如何应用单片机设计智能型节能路灯控制系统

路灯是城市的重要公共安全和景观设施，也是能源消耗大户，实现智能照明，不仅节约能源，更有利于环境。经过了解，现在大量的路灯都是根据四季不同的天黑天亮时间来控制路灯的开关，先进一点的也不过是简单的光敏控制，一直从天黑开到天亮，中间不管有没有行人、车辆通过都是不会关断，这样就造成了大量的能源浪费。

为了能高效节能的控制路灯，合理地利用能源，为现代城市的道路提供一个良好的照明环境，本文设计了一种基于单片机的智能型节能路灯控制系统，该系统能够需要独立控制每盏路灯的开关与照度，它根据行人或者车辆通过情况和照明范围，自动开关路灯并控制其照明度，经实际运行，效果较好。

硬件电路设计

路灯控制系统采用集成运放LM358、MOS管IRF614实现。支路控制器实现对所有照明单元状态的状态收集、显示、判断与发出控制命令，是整个系统的控制核心部分；单元控制器是系统的执行终端，完成对该单元所有状态的采集与通信，接收支路控制器的控制指令并执行。系统组成基本框图如图1所示。

2 模块电路设计

（1）控制方案

系统采用集中控制和就地控制相结合的方式。支路控制单元可以集中对各个单元电路进行控制，同时各个单元控制电路也可以根据所采集的状态，进行综合判断，并做出相应的控制动作。整个系统的控制方式灵活，两种方式互补，既减轻了支路控制器的负担，使整个系统的控制容量可以做得很大；又可以避免支路控制器的故障而导致整个系统的瘫痪，保证各个单元仍然能够正常的工作。

图1 系统基本组成框图

（2）信息传输方式

由于传统的232通信方式传输距离有限，在实际路灯系统中，无法实现远距离路灯的控制，本设计采用485通信方式，该方式除了具有232通信的优点外，还具有传输距离远的特点，在2400B的码元速率下，传输距离可达10KM以上。为实际路灯控制系统提供远距离传输保证。

（3）移动物体定位检测

采用红外通信编码，其灵敏度较高，传送距离较远，光源安全，电路简单并易于实现。

（4）恒流源电路

如果选择单独运算放大器构成恒流电路，输出电流只能达到几十毫安，不能满足LED照明所需电流，必须加入扩流电路。系统采用高精度运算放大器LM358和MOS管IRF614扩流电路组合，可以实现精确的恒流电路。支路控制器和单元控制器硬件电路结构框图如图2和图3所示。

图2 支路控制器框图

图3 单元控制器框图

工作原理

系统的支路控制器和单元控制器分别采用STC89C52和STC12C2052A/D单片机，这两种MCU具有1个232口和1个SPI通信口。

移动物体检测采用红外通信编码的方式。这种检测不持续发射，而是每隔5ms发射一个持续时间为0.25ms、频率为40KHZ的载波信号，相当于“红外雷达”，对≥50cm长的物体以180千米/小时通过时，其经过探头的时间为10ms，可被检测两次，完全能满足检测需要。检测原理如图4所示。

图4 红外检测原理示意图

图5是恒流源电路，采用LM358搭建而成。第一级运放构成跟随器，可以得到第一级同相端3脚的电压与第二级运放同相端5脚的电压相等，从而得到反相端6脚的电压与3脚的电压相等，该电压经电阻R14形成一个恒定电流。因此，调整3脚输入的电压，就可以改变恒流源的电流。电路简单，元件很少，灵敏度高，不需要对外围元件进行匹配调节，真正实现免调试功能。

电源波动影响极小，电压从10V~36V变化，其恒流稳定性超过1/1000。其等效内阻高达70MW以上。其上端增加了功率限流电阻，防止电流过大而造成路灯损坏。

图5 恒流源原理电路

为了实现对路灯的调光，达到智能控制照明度，单元控制系统采用了对路灯驱动电源功率的闭环控制，利用PWM脉宽调制[7]实现调光功能。同时，利用光敏电阻对环境光线以及路灯状态进行监测，作为该调节电路的反馈输入，使得路灯的亮度跟随环境光线的变化以及路灯开闭的状态实时线性调整。

