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。

基于电力线载波的路灯线路检测系统研究

摘 要 ： 针对城市路灯线路的损坏以及被盗等问题，在分析比较现有路灯监控系统功能的基础上，结合当今社会对路灯控制管理的要求，提出了基于电力线载波通信的城市路灯线路检测方案，设计了以51单片机为核心的线路检测系统。该系统由控制端和接收端组成，当检测到线路故障时控制端可以把信息反馈给路灯管理中心，同时发送指令启动无线检测模块，以确认该线路的具体故障位置。该系统能够实时监测到路灯线路状况，改变人力检修排查的低效性，具有较好的应用前景。

0 引言

路灯线路的损坏（如短路引起线路烧毁）或被盗将造成大面积的路灯无法供电。现有的许多路灯线路状况监控系统不能实时有效地检测路灯的照明情况，导致维护不及时，给市民生活造成不便。并且已有的系统存在线路状况误报的缺陷，必须以人工巡查为辅助，对线路进行检查与管理。该方法不仅效率低，而且耗费人力。本文提出了基于电力线载波通信的城市路灯线路检测系统设计方案。电力线载波（PLC）技术是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行传输的技术[1]，该技术近年来陆续在许多行业中得以广泛应用[2]。由于该技术进行信号传输时把电力线作为通信信道，所以实际应用时就不需另外铺设专门通信线路，节省了大量的布线费用[3]。电力线载波通信与其他通信方式相比，具有传输距离远、通信可靠性高、安全保密性好、投资少、经济效益高、建设与电网建设同步等优点，已经成为电力系统中应用较为广泛的通信方式之一[4]，未来有更大的应用前景。

针对现有路灯管理系统的缺点，基于电力线载波通信的成熟技术，本文设计了一套能有效检测路灯线路故障的系统。该系统采用无线与有线相结合的方式，利用相关的计算机与通信技术，实现路灯线路的远程控制与实时检测[5]。当系统检测到某段线路发生故障时，启动无线模块，通过检测路灯是否点亮，来确定具体的故障位置，然后将信息反馈给路灯管理中心，从而做出及时准确的处理。该系统的优点在于：能及时发现路灯电缆被盗、线路老化、线路短路而引起烧毁等异常情况；能在线路发生故障时及时反馈报警信息，便于及时解决问题，方便市民出行；克服了原有系统存在误报的缺陷；有效解决人工巡查效率低、工作量大等弊端，从而减少管理及维护成本。

1 系统整体结构设计方案

本文旨在利用电力线载波通信进行路灯线路检测，被检测电缆两端各安装一个控制模块与一个接收模块，多个控制模块集成在一个控制端当中，并安装在控制箱内，对多路电缆进行检测，如图1所示。

2系统工作原理

该系统以有线检测为主、无线检测为辅，有线检测系统负责路灯线路故障检测，无线检测系统主要负责故障位置的确定。图2为该系统工作原理框图。

2.1有线检测系统的组成与功能

该线路监控系统分为五部分：主控模块、接收模块、液晶显示单元、SIM900模块和载波模块。信息传送信道为220 V低压电力线，通信方式为工频通信方式[6]。该系统在路灯供电情况下，从路灯控制箱获得电源，进行工作。在通电情况下，可一直处于工作态，能对线路状况进行实时检测。该系统可检测各段线路的故障。

系统各模块功能描述如下：液晶显示单元用来显示控制端接收到的信息，能实时显示路灯线路的通断情况；主控器模块作为整个系统的核心，主要负责监测线路的通断情况，可进行故障检测、电缆防盗；接收模块由分布在多条线路上的单片机模块组成，负责查询信号的接收、处理以及反馈信息，各接收模块将线路的通断信息都返回到控制端进行统一处理，从而能同时检测多条线路状况；SIM900模块用于远程信息传输，把控制端收集到的各条线路的信息传送到路灯管理中心。控制器模块与接收模块都由单片机完成，功能通过C语言编程实现，这两个模块之间通信的信息加载在电力线上进行传输。

