基于物联网的厂区路灯模拟控制系统 - 全文

　　厂区路灯控制系统设计的目的，一是能够满足正常使用的需要，在夜间车辆、行人通过厂区道路时提供必需的照度，确保安全； 二是节约电能，安装、使用可靠方便，能够延长用电设备及灯具的使用寿命，减少维护费用。

　　传统的厂区照明路灯控制系统一般采用时间控制、光照控制等方式，存在路灯使用寿命短、管理开销大、无法远程监控以及故障维修反应效率低等现象。本文基于物联网技术，并结合微控制器技术，设计了一种无线路灯控制模块，使每一盏路灯都能遥控、遥测和遥信，实现了网络化的路灯智能控制。同时在设计系统时简化了对城市照明路灯的多样化、多色彩等复合功能要求，既能满足厂区夜间照明安全和降低运行费用的要求，又考虑了节省系统开发成本、现场易于安装。

　　1.系统结构及工作原理

　　系统由集中控制器和单元控制器两部分组成，其结构如图1 所示。集中控制器安装于厂区路灯控制室，包括无线通信模块、MCU 模块、时钟模块、声光报警模块、显示模块及键盘等部分。

　　单元控制器安装在每个路灯的灯柱上，分为信号检测模块、MCU 模块、远程通信模块和故障检测模块四个部分。

　　

　　图1 系统总体结构框图

　　集中控制器向单元控制器发送时钟控制的开/关灯信号、自动/手动控制信号等信息，并能收到来自单元控制器的路灯开关状态、消耗功率及故障诊断等信息。单元控制器作为控制终端接收集中控制器通过无线网络发送的控制路灯开关时间段设定的指令，也可以采集厂区是否有人或车辆通过、环境光亮度以及路灯故障等信息，以此作出路灯打开/关闭、路灯点亮的程度以及路灯故障报警等指令，实现按需而控。

　　2.通信网络及MCU 模块的选择

　　2.1. 通信网络

　　无线网络组网方便、布局容易并且维护简单，已逐步应用于各种生产领域。可以采用自己组建无线专网的通信方式，也可以选择利用已有无线网络的通信方式。

　　对于厂区路灯控制而言，自己组网建设费用过高。移动无线网络信号覆盖范围广、数据传输可靠，利用其现有网络基础的闲置能力就可以满足厂区路灯控制系统信息传输的要求。

　　GSM 和GPRS 是无线通信的两种方式。GSM 短信通信实时性差、信息量受限； GPRS 是基于GSM 系统的无线分组交换技术，具有传输速率高、实时性好及永远在线的特点，而且GPRS 通信按流量计费，厂区路灯与城市路灯不同，照明灯具节点数量不多，结合经济效益考虑以及物联网的发展趋势，选用GPRS通信方式。

　　2.2. MCU 模块

　　微处理器（ Micro Controller Unit，MCU） 实现对数据进行运算、处理、存储及通信等功能，是系统的大脑。选择芯片时主要是从微处理器的基本性能参数、增强功能、存储介质和适用环境等方面进行考虑。本次设计中选择ATMEL 公司的ATmega64 作为集中控制器和单元控制器中的MCU 模块。

　　ATmega64 是一款高性能低功耗的8 位微处理器，数据吞吐率高达1 MIPS /MHz，具有64 KB 的Flash、2 KB 的E2PROM，擦写次数可达10 万次，可用来存储路灯的各种设定参数和状态信息，直接驱动液晶显示模块，并带有多路输入输出口，方便与键盘、报警器等输入输出装置连接，且编程简单。

　　3.电路设计

　　3.1. 信号采集电路

　　单元控制器需要对厂区路灯环境实时检测以做出控制决策。选用光敏电阻实现厂区光线明暗变化检测，接口电路设计如图2 所示。光敏电阻与普通电阻串联分压后电压信号传送至单片机进行A/D 转换。随着光线明暗的变化，光敏电阻的阻值也在变化，从而改变PF0 脚的电压，该电压经过单片机片内A/D 转换器转换成数字信号并被分析处理，从而实现对路灯照明照度的控制。

　　电路设计如图3 所示，BISS0001 的1 脚信号接高电平，使芯片处于可重复触发工作方式。将热释电传感器的输出信号送入BISS0001 的14 脚，经内部第一级运算放大器放大，然后由C24耦合给内部第二级运算放大器进行放大，再经由内部的电压比较器构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动内部延迟时间定时器，最后由芯片的2 脚输出信号V0直接传输至单片机的PD7 脚进行处理，并执行相应的动作。4 脚的输出延迟时间Tx由外部的R35和C28的大小调整，6 脚的触发封锁时间Ti由外部的R34和C29的大小调整。

　　

