基于虚拟照度传感器的智能路灯控制器设计

宁红卫

摘要：随着社会经济的飞速发展和智慧型城市理念的提出，路灯的智能控制在近年来开始受到更多人的关注与研究。智能路灯控制应用在城市及乡镇的路灯照明系统中，能够在节约能源和节省成本上起到很大的作用。通过对实际应用情况的调研发现，目前多数路灯系统仍然存在控制方式偏于传统、效率低下和能源浪费等问题，且现有大多数智能路灯控制技术在利用照度传感器实现精准调光时都有成本过高的问题。在此设计一款应用于路灯智能控制系统的单灯控制器，将光敏电阻和传感器对光照的反应数据进行对比结合，利用虚拟传感器概念，以实现路灯精细智能控制，并同时实现使用成本的降低。

关键词：虚拟照度;传感器;智能路灯;控制器设计

引言

针对当前大多数道路路灯的实际控制方式过于传统、成本高且人工效率低等问题，提出一种基于虚拟照度传感器的智能路灯控制器设计方案。

1总体设计框图

设计以STM32作为主控芯片，主要完成外围硬件电路设计及软件设计两部分，包括：电源模块、虚拟照度传感器检测模块、故障检测模块、控制模块以及Zigbee通信模块，从整体上实现路灯的开闭、调光、故障检测及上报等功能。所设计控制器在实际工作中采用虚拟照度传感器检测环境明暗变化，并以此为依据进行PWM调光控制;利用继电器实现路灯的开闭功能;利用电流及电压传感器以及BL6523Gx电能计量芯片采集电能数据进行故障检测;故障的上报是利用制定的编码规则，上传路灯的对应编码来显示位置。

2虚拟照度传感器构建

构造虚拟传感器对难以直接测量或成本较高的被测信息进行测量。通过测量相关量，然后对测量数据信号进行处理，间接地获得测量信息。虚拟照度传感器的主要思想是首先获取传感器的测量数据，然后将传感器的光强值存储到STM32中，经过数据处理后输出一个可变占空比的PWM方波，根据光敏电阻的数据，虚拟传感器可以获得占空比的数据，并模拟真实传感器的输出来控制调光。

3系统设计

3.1硬件电路设计

3.1.1单片机主控模块

以STM32F103C8T6作为整体设计控制芯片，由时钟电路、复位电路、Boot引脚电路、JTAG下载电路等组成单片机系统电路。单片机PB10、PB11接BL6523Gx电能计量芯片，采集电流及电压值进行故障检测;PA0接照度检测模块;PB6与PB7是输出引脚，控制LED灯的开闭及调光。

3.1.2供电模块

系统中各模块的工作电压均是由此模块电路转换所得到。交流220V输入后经由交流调压模块将电压转换为交流12V，之后经AC-DC转换电路得到+12V，利用LM系列芯片将+12V转换为+5V与+3.3V，并在芯片两端接入滤波电容使电源输出更加平滑稳定，能够满足单片机、电能采集等模块的供电需求。

3.1.3虚拟照度传感器模块

设计选用PR-GZ-3002型照度传感器来进行前期传感器数据获取。光照强度量程的跨度为0～65535lx，测量的光强数据输出信号接入单片机PA0引脚，通过ADC模块读取光强值后输出相应PWM占空比控制LED调光。同时，在电路中接入光敏电阻。照射光敏电阻的光强的不同，通过它的电流大小就不同，利用这种电流大小变化，在此处串联一个电阻，即可通过读取电压值判断外部光线强弱。根据同等光照条件下光敏电阻电压值与实际输出占空比的对应关系，即可实现设计。

3.1.4 LED控制模块

LED控制电路包括两部分：光开关和调光。路灯定时开关采用继电器实现。单片机通过PB7引脚输出高/低电平。引脚的电流输出可能不足以驱动继电器，所以一个晶体管串联起来放大继电器，二极管并联起来保护电路。当输出低时，三极管Q1接通，继电器被吸附，路灯接通;当输出高时，继电器被关闭，路灯被关闭。当路灯打开时，可进行PWM调光控制。单片机读取光强值，一路产生可变占空比的PWM方波，控制场效应管D4184使其工作在开关状态，调节输入脉冲占空比来调节路灯的亮度和黑暗。

3.1.5电能采集模块

通过对交流输入端电压和用电电流及漏电电流的检测来判断是否故障。此模块用电压及电流传感器检测电能数据，将测得的三路数据输入BL6523Gx电能计量芯片进行处理。BL6523Gx是一种单向多功能单子电能计量芯片，具有两个电流采样端和一个电压采样端，集成了3路ADC、参考电压、电源管理及处理电参数的数字信号处理电路模块，可以检测一路电流、电压、功率等数据，通过串行接口TX向单片机输出实际功率，判断是否故障。

3.1.6 Zigbee通信模块

采用CC2530F256为核心设计Zigbee通信模块，它具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，8kB的RAM使其具有各种供电方式下的数据保持能力，在智能控制领域的应用尤其广泛。芯片的P0.2与P0.3分别与单片机USART1的PA10、PA9相连，进行通信数据的下发与接收，即接收路灯的运行状态信息并上传，同时把上级控制命令下发给单片机。

3.2软件程序设计

当指令在中央协调器上传输时，控制器接收计算机发出的指令，根据指令作出具体响应，对LED执行开闭操作或调整pwm占空比進行亮度调整;如果指令没有传输，则定期对路灯进行自主控制，并根据读取的指令调整调光控制的占空比。收集电压、电流等数据，判断是否有故障，将运行状态信息与路灯对应的位置代码一起运行。主机通过分析上传的数据发出执行命令。如果发生故障而无法解决，可以根据预设的人工维护编码规则确定路灯位置。

3.3测试结果与分析

在完成系统搭建后，对虚拟照度传感器的工作情况进行测试。外部环境发生明暗变化时，测得照度传感器检测到的光强值和输出的PWM占空比，以及光敏电阻两端电压值的数据。利用这组数据，单片机根据读取到的光敏电阻电压值直接输出对应的调节占空比。虚拟传感器可以代替照度传感器用于智能调光控制的照度检测与调光]，达到节省成本的目的。

结束语

综上，基于STM32单片机，利用虚拟传感器技术设计智能路灯控制器，对其软硬件各模块设计要有周全考虑。按照设计思路实际搭建系统进行实验测试，测试结果表明，该控制器系统实现了对路灯的智能调光、故障检测及上报等功能，并可有效地降低运营成本，为后续完整智能路灯控制系统的设计与实际应用打下基础。

参考文献

[1]樊岳标，刘丽兰，韩鎏，等.LED照明控制与仿真一体化系统设计[J].机械制造，2013，51（12）：24-25.

[2]刘彦强.虚拟传感器的应用[J].齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2016，32（5）：26-27.

[3]王雷涛，朱静，风翔丽，等.虚拟传感器的开发与应用[J].电脑知识与技术，2019，15（4）：261-262.

[4]高金龙，李新娟，蒋庆林.基于STM32的分层采水控制系统设计[J].电子技术与软件工程，2019（10）：84-85.

[5]刘盈.基于ARM的家居用电智能管理中心的开发[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2013（8）：1151-1152.