故障自动检测电路。系统能够对恒流源基准电压、路灯回路电流以及路灯状态进行反馈采集，并进行综合判断，得出系统工作状态。当系统控制输出值与恒流源基准电压值偏离时，回路未工作在恒流状态恒流源电路故障；当系统控制灯亮，而反馈路灯状态为灭时，路灯回路故障，此时，若恒流源基准电压为0，说明路灯开路；若恒流源基准电压正常，则说明路灯短路。系统实时查询上述各状态，形成故障自动检测体系。

软件设计

1 软件流程图

支路控制器电路软件流程如图6所示。它包括定时中断和响应按键两部分。定时中断部分产生一个时钟节拍，定时读取时钟芯片时间、轮询各单元控制器的数据、刷新LCD显示；响应按键部分则根据按键进入功能界面，完成各种功能选择、初值设定。这种设计方式在中断里面仅仅处理相应标志位，而在程序主循环中根据标志处理任务。

图7是单元控制器电路软件流程图。它包括串口通信和T0定时器模块两部分，其中T0定时器包括电子表、软件脉宽调制、键盘、软件红外系统、实时故障诊断以及动态显示六个子模块，系统不工作的间隙都是处于睡眠状态，有利于进一步减小系统功耗。

图6 支路控制器电路软件流程图

图7 单元控制器电路软件流程图

2 软件设计特点

主从式多机通信方式：在主从式多机通信系统中，当主机轮询从机时，未被呼叫的从机不停接收主机下发的信息，产生接收中断，增加从机的工作负担，使从机的工作效率极低。在本系统中，为了避免这种情况的发生，采用了一套多机通信协议，协议中包含地址帧，从机收到地址帧后，判断是否呼叫本机，再决定是否继续后续的数据接收[8]。从而提高从机的工作效率。

环境光照自适应学习：在系统中，单元控制器还可以根据环境光照的变化调整路灯明暗。系统以光敏电阻实时采集环境光照的变化，反馈给单元控制器MCU。由于不同场合、或同一场合不同时间的环境光照均有差别，且光敏电阻光电特性也有个体差异，系统增加了环境光照自适应学习和校正的功能。以开机后30秒内的光照对应的AD采样均值为基准，动态调整路灯开关阈值与功率调整基准。

友好的人机界面：支路控制器采用128*64的LCD为显示屏，以6键键盘为输入设备，可实时显示路灯状态，系统时间，报警时间等多种信息，设置系统时间、开关灯时间、设置路灯功率、与单元控制器工作模式。采用交互式的人机界面设计操作方便，不需要关机就可以从一种状态切换至其他状态。采用前后台系统的设计思路，在中断里面处理事件标志，主流程中检测标志处理具体事务，程序有很强的健壮性。

系统测试

1 根据环境明暗自动开灯关灯测试

测试方法：模拟环境的明暗变化，采用人为改变环境明暗以及遮挡环境光监测光敏电阻的方法来实现。开关灯阈值由系统自动学习设定。在实验室进行的测试结果如表1所示。

表1 环境明暗自动开关灯测试结果

当环境暗于阈值时，灯打开；当环境亮于阈值时，灯关掉。本测试在每个不同的阈值情况下，都做了多次测试。结果表明，本系统完全能够根据环境的明暗，而自动开灯或关灯。

2 根据交通情况自动调节照明度

测试方法：在外界环境条件一定的情况下，推动可移动物体在模拟道路中移动，测试2个LED灯状态。结果如表2-1与表2-2所示。

表2-1物体从左向右移动时测试结果

表2-2 物体从右向左移动时测试结果

从测试结果分析，本系统完全能够满足非常精确的要求，根据交通情况自动调节照明度。

3 恒流源电路测试

测试方法：调整运放的输入端电压，使得电流分别为10mA、100mA、200mA，用可调直流稳压电源改变系统输入电压，用三位半数字三用表测试电流。测试结果如表3所示。

从表中可以看出，不同档位的电流在电压变化时稳定性高，电压波动对恒流源电路的影响极小，电压从10V~36V变化，其恒流稳定性超过1/1000，性能非常优越。

表3 恒流源测试结果

4 调光功能电路测试

测试方法：将一个三用表串入LED灯驱动电源回路测试电流，另一三用表测试LED灯两端电压，计算实际功率。测试结果如表4。

表4 调光功能测试结果

在功率设定完成后，电路中的电流瞬间改变到表中的测试值，表明功率调节功能可以在瞬间完成；由表中可以看出，误差最大的是100%功率档，为1.44%；误差最小的是50%功率档，为0.02%，精确度非常高。

