基于STM32的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 楓，周雪芹，何文德，羅石愛

（1.武漢地產(chǎn)集團(tuán)武漢時(shí)代建筑設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430013；2.長沙學(xué)院計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410022）

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，人們期盼路燈等公共照明設(shè)施更加普及，更加完善，以方便夜間出行，因此，夜景照明設(shè)施的建設(shè)成為了城市和鄉(xiāng)村公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要內(nèi)容之一。路燈是城鄉(xiāng)亮化便民工程的重要組成部分，如今，隨著政府對此投入力度的加大，城市的背街小巷以及農(nóng)村的夜晚更加亮麗了。然而，不斷增加的路燈不僅消耗了大量的電能，而且由此產(chǎn)生的設(shè)施維護(hù)工作量也大增；再加上當(dāng)今社會對節(jié)能環(huán)保和設(shè)備智能化的要求越來越高，路燈照明系統(tǒng)面臨諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。目前，由于我國各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r不同，各地區(qū)的路燈控制方式也不同，對路燈的維護(hù)管理大多采用人工方式，消耗了較多的人力和財(cái)力資源[2]，同時(shí)，很多路燈的開關(guān)燈控制方式簡單粗放，無法在節(jié)能環(huán)保與精準(zhǔn)服務(wù)民眾之間取得平衡。因此，設(shè)計(jì)一款簡單實(shí)用、性能可靠的智能路燈控制器是當(dāng)務(wù)之急。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文以單片機(jī)STM32F103T8為核心，采用TSL2561模塊作為環(huán)境光強(qiáng)度傳感器，用ADE7755芯片測量功率和電能，通過SIM800C模塊發(fā)送告警短信，以此完成智能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)不僅能按定制的時(shí)間表自動(dòng)開關(guān)路燈，而且還能在白天環(huán)境光強(qiáng)度小時(shí)開啟路燈，環(huán)境光亮度大后關(guān)閉路燈，并且在路燈線路功率異常時(shí)立即向指定手機(jī)發(fā)送短信告警。

路燈的開關(guān)分2種情況：①定時(shí)開關(guān)路燈。根據(jù)1年內(nèi)日出和日落的時(shí)間變化，制訂出以月份為時(shí)間段的差異化開關(guān)燈時(shí)間表，不僅能最大限度地滿足使用需求，還能節(jié)省電能，避免比如夏天傍晚天很亮路燈已開、早上天已大亮路燈還沒關(guān)等浪費(fèi)電的情況出現(xiàn)。②在雨霧天、白天光線很暗的情況下自動(dòng)開關(guān)路燈。在非定時(shí)開燈時(shí)間（即白天），如果是天氣原因?qū)е鹿饩€暗，可利用光強(qiáng)傳感器感應(yīng)到光強(qiáng)度低于設(shè)定的閾值后開路燈，待檢測到光強(qiáng)度正常后關(guān)閉路燈。光控的優(yōu)先級高于時(shí)控優(yōu)先級，它能實(shí)現(xiàn)白天暴雨、濃霧燈天氣下開啟路燈。

此外，在路燈線路功率大于上限閾值或小于下限閾值時(shí)，系統(tǒng)立即按照設(shè)定的時(shí)間間隔向指定手機(jī)發(fā)送告警短信，以便于管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈線路故障或偷電等異常情況。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要由STM32F103T8單片機(jī)、ADE7755功率計(jì)量芯片、環(huán)境光強(qiáng)度傳感器、TSL2561模塊、SIM800C GSM/GPRS模塊、電源模塊、按鍵、液晶顯示器和繼電器等組成。系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能路燈控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

2.1 STM32單片機(jī)

STM32F103T8是中等容量增強(qiáng)型32位基于ARM核心、帶64 KB閃存的單片機(jī)，它內(nèi)部集成了20 KB SRAM、2個(gè)USART、RTC、2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器、1個(gè)PWM定時(shí)器、2個(gè)I2C和SPI、1個(gè)USB和CAN、看門狗。通過USART1下載用戶程序，USART2連接GSM/GPRS模塊。

2.2 功率計(jì)量芯片

ADE7755是美國模擬器件公司生產(chǎn)的一種高準(zhǔn)確度的電能測量集成電路，它適用于單相配電系統(tǒng)的高精度電能計(jì)量，可提供基于輸電線電壓和電流計(jì)算的瞬時(shí)有功功率和平均有功功率，超過IEC61036標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的精度要求。其中使用的唯一模擬電路是ADC和參考電壓電路，所有其他信號處理（例如乘法和濾波）都是在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，因此，它在環(huán)境條件和時(shí)間變化很大的情況下具有較好的穩(wěn)定性和較高的精確度[3]。

引腳V1P、V1N為電流傳感器的模擬輸入端，V2P、V2N為電壓傳感器的模擬輸入端。引腳F1和F2以較低頻率形式輸出有功功率平均值，能直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)度器或單片機(jī)接口。引腳CF以較高頻率形式輸出有功功率瞬時(shí)值，用于校驗(yàn)或與單片機(jī)接口，利用CF經(jīng)光電耦合器輸出的電度脈沖計(jì)數(shù)來獲得負(fù)載的功率和電能。單片機(jī)的INT0接入CF經(jīng)光電耦合器的輸出端。