　　单元控制器通过光敏电阻自动控制路灯的开关状态及灯光的强弱，并与热释电传感器配合，将光照度调节到合适值，使系统运行达到节能、安全的效果。

　　2.2. 通信电路设计

　　系统中集中控制器向单元控制器发送开/关灯、控制方式等信号； 单元控制器向集中控制器发送故障路灯位置等信息，双方通信通过GPRS无线网络实现。GPRS 模块采用Simcom 公司的SIM300D 无线通信模块，该模块外形小巧，内部集成了TCP /IP 协议，具有射频天线、本地SIM卡连接及RS232 串口等接口，可采用内部扩展的AT 指令进行操作，功能强大且开发简单。

　　SIM300D 模块与单片机接口电路如图4 所示，74LS573 逻辑芯片主要用于电压变换。ATmega64输出的是标准TTL 电平，而SIM300D 模块兼容的高电平范围为2. 05 ~ 3. 23 V，若要实现两种芯片之间的数据交换，需要经过电压变换。

　　

　　SIM300D 模块需要借助SIM 卡才能连接到网络进行数据传输，SIM300D 模块通过SPI 通信方式对SIM 卡进行读写操作，通过GSM 或GPRS 通信方式实现与移动网络的无缝连接。SIM 卡也称为智能卡、用户身份识别卡，通过此卡鉴别每一路灯的地址、代号和实际地理位置等信息。SIM卡与SIM300D 无线通信模块接口电路设计如图5所示。

　　

　　图5 SIM 卡与SIM300D 无线通信模块连接图

　　3.3. 故障检测电路设计

　　单元控制器设有电流检测功能，通过电流检测可以判断路灯是否故障。如果路灯故障，通过路灯的电流会极小甚至为零，不足以驱动LED 发光，则故障检测点的电压会低于给定的基准电压，通过电压比较电路给单片机送入一个报警信号。

　　故障检测模块与单片机接口电路设计如图6所示，基准电压可通过调节滑动变阻器R2的阻值来改变。当路灯正常工作时，故障检测点电压大于基准电压，则运放LM358 输出+ 12 V 的正向饱和电压，该电压经限流电阻和稳压管构成回路，这时稳压管给单片机送入一高电平电压。当路灯出现故障时，检测点电压低于基准电压，运放电路输出为零，为单片机送入一低电平电压，实现故障报警功能。

　　

　　图6 故障检测模块与单片机接口电路

　　3.4. 高亮LED 驱动模块

　　单元控制器的高亮LED 驱动模块采用自制恒流驱动电源，利用运算放大器组成电压跟随器、电流负反馈电路，结合单片机组合成恒流源，方法简洁，容易实现，电路设计如图7 所示。

　　

　　图7 恒流驱动电源电路图

　　图7 中电源的输出电流与UPB5 成正比，当UPB5 保持恒定时，可保证该电源的输出电流恒定。同时，UPB5 可以通过单片机的PWM 输出进行调节，从而实现输出电流的可控，调节LED亮度。

　　4.系统功能

　　集中控制器的显示模块采用常用的字符型液晶模块12864; 时钟模块采用具有万年历功能的实时时钟专用芯片DS1302; 声光报警模块采用了普通的发光二极管和蜂鸣器。

　　程序采用AVR Studio 软件编写，并经GCC 编译器编译通过。每个带有地址的单元控制器能通过GPRS 模块可靠地接入移动网络，实现与集中控制器的实时通信。该厂区路灯模拟控制系统能实现以下功能：

　　1） 厂区路灯夜间无行人及车辆通行时，路灯微亮； 当检测到远方有物体接近时，路灯由微亮转为全亮，保证照明需要； 车辆、行人通过后，路灯自动切换为微亮。

　　2） 在清晨、傍晚时，路灯可以根据环境明暗变化，实现自动开关； 并可以根据环境亮度调整灯具照度，保证使用需要。

　　3） 系统在白天不使用时，能够自动转为休眠状态，降低系统功耗。

　　4） 有手动功能，可以分别控制每个路灯的开/关状态。

　　5） 可进行路灯的电能消耗统计。

　　6） 具有路灯故障检测功能。当有路灯损坏时，可以进行声光报警，并指示故障路灯的具体位置。

　　5.结束语

　　采用物联网技术构建的厂区路灯模拟系统，能实现对厂区路灯科学的管理和智能化的监控，同时系统的无线路灯控制模块体积小、价格低，便于现场安装与维护。经过实验调试，系统运行安全可靠，运行成本低，监控方便，能满足厂区路灯的智能化控制要求。

　　随着移动无线网络的发展和日益完善及其在物联网方面的投入，相信这种控制方案在路灯的管理与控制上将会有广阔的应用前景。

　　

　　图2 光敏电阻与单片机接口电路

　　厂区过往行人与车辆检测选用D203S 型热释电红外人体传感器来实现，其测试范围在0. 5 m 内，若要应用于厂区路灯的真实场景，需要选择专业厂家生产的热释电红外人体探测器，测试范围在30 ~300 m 不等。当厂区有车辆或行人通过时，热释电红外人体传感器就能检测到人体的远红外辐射从而产生电信号，由于该信号变化缓慢、幅值小于1 mV，因此需要经过一个专门的信号处理电路，使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机处理的数字信号，选用BISS0001 为热释电红外人体传感器的专用处理芯片，它主要由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成。