一种基于光照度检测的路灯节能控制系统设计

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　　摘要：本项目设计的一种基于光照度检测的路灯节能控制系统，采用卡尔曼滤波算法，精确测定光照度值，通过与设定的阈值相比，用以实现对室内外场所中的照明装置进行光强检测与自适应控制的装置，以实现对光强的实时检测、通电与断电的自动控制，同时实现远程自动化控制，以便于对多个照明装置进行集中控制。
　　关键词：光照检测;卡尔曼滤波算法;远程自动化控制
　　中图分类号：TP277    文献标识码：A       文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00
　　 在现实生活和工作中，很多场合需要检测光照强度，以及根据光照强度的值，采取对应的控制措施[1]。由于存在四季白昼长短的变化、天气的变化等很多因素，每天的天暗和天亮的时间都是不固定的，根据时间去控制路灯的通电与断电，不仅会因为过早开灯或过晚关灯造成电力资源的浪费，并可能因为过早开灯或过晚关灯造成机动车发生道路交通事故。
　　 本项目将设计一种基于光照度检测的路灯节能控制系统，如图1所示，包括供电电路、光照传感器电路、单片机电路、控制处理电路、通信电路以及手机APP客户端。
　　1设计思路
　　 光照传感器模块采集环境的实时光强数据并发送至单片机模块，通过单片机模块与光强设定阈值进行比较，以确定是否通过控制处理电路执行导通或者闭合操作。最终实现根据环境的光强自动开关照明装置的技术效果，同时也可通过客户端执行开关照明装置的操作，并实现对多个照明装置进行集中控制。
　　2主要硬件电路设计
　　 供电电路包括三部分，一个自锁按键开关S1、两路电压转化电路U1和U4。VCC表示外部供电电源，大小为5V，可以由开关电源或者USB供电提供，按键S1按下后，整体电路上电。因为单片机电路和通信电路都需要3.3V电压供电，所以设置了两路电压转化电路，芯片采用AMS1117-3.3，将5V电压转化为3.3V，一路给单片机工作供电，一路给通信电路供电。这样处理的好处是，避免了单路供电造成的干扰影响，使得单片机电路和通信电路能够更加稳定的工作。其电路如图2所示。
　　 光照传感器电路核心器件为BH1750传感器，该传感器是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路，内置16位的模数转换器，它能够直接输出一个数字信号，光照强度的单位是lx。该传感器可探测较大范围的光强度变化（1lx-65535lx），因此具有广泛的应用范围。
　　 单片机采用STM32F103C8T6芯片，驱动晶振频率为8MHz，经过9倍倍频处理后，以72MHz的频率运行，该部分供电电压为3.3V，考虑到工作稳定性，在电源和地之间增加隔离电容处理。程序下载采用串口1下载，下载过程中将BOOT0置高电平，下载结束，将BOOT0置低电平，单片机即进入工作模式[2]。单片机电路是整个设计的核心部分，实时接收光照传感器采集光照强度值并进行相关处理。其电路如图3所示。
　　 控制电路如图4所示，包括按键电路和继电器处理电路。设置了K3、K4两个按键，按键一端接单片机IO口，一端接地，按键按下后，对应的IO口置低电平，单片机通过判断IO口的高低电平即可判断出按键是否按下。继电器处理电路也设置了两组，两组可独立使用，也可使用其中一组，一组作为备用。当所处的环境光照强度超出设定的光照阈值时，可以实现自动报警的功能，报警功能是通过继电器的开关作用实现的，用户可以通过继电器来控制一些用电设备的启动和关闭。继电器由单片机的一个IO口控制通断，其原理是利用三极管的导通与截止状态控制继电器的开关状态，从而实现开关控制。
　　 通信电路的核心部件是ESP8266芯片，由3.3V电压供电，通过该芯片可方便实现单片机串口转无线功能，从而接入到Internet网络中，通过云服务器，配套手机app与ESP8266电路形成双向通信，将光照强度实时的显示到手机APP上，并且在手机APP上可远程控制开关操作。
　　3软件设计
　　 在软件设计中，采用模块化编程，主流程图如图5所示。在软件设计中，采用模块化编程，主流程图如图5所示。在系统开机之后STM32单片机完成对各个外围电路的初始化，之后先判断ESP8266模块有没有成功连接到网络。当ESP8266模块连接网络之后STM32单片机通过实时采集光照强度，同时使用卡尔曼算法对采集的当前光照进行最优的估计。使的得到的光照强度数据更加稳定并且准确。单片机将卡尔曼得到的最优估计值进行和预设值的判断来控制继电器的工作。从而实现了不同光照强度控制一些用电设备的启动和关闭。
　　4结语
　　 本设计完成的基于光照度检测的路灯节能控制系统，结构简单，成本低，可实现自动开关，同时也设置了工作现场手动开关，防止特殊情况下的能够及时手动处理。同時光照强度数据由通信电路通过热点WIFI发送到云服务器，数据发送给用户的手机APP客户端，用户可在手机APP上实时监测光照强度值，可通过手机APP发出开关信号，从而实现了远程操控与现场操作相结合，手动与自动相结合，方便用户使用，具有较好的推广使用价值。
　　参考文献
　　[1] 蔡卫华，薛浩中.市政工程中路灯节能控制系统设计[J].低碳世界，2019，9（10）：304-305.
　　[2] 张洋，刘军.原子教你玩STM32[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.
　　收稿日期：2019-03-03
　　*基金项目：江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（201912681005Y）。
　　作者简介：樊赢（1999—），男，江苏连云港人，大专，研究方向：光伏工程技术。
　　通讯作者：苏蓓蓓（1980—），女，江苏无锡人，硕士研究生，副教授，研究方向：应用电子技术。
　　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
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