2.3 光強(qiáng)度傳感器

光強(qiáng)度傳感器是用來檢測環(huán)境光強(qiáng)度的。TSL2561是TAOS公司生產(chǎn)的一款高速、低功耗、可編程、配置靈活的光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，含I2C總線接口，涵蓋1～70 000 Lx的光強(qiáng)度范圍，適合街道路燈環(huán)境下的光強(qiáng)度測量。其內(nèi)部集成了2個(gè)光敏二極管，通道0對可見光和紅外線敏感，通道1只對紅外線敏感，2個(gè)積分式ADC分別對2個(gè)光敏二極管的電流積分，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，且保存在各自的數(shù)字寄存器中。單片機(jī)通過I2C總線可編程設(shè)置環(huán)境光強(qiáng)度的上下閾值，當(dāng)光強(qiáng)度大于該上限閾值或小于下限閾值時(shí)，會產(chǎn)生低電平中斷信號。

2.4GSM/GPRS模塊

SIM800C為GSM/GPRS無線通訊模塊，可支持4頻GSM/GPRS，工作的頻段為GSM850 MHz、EGSM900 MHz、DCS1800 MHz和PCS1900 MHz，支持移動(dòng)和聯(lián)通的手機(jī)卡。模塊通過串口與單片機(jī)的USART2連接，單片機(jī)通過AT命令對其進(jìn)行操作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分由主程序和2個(gè)中斷服務(wù)程序組成，代碼由C語言編寫。

3.1 主函數(shù)main

系統(tǒng)上電后，程序開始初始化，包括單片機(jī)本身的定時(shí)器、看門狗、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、中斷和2個(gè)串口的初始化，I/O口的模式設(shè)置，以及環(huán)境光強(qiáng)度閾值設(shè)置。其中，建議將單片機(jī)的2個(gè)中斷INT0和INT1設(shè)置成下降沿觸發(fā)方式，將USART1和USART2的波特率設(shè)置成115 200 bps。

初始化完成后，使用AT命令通過GPRS模塊從SIM卡中讀取手機(jī)號碼用于發(fā)送告警短信，讀取RTC的當(dāng)前月份和時(shí)間與開關(guān)燈時(shí)間表對照，判斷是否為開路燈時(shí)間，以及當(dāng)前路燈的開關(guān)狀態(tài)。如果是白天，還要判斷當(dāng)前光強(qiáng)度是否低于最小閾值或高于最大閾值，綜合判斷是否要開關(guān)路燈。此外，還要根據(jù)CF脈沖計(jì)數(shù)來累加用電量和用電有功功率，分別判斷開燈和關(guān)燈期間的功率是否正常，如果異常，則向指定手機(jī)發(fā)送告警短信。程序主函數(shù)流程如圖2所示，圖中的開燈時(shí)間是指正常的夜晚開燈時(shí)間。

圖2 主函數(shù)流程圖

3.2 中斷服務(wù)程序

外部中斷0（INT0）的中斷服務(wù)程序可實(shí)現(xiàn)對ADE7755輸出的CF脈沖計(jì)數(shù)，用來計(jì)算功率和用電量，流程如圖3所示。外部中斷1（INT1）的中斷服務(wù)程序可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境光強(qiáng)度低于指定的最小閾值或高于最大閾值的判斷和記錄。該實(shí)時(shí)記錄結(jié)果（光線暗或光線正常）用在主程序中，以此判斷白天是否要開路燈，或開路燈后是否要關(guān)掉路燈。流程如圖4所示。

圖3 INT0中斷服務(wù)程序流程圖

3.3 功率和電能的計(jì)算

ADE7755的CF引腳的輸出頻率反映了有功功率的大小，將CF的輸出頻率設(shè)定為2 048（F1，F(xiàn)2），要求設(shè)置SCF＝0和S0＝S1＝1.單片機(jī)在內(nèi)部定時(shí)器設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)對CF輸出的脈沖計(jì)數(shù)，平均功率正比于CF脈沖的頻率，而在1個(gè)積分周期內(nèi)消耗的電能則與積分周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)成正比。實(shí)際測量功率時(shí)，要具體參照電壓和電流互感器參數(shù)以及芯片的外圍電路設(shè)置。

在ADE7755的外圍電路中，通過輸出頻率設(shè)置電路，設(shè)置CF引腳的輸出頻率，即電表常數(shù)的設(shè)置。本文的電表常數(shù)設(shè)定為3 200 imp/kW·h，即電表記錄1 kW·h（即1度電）電能，表現(xiàn)為ADE7755的CF引腳輸出3 200個(gè)脈沖。

圖4 INT1中斷服務(wù)程序流程圖

4 結(jié)論

本文基于STM32F103T8單片機(jī)，采用光強(qiáng)度傳感器模塊TSL2561、電能測量芯片ADE7755、GSM/GPRS模塊SIM800C設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能路燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝在路燈的配電箱中，既能按定制的開關(guān)燈時(shí)間表開關(guān)路燈，又可以在白天暴雨、濃霧等天氣情況下開路燈，天氣好轉(zhuǎn)后自動(dòng)關(guān)路燈。此外，當(dāng)檢測到用電功率出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向指定手機(jī)發(fā)送短信告警，以便管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈線路用電異常。在測試中，系統(tǒng)電源采用鋰電池與220 V供電相結(jié)合，這樣可以保證停電后系統(tǒng)依然能工作，且記錄的用電量等信息不會丟失。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)造價(jià)比較低，性能較為穩(wěn)定，有較大的實(shí)用價(jià)值。

［1］蘇賜民，李琪德，黃健倡，等.智能路燈控制器的研究與設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代信息科技，2017，1（3）：8-10.

［2］樊冬蘭.智能路燈控制器的研究［J］.商品與質(zhì)量，2016（8）.

［3］Biao M A.Design of Electricity Power Measurement and Management System for Student Apartment Based on ADE7755［J］.Computer Engineering，2007，33（2）：205-207.