5 定时开关灯测试及故障测试

定时开关灯测试方法：对每个路灯单独设定和对两个路灯同时设定两种情况都进行了测试。经多次测试表明，系统完全能够按照设定的时间和要求，准确地实现开灯和关灯功能。

故障测试方法：在进行故障测试时，人为地使路灯短路或开路，观察支路控制器的显示及声音。结果表明，当故障发生时，支路控制器能够及时发出声光报警信号，同时，LCD液晶屏上显示相应的故障和地址编号，均能达到最初我们设想的要求。

结束语

本系统实现完全智能化控制，移动物体的距离测量最高达到0.3cm，恒流源功率测试误差≤0.02%。系统具有闭环自动检测和学习自适应功能，同时具有完备的指示和保护系统，增强了系统的安全稳定性，通过设计运行实验，效果较好，同时系统可实现在线远程升级功能，提高了系统的可维护性。

本文编自《电气技术》，原文标题为“基于单片机的智能型节能路灯控制系统”，作者为王正、王洪诚、傅磊。

应用无线传感器网络的智能照明控制系统

智能照明控制系统由无线传感器网络、OPC DA服务器和用户界面组成。无线传感器网络采用星型结构，由ATmega16L和nRF905组成网络节点控制LED灯。无线网络中的基站通过RS232连接PC机中的OPC DA服务器。OPC服务器将设备状态传递给用户界面，并将接收的控制命令下达给无线网络节点。利用nRF905无线模块模拟组建一个智能照明控制系统，运行结果表明，系统具有良好的可扩展性。

智能照明控制在我国存在极大发展潜力及重要现实意义。本文将无线传感器网络、OPC通信与照明控制技术相结合，设计一套智能照明控制系统，实现灯具自动控制，提高系统管理水平。

1 系统方案概述

本文的智能照明控制系统由无线传感器网络、OPC服务器和用户界面三部分组成。

底层的无线网络采用星型结构，包括一个基站和多个从站。其中，从站与被控LED灯连接并将灯的状态信息传送给基站。基站通过RS232与PC机相连，将接受的控制命令下达给从站。系统使用ATmega16L单片机和nRF905无线射频模块构成工作于433MHz的无线网络节点，两者通过SPI串行口相连。

图1 节点结构

上位机中具有专门开发的OPC DA服务器。OPC 服务器与组态软件中开发的用户界面之间采用OPC技术通信，与无线网络中的基站之间采用RS232串行通信。OPC服务器负责将用户下达的控制命令传送给无线网络中的基站，并将基站传输的设备状态上传至用户界面显示。

在组态软件中开发的用户界面能实时准确的显示设备状态，并可实现对LED灯的组合控制、温度控制、PWM控制、定时控制及操作记录等功能。

图2 系统框图

2 系统软件设计

2.1 无线传感器网络设计

无线传感器网络是由一些低功耗、低成本、体积小的传感器节点，以无线通讯方式组成的网络，融合传感器技术、信息处理技术、嵌入式技术和网络通信技术，实现信息的采集、处理、传输及应用，具有施工成本低、系统扩展性好、运行维护易等优点。本系统的无线网络结构设计如下：

1）网络拓扑

系统无线网络采用星型结构，有基站和从站两类节点。基站与各从站间进行双向通信，从站互不通信。网络中的每个节点都配有ID地址，有接收、发送两种状态，默认处于接收状态。

2）MAC层协议

为避免多个从站同时向基站发送信息导致信道冲突，且照明系统对控制时延性要求不高，所以网络MAC层采用非坚持CSMA/CA协议。通信前，节点先利用nRF905的载波检测引脚CD监听信道是否空闲，若空气中有同频信号则CD自动置高。若信道忙碌则节点随机延迟一段时间后再重新监听。

信道空闲时，节点并不立即发送，而是采取一定的退避机制，将信道冲突的概率降至最小。因为当某从站与基站通信完毕的瞬间，可能有多个要发送数据的从站同时监听到信道空闲，此时信道冲突的可能性最大，所以节点随机退避一段时间后再进行发送。

