廠區路燈控制系統設計的目的，一是能夠滿足正常使用的需要，在夜間車輛、行人通過廠區道路時提供必需的照度，確保安全； 二是節約電能，安裝、使用可靠方便，能夠延長用電設備及燈具的使用壽命，減少維護費用。

傳統的廠區照明路燈控制系統一般采用時間控制、光照控制等方式，存在路燈使用壽命短、管理開銷大、無法遠程監控以及故障維修反應效率低等現象。本文基于物聯網技術，并結合微控制器技術，設計了一種無線路燈控制模塊，使每一盞路燈都能遙控、遙測和遙信，實現了網絡化的路燈智能控制。同時在設計系統時簡化了對城市照明路燈的多樣化、多色彩等復合功能要求，既能滿足廠區夜間照明安全和降低運行費用的要求，又考慮了節省系統開發成本、現場易于安裝。

1.系統結構及工作原理

系統由集中控制器和單元控制器兩部分組成，其結構如圖1 所示。集中控制器安裝于廠區路燈控制室，包括無線通信模塊、MCU 模塊、時鐘模塊、聲光報警模塊、顯示模塊及鍵盤等部分。

單元控制器安裝在每個路燈的燈柱上，分為信號檢測模塊、MCU 模塊、遠程通信模塊和故障檢測模塊四個部分。

圖1 系統總體結構框圖

集中控制器向單元控制器發送時鐘控制的開/關燈信號、自動/手動控制信號等信息，并能收到來自單元控制器的路燈開關狀態、消耗功率及故障診斷等信息。單元控制器作為控制終端接收集中控制器通過無線網絡發送的控制路燈開關時間段設定的指令，也可以采集廠區是否有人或車輛通過、環境光亮度以及路燈故障等信息，以此作出路燈打開/關閉、路燈點亮的程度以及路燈故障報警等指令，實現按需而控。

2.通信網絡及MCU 模塊的選擇

2.1. 通信網絡

無線網絡組網方便、布局容易并且維護簡單，已逐步應用于各種生產領域?？梢圆捎米约航M建無線專網的通信方式，也可以選擇利用已有無線網絡的通信方式。

對于廠區路燈控制而言，自己組網建設費用過高。移動無線網絡信號覆蓋范圍廣、數據傳輸可靠，利用其現有網絡基礎的閑置能力就可以滿足廠區路燈控制系統信息傳輸的要求。

GSM 和GPRS 是無線通信的兩種方式。GSM 短信通信實時性差、信息量受限； GPRS 是基于GSM 系統的無線分組交換技術，具有傳輸速率高、實時性好及永遠在線的特點，而且GPRS 通信按流量計費，廠區路燈與城市路燈不同，照明燈具節點數量不多，結合經濟效益考慮以及物聯網的發展趨勢，選用GPRS通信方式。

2.2. MCU 模塊

微處理器（ Micro Controller Unit,MCU） 實現對數據進行運算、處理、存儲及通信等功能，是系統的大腦。選擇芯片時主要是從微處理器的基本性能參數、增強功能、存儲介質和適用環境等方面進行考慮。本次設計中選擇ATMEL 公司的ATmega64 作為集中控制器和單元控制器中的MCU 模塊。

ATmega64 是一款高性能低功耗的8 位微處理器，數據吞吐率高達1 MIPS /MHz,具有64 KB 的Flash、2 KB 的E2PROM,擦寫次數可達10 萬次，可用來存儲路燈的各種設定參數和狀態信息，直接驅動液晶顯示模塊，并帶有多路輸入輸出口，方便與鍵盤、報警器等輸入輸出裝置連接，且編程簡單。

3.電路設計

3.1. 信號采集電路

單元控制器需要對廠區路燈環境實時檢測以做出控制決策。選用光敏電阻實現廠區光線明暗變化檢測，接口電路設計如圖2 所示。光敏電阻與普通電阻串聯分壓后電壓信號傳送至單片機進行A/D 轉換。隨著光線明暗的變化，光敏電阻的阻值也在變化，從而改變PF0 腳的電壓，該電壓經過單片機片內A/D 轉換器轉換成數字信號并被分析處理，從而實現對路燈照明照度的控制。

圖2 光敏電阻與單片機接口電路

廠區過往行人與車輛檢測選用D203S 型熱釋電紅外人體傳感器來實現，其測試范圍在0. 5 m 內，若要應用于廠區路燈的真實場景，需要選擇專業廠家生產的熱釋電紅外人體探測器，測試范圍在30 ~300 m 不等。當廠區有車輛或行人通過時，熱釋電紅外人體傳感器就能檢測到人體的遠紅外輻射從而產生電信號，由于該信號變化緩慢、幅值小于1 mV,因此需要經過一個專門的信號處理電路，使得傳感器輸出信號的不規則波形轉變成適合于單片機處理的數字信號，選用BISS0001 為熱釋電紅外人體傳感器的專用處理芯片，它主要由運算放大器、電壓比較器、狀態控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成。

