一種基于光照度檢測的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計

樊贏 蘇蓓蓓 王志可

摘要：本項目設(shè)計的一種基于光照度檢測的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，采用卡爾曼濾波算法，精確測定光照度值，通過與設(shè)定的閾值相比，用以實現(xiàn)對室內(nèi)外場所中的照明裝置進行光強檢測與自適應(yīng)控制的裝置，以實現(xiàn)對光強的實時檢測、通電與斷電的自動控制，同時實現(xiàn)遠程自動化控制，以便于對多個照明裝置進行集中控制。

關(guān)鍵詞：光照檢測;卡爾曼濾波算法;遠程自動化控制

中圖分類號：TP277? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

在現(xiàn)實生活和工作中，很多場合需要檢測光照強度，以及根據(jù)光照強度的值，采取對應(yīng)的控制措施[1]。由于存在四季白晝長短的變化、天氣的變化等很多因素，每天的天暗和天亮的時間都是不固定的，根據(jù)時間去控制路燈的通電與斷電，不僅會因為過早開燈或過晚關(guān)燈造成電力資源的浪費，并可能因為過早開燈或過晚關(guān)燈造成機動車發(fā)生道路交通事故。

本項目將設(shè)計一種基于光照度檢測的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，如圖1所示，包括供電電路、光照傳感器電路、單片機電路、控制處理電路、通信電路以及手機APP客戶端。

1設(shè)計思路

光照傳感器模塊采集環(huán)境的實時光強數(shù)據(jù)并發(fā)送至單片機模塊，通過單片機模塊與光強設(shè)定閾值進行比較，以確定是否通過控制處理電路執(zhí)行導通或者閉合操作。最終實現(xiàn)根據(jù)環(huán)境的光強自動開關(guān)照明裝置的技術(shù)效果，同時也可通過客戶端執(zhí)行開關(guān)照明裝置的操作，并實現(xiàn)對多個照明裝置進行集中控制。

2主要硬件電路設(shè)計

供電電路包括三部分，一個自鎖按鍵開關(guān)S1、兩路電壓轉(zhuǎn)化電路U1和U4。VCC表示外部供電電源，大小為5V，可以由開關(guān)電源或者USB供電提供，按鍵S1按下后，整體電路上電。因為單片機電路和通信電路都需要3.3V電壓供電，所以設(shè)置了兩路電壓轉(zhuǎn)化電路，芯片采用AMS1117-3.3，將5V電壓轉(zhuǎn)化為3.3V，一路給單片機工作供電，一路給通信電路供電。這樣處理的好處是，避免了單路供電造成的干擾影響，使得單片機電路和通信電路能夠更加穩(wěn)定的工作。其電路如圖2所示。

光照傳感器電路核心器件為BH1750傳感器，該傳感器是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路，內(nèi)置16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能夠直接輸出一個數(shù)字信號，光照強度的單位是lx。該傳感器可探測較大范圍的光強度變化（1lx-65535lx），因此具有廣泛的應(yīng)用范圍。

單片機采用STM32F103C8T6芯片，驅(qū)動晶振頻率為8MHz，經(jīng)過9倍倍頻處理后，以72MHz的頻率運行，該部分供電電壓為3.3V，考慮到工作穩(wěn)定性，在電源和地之間增加隔離電容處理。程序下載采用串口1下載，下載過程中將BOOT0置高電平，下載結(jié)束，將BOOT0置低電平，單片機即進入工作模式[2]。單片機電路是整個設(shè)計的核心部分，實時接收光照傳感器采集光照強度值并進行相關(guān)處理。其電路如圖3所示。

控制電路如圖4所示，包括按鍵電路和繼電器處理電路。設(shè)置了K3、K4兩個按鍵，按鍵一端接單片機IO口，一端接地，按鍵按下后，對應(yīng)的IO口置低電平，單片機通過判斷IO口的高低電平即可判斷出按鍵是否按下。繼電器處理電路也設(shè)置了兩組，兩組可獨立使用，也可使用其中一組，一組作為備用。當所處的環(huán)境光照強度超出設(shè)定的光照閾值時，可以實現(xiàn)自動報警的功能，報警功能是通過繼電器的開關(guān)作用實現(xiàn)的，用戶可以通過繼電器來控制一些用電設(shè)備的啟動和關(guān)閉。繼電器由單片機的一個IO口控制通斷，其原理是利用三極管的導通與截止狀態(tài)控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)，從而實現(xiàn)開關(guān)控制。

通信電路的核心部件是ESP8266芯片，由3.3V電壓供電，通過該芯片可方便實現(xiàn)單片機串口轉(zhuǎn)無線功能，從而接入到Internet網(wǎng)絡(luò)中，通過云服務(wù)器，配套手機app與ESP8266電路形成雙向通信，將光照強度實時的顯示到手機APP上，并且在手機APP上可遠程控制開關(guān)操作。

3軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計中，采用模塊化編程，主流程圖如圖5所示。在軟件設(shè)計中，采用模塊化編程，主流程圖如圖5所示。在系統(tǒng)開機之后STM32單片機完成對各個外圍電路的初始化，之后先判斷ESP8266模塊有沒有成功連接到網(wǎng)絡(luò)。當ESP8266模塊連接網(wǎng)絡(luò)之后STM32單片機通過實時采集光照強度，同時使用卡爾曼算法對采集的當前光照進行最優(yōu)的估計。使的得到的光照強度數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定并且準確。單片機將卡爾曼得到的最優(yōu)估計值進行和預設(shè)值的判斷來控制繼電器的工作。從而實現(xiàn)了不同光照強度控制一些用電設(shè)備的啟動和關(guān)閉。

4結(jié)語

本設(shè)計完成的基于光照度檢測的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可實現(xiàn)自動開關(guān)，同時也設(shè)置了工作現(xiàn)場手動開關(guān)，防止特殊情況下的能夠及時手動處理。同時光照強度數(shù)據(jù)由通信電路通過熱點WIFI發(fā)送到云服務(wù)器，數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶的手機APP客戶端，用戶可在手機APP上實時監(jiān)測光照強度值，可通過手機APP發(fā)出開關(guān)信號，從而實現(xiàn)了遠程操控與現(xiàn)場操作相結(jié)合，手動與自動相結(jié)合，方便用戶使用，具有較好的推廣使用價值。

參考文獻

[1] 蔡衛(wèi)華，薛浩中.市政工程中路燈節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].低碳世界，2019，9（10）：304-305.

[2] 張洋，劉軍.原子教你玩STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

收稿日期：2019-03-03

*基金項目：江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201912681005Y）。

作者簡介：樊贏（1999—），男，江蘇連云港人，大專，研究方向：光伏工程技術(shù)。

通訊作者：蘇蓓蓓（1980—），女，江蘇無錫人，碩士研究生，副教授，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。

Design of Energy Saving Control System of Street Lamp Based on Illumination Detection

FAN Ying，SU Bei-bei，WANG Zhi-ke

（Department of Internet of things technology，Wuxi Vocational College of Science and Technology，Wuxi Jiangsu 214028）

Abstract： A kind of energy-saving control system of street lamp based on illuminance detection is designed in this project. Kalman filter algorithm is used to accurately measure the illuminance value. Compared with the set threshold value， it is used to realize the installation of illuminance detection and adaptive control for lighting devices in indoor and outdoor field， so as to realize the real-time detection of illuminance， automatic control of power on and power off， and remote control Automatic control to facilitate centralized control of multiple lighting devices.

Key words： light detection; Kalman filter algorithm; remote automatic control