这里采用二进制指数退避算法BEB，设争用期（即节点发出数据至接收到信道冲突的时间）为2t，各站重传次数为N,从整数集合[0,1,…,(2N-1)]中随机取数，记为R。节点重传产生的时延D为2t的R倍，即D=R×2t。

站点在发送前若检测到信道空闲，就立即启动退避计数器，只要信道空闲，退避计数器就递减，若退避过程中检测到信道被占用则暂停退避计数器并保持计数器值不变，当信道重新空闲时在原有计数值基础上再次启动退避计数器，当计数值减到零时节点发送数据。

图3 非坚持CSMA/CA流程图

3）冲突避免策略

CSMA/CA协议只能解决发送端的数据冲突问题，但接收端仍存在数据冲突的可能，即“隐藏节点”问题。因此系统引入RTS/CTS/DATA/ACK握手机制。具体过程如下：

⑴从站向基站发送前先通过竞争方式获得信道使用权，再向基站发送请求连接帧RTS(Request To Send)。

⑵基站收到从站的RTS帧后，向从站发送连接确认帧CTS(Clear To Send)，建立两者之间的通信连接。

⑶从站收到基站的CTS帧后，向基站发送数据帧DATA，若没有收到CTS帧，则重新发送RTS帧。

⑷基站收到从站的DATA帧后，向从站发送数据确认帧ACK。

⑸从站收到基站的ACK帧后，整个通信过程结束，若没有收到,则重新发送DATA。

图4 从站流程图

图5 基站流程图

4）差错控制

在差错控制方面，系统采取数据重发机制与nRF905自身CRC校验相结合的方式。从站在发送RTS或DATA后，若在一定时间内没有收到基站的CTS或ACK，则重新发送传输失败的帧，直到接收到回复或重发次数达到设定值。

另外，nRF905提供对CRC校验的硬件支持，通过设置RF配置寄存器中的CRC_MODE值，采取8位CRC校验。当接收的数据CRC校验出错时，nRF905会自动丢弃错误帧。

5）数据传输

系统有两种数据传输模式：点播和广播。点播是指基站向指定从站发送命令或某一从站向基站传输数据，是点对点通信。广播是指基站向所有从站发送命令，此时目的地址为统一值，是点对多点通信。

6）通信帧

系统有两种帧类型，分别是控制帧RTS、CTS、ACK和数据帧DATA。其中，前导码表明帧的开始；源地址为发送的设备地址；目的地址为接收的设备地址；帧类别说明此帧的功能；有效数据是传输的具体内容；结束码表明此帧的结束。

2.2 OPC DA服务器

OPC技术是用于过程控制的对象链接与嵌入技术，其以COM/DCOM/COM+技术为基础，采用服务器/客户端模式。本系统针对智能照明控制系统的需求，开发专门的OPC DA服务器，设计如下

图6 OPC DA服务器结构图

1）OPC对象与接口

系统编写实现OPC DA服务器的定制接口，采用E形式，以OPC3.0规范为标准，向下兼容OPC2.0版。系统的OPC对象与接口包括OPC Server、OPC Group和OPC Item三种对象。

其中，OPC Server和OPC Group为标准COM对象，服务器对象不支持聚合，支持连接点机制。组对象支持聚合、连接点机制。项对象不是标准的COM对象，通过一个类进行描述，在类中定义项对象的属性和操作方法。

系统OPC Server对象实现的接口包括：IOPCServer、IOPCommon、IOPCBrowseServerAddressSpace、IOPCItemIO 、IOPCItemProperties及IOPCBrowse。OPC Group对象实现的接口包括：IOPCItemMgt、IOPCItemDeadbandMgt、IOPCGroupStateMgt2、IOPCGroupStateMgt、 IOPCSyncIO、 IOPCSyncIO2、IOPCAsyncIO、 IOPCAsyncIO2及IOPCAsyncIO3。

2）服务器地址空间

系统的服务器地址空间由OPC服务器内所有可读写的数据项组成，根据实际情况预先设计，采用树型结构。整个服务器地址空间使用一个自定义的结构体数组进行存储，其结构体成员包括：结点唯一的ID号、结点的名字、父结点的ID号、左子女结点的ID号和右兄弟结点的ID号。最后，系统通过定义一个类对服务器地址空间进行管理。