電路設計如圖3 所示，BISS0001 的1 腳信號接高電平，使芯片處于可重復觸發工作方式。將熱釋電傳感器的輸出信號送入BISS0001 的14 腳，經內部第一級運算放大器放大，然后由C24耦合給內部第二級運算放大器進行放大，再經由內部的電壓比較器構成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發信號去啟動內部延遲時間定時器，最后由芯片的2 腳輸出信號V0直接傳輸至單片機的PD7 腳進行處理，并執行相應的動作。4 腳的輸出延遲時間Tx由外部的R35和C28的大小調整，6 腳的觸發封鎖時間Ti由外部的R34和C29的大小調整。

單元控制器通過光敏電阻自動控制路燈的開關狀態及燈光的強弱，并與熱釋電傳感器配合，將光照度調節到合適值，使系統運行達到節能、安全的效果。

3.2. 通信電路設計

系統中集中控制器向單元控制器發送開/關燈、控制方式等信號； 單元控制器向集中控制器發送故障路燈位置等信息，雙方通信通過GPRS無線網絡實現。GPRS 模塊采用Simcom 公司的SIM300D 無線通信模塊，該模塊外形小巧，內部集成了TCP /IP 協議，具有射頻天線、本地SIM卡連接及RS232 串口等接口，可采用內部擴展的AT 指令進行操作，功能強大且開發簡單。

SIM300D 模塊與單片機接口電路如圖4 所示，74LS573 邏輯芯片主要用于電壓變換。ATmega64輸出的是標準TTL 電平，而SIM300D 模塊兼容的高電平范圍為2. 05 ~ 3. 23 V,若要實現兩種芯片之間的數據交換，需要經過電壓變換。

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SIM300D 模塊需要借助SIM 卡才能連接到網絡進行數據傳輸，SIM300D 模塊通過SPI 通信方式對SIM 卡進行讀寫操作，通過GSM 或GPRS 通信方式實現與移動網絡的無縫連接。SIM 卡也稱為智能卡、用戶身份識別卡，通過此卡鑒別每一路燈的地址、代號和實際地理位置等信息。SIM卡與SIM300D 無線通信模塊接口電路設計如圖5所示。

圖5 SIM 卡與SIM300D 無線通信模塊連接圖

3.3. 故障檢測電路設計

單元控制器設有電流檢測功能，通過電流檢測可以判斷路燈是否故障。如果路燈故障，通過路燈的電流會極小甚至為零，不足以驅動LED 發光，則故障檢測點的電壓會低于給定的基準電壓，通過電壓比較電路給單片機送入一個報警信號。

故障檢測模塊與單片機接口電路設計如圖6所示，基準電壓可通過調節滑動變阻器R2的阻值來改變。當路燈正常工作時，故障檢測點電壓大于基準電壓，則運放LM358 輸出+ 12 V 的正向飽和電壓，該電壓經限流電阻和穩壓管構成回路，這時穩壓管給單片機送入一高電平電壓。當路燈出現故障時，檢測點電壓低于基準電壓，運放電路輸出為零，為單片機送入一低電平電壓，實現故障報警功能。

圖6 故障檢測模塊與單片機接口電路

3.4. 高亮LED 驅動模塊

單元控制器的高亮LED 驅動模塊采用自制恒流驅動電源，利用運算放大器組成電壓跟隨器、電流負反饋電路，結合單片機組合成恒流源，方法簡潔，容易實現，電路設計如圖7 所示。

圖7 恒流驅動電源電路圖

圖7 中電源的輸出電流與UPB5 成正比，當UPB5 保持恒定時，可保證該電源的輸出電流恒定。同時，UPB5 可以通過單片機的PWM 輸出進行調節，從而實現輸出電流的可控，調節LED亮度。

4.系統功能

集中控制器的顯示模塊采用常用的字符型液晶模塊12864; 時鐘模塊采用具有萬年歷功能的實時時鐘專用芯片DS1302; 聲光報警模塊采用了普通的發光二極管和蜂鳴器。

程序采用AVR Studio 軟件編寫，并經GCC 編譯器編譯通過。每個帶有地址的單元控制器能通過GPRS 模塊可靠地接入移動網絡，實現與集中控制器的實時通信。該廠區路燈模擬控制系統能實現以下功能：

1） 廠區路燈夜間無行人及車輛通行時，路燈微亮； 當檢測到遠方有物體接近時，路燈由微亮轉為全亮，保證照明需要； 車輛、行人通過后，路燈自動切換為微亮。

2） 在清晨、傍晚時，路燈可以根據環境明暗變化，實現自動開關； 并可以根據環境亮度調整燈具照度，保證使用需要。

3） 系統在白天不使用時，能夠自動轉為休眠狀態，降低系統功耗。

4） 有手動功能，可以分別控制每個路燈的開/關狀態。

5） 可進行路燈的電能消耗統計。

6） 具有路燈故障檢測功能。當有路燈損壞時，可以進行聲光報警，并指示故障路燈的具體位置。

5.結束語

采用物聯網技術構建的廠區路燈模擬系統，能實現對廠區路燈科學的管理和智能化的監控，同時系統的無線路燈控制模塊體積小、價格低，便于現場安裝與維護。經過實驗調試，系統運行安全可靠，運行成本低，監控方便，能滿足廠區路燈的智能化控制要求。

隨著移動無線網絡的發展和日益完善及其在物聯網方面的投入，相信這種控制方案在路燈的管理與控制上將會有廣闊的應用前景。