模块打开路灯或者调整路灯的光照亮度，当光照均值大于光照阈值，则判定光照充足，然后关闭路灯或者调整路灯光照亮度。[5]自动控制流程图如图4所示。
图4 自动控制流程
系统读取主要包括工作模式、设定时间以及光照阈值等数据的读取。帧格式如表1所示。
表1 通信协议的帧格式
5 结语
智能路灯在智慧城市中发挥着不可代替的作用，可节省大量资源，降低碳排放，具有良好的社会效益，在成本上，可节省人员维护支出，具有很好的经济效益。智能化管理避免了白天亮灯的情况，提高了路灯开关的可靠性[6]，避免了不必要的能源浪费，减少了因路灯照明故障引起的交通事故的发生。具有良好的实用价值。