3）硬件数据采集部分

OPC DA服务器通过RS232串行口与无线网络中的基站连接。本系统将与串口通信有关的API函数封装在一个类中进行管理，并定义一个属于此类的全局变量。通过对此全局变量的读操作，将无线网络基站上传的设备信息写入服务器地址空间及相应的OPC Item中。当OPC服务器接收到控制命令后，会自动调用串口全局变量的写函数，将指令下发给无线网络中的基站，并由基站将指令传输给具体从站。

4）线程设计

图7 OPC DA服务器更新及事务处理流程图

系统的OPC服务器包括一个主线程，两个辅助线程。主线程由服务器启动时自动创建，用于初始化COM库，建立消息循环和处理消息。第一个辅助线程用于处理服务器数据更新及异步事务，线程会周期性更新每个OPC Server对象中所有组对象的数据项，同时执行异步操作事务，并将操作结果回调给客户。

第二个辅助线程用于RS232串口监测，当串口接收到数据后，会以消息方式通知主线程，激发消息处理函数对数据进行处理，最后将处理好的数据写入服务器地址空间。不同线程间采用临界区方式进行同步。

5）数据访问

本系统的OPC服务器支持同步和异步两种数据访问方式，包括提供六种读数据方式，其中IOPCSyncIO2::ReadMaxAge、IOPCSyncIO::Read和IOPCItemIO::Read用于同步读；IOPCAsyncIO2::Read、IOPCAsyncIO3::ReadMaxAge用于异步读；而当数据改变或异步刷新被调用时，采用IOPCCallback::OnDataChange。

本文由于无线网络中的基站会自动将设备最新状态上传至OPC服务器中的服务器地址空间，因此所有读操作都直接读取OPC服务器中的内存数据。OPC服务器具有五种写数据方式，其中同步写操作包括：IOPCSyncIO::Write、IOPCSyncIO2::WriteVQT及IOPCItemIO::WriteVQT；异步写操作包括：IOPCAsyncIO3::WriteVQT、IOPCAsyncIO2::Write。当用户下达指令时，OPC服务器通过调用RS232串口写函数，将命令下传给无线网络中的基站。

图8 异步读数据流程图

图9 同步写数据流程

3 智能照明控制系统模拟组网

本文使用ATmegal6L和nRF905构成无线节点模拟组建一个智能照明控制系统，模拟实现LED灯的组合控制、PWM控制、定时控制等功能。

图10 模拟智能照明控制系统实物图

系统通过ATmega16L开发板上的LED灯模拟被控灯具。温度控制方面，采用白炽灯与晶闸管BTA12-600及光耦隔离器MOC3041相连接模拟被控端。从站的微控制器将实际灯温度值与设定值进行比较，通过PID算法计算修正PWM占空比，调整灯的明暗程度。

最后，系统利用组态王软件开发用户界面。在操作界面上，可实时显示设备状态，对LED灯进行各种控制操作。系统会对各项操作进行历史记录，同时可利用组态王的Web功能使用户能随时随地通过Internet/Intranet实现设备的远程监控。

图11 用户操作界面

试验平台的模拟运行结果表明，该智能照明控制系统满足设计要求，具备良好的可扩展性。

部分程序代码：

uchar csma_ca(void)//载波检测和退避机制

{

uint s=1;

uchar i=0;

uchar ran=0;

uchar j=0;

for(j=0;j<8;j++)//重传次数设置为9次

{

if((PIND&RF_CD)==0)//载波检测

{

srand(t);//随机取值R

ran=(uchar)(rand()%s);

ran=ran*30; // D=R×2t

delay_ms(ran);

}

else

{

s=s<<1;//二进制指数退避

srand(t);

ran=(uchar)(rand()%s);

ran=ran*30;

delay_ms(ran);

}

s=s<<1;

if((PIND&RF_CD)==0)

break;

}

if(j<9)

i=1;//CSMA/CA成功

else

i=0; //CSMA/CA失败

return i;

}

4 结论

本文将无线传感器网络、OPC DA服务器应用于智能照明控制系统中，实现从用户界面到无线终端的整体控制。经验证，系统安装方便、工作稳定、各部分衔接良好，满足控制要求。此外，系统还易于扩展，具有良好的通用性和一定的可移植性，稍作修改可应用于其他控制领域。

本文编自《电气技术》，原文标题为“基于无线传感器网络的智能照明控制系统”，作者为刘璐、周靖林。

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