系统具体采用HL-PLC V3.0载波通信模块对信号进行调制，使得信号能在电力线中传输。该模块采用FSK通信方式，软件采用模糊算法，即使传输信号被干扰或丢失达40%，也能较准确地还原出原载波信号，抗干扰能力较强。载波中心频率为72 kHz，模块可在过零发送模式和正常发送模式间自由切换。正常模式下传输速度快，但抗干扰能力弱，适合负载轻、干扰少的线路环境；过零模式速度稍慢，抗干扰能力强，适合绝大多数线路环境。本文设计的系统采用过零模式，如图3为交流220 V环境下的组网结构，该结构下无需架设专门的通信电缆，安装方便，抗干扰能力强，通信距离远，比较适于复杂多变的电网环境[7]。

2.2 无线检测系统的组成与功能

无线模块开始工作的指令由控制端给出，未出现线路故障时，该模块一直处于休眠状态，当控制端检测到某段线路发生故障时，会给相应段线路的无线模块发送启动指令，使该线路的无线模块工作。无线模块收到指令后，通过配备的光感模块检测路灯的亮灭情况，从而确定出该段线路的具体故障位置。

3系统的软件设计

软件设计采用C语言编写单片机程序，实现端到端的线路的单线测试。即控制端的单片机发送检测信号到载波模块，通过载波模块的调制作用，将信息加载到220 V的电力线上，在接收端，信号通过载波模块的解调后将信息发送到接收模块。低压电力线上存在着噪声干扰，电压、电流不稳定等不确定因素[8]，因而会在线路正常的情况下，出现控制端无法收到反馈信息的情况，从而对线路状况误判。因此每次线路查询，需多次发送进行验证，以排除由于干扰而引起误判的可能性。经实际测试分析得到：每一轮查询，连续发送多次信号，即可排除线路干扰引起的错误判断；考虑到信号的发送与接收需要时间，因此每次发送的信号之间需要间隔一段延时。经实际测试得到：从控制端向接收端发送信号到接收端返回信号给控制端，这个过程所需要的时间为500 ms，因此延时时间设定为500 ms。

控制端每发起一次检测，就会连续发送n次信号，这个数值根据实际情况而定。若控制端在发送完n次信号后，收到反馈信息，说明线路处于正常状态；若控制端发送完n次信号之后，仍未能接收到反馈信息，说明线路发生故障。控制端一轮查询结束后，会向无线模块发送指令，给路灯管理中心发送线路状况的信息，若线路正常则不启动无线模块，只向路灯管理中心发送线路正常的消息；若线路发生故障，则控制端向无线模块发送指令，启动该模块来进行故障位置的具体定位，并告知路灯管理中心线路发生了故障。线路检测流程如图4所示。

4 系统测试

在宁波市的实际路灯环境中对该系统进行实地测试，在路灯控制箱安装好发送设备，在路灯端安装信号接收设备。测试过程主要分为两种情况：通电与断电。首先将控制箱与路灯端之间的线路断开，此时安装在控制箱的发送设备不断进行信号发送，由于线路处于断电状态，因此安装在路灯端的接收设备无法收到发送端发送的检测信号，即接收端不能反馈信息给发送端，因此接收端的液晶显示屏上显示断电信息。然后连接控制箱与路灯端之间的线路，此时路灯正常工作，发送设备不断发送检测信号，接收设备能接收到信号并进行反馈，此时在接收端的液晶显示屏上显示正常工作信息。两种情况下的测试结果与预期的理论结果相符合，说明系统可靠。

由于实验环境与实地测试环境有所差异，实际环境下干扰因素以及不确定因素增多，使得测试的准确率有所降低，因此需要在软件设计中对差错控制进行改进，将每次检测时发送的信号数增加，以排除干扰引起的误判。

5 结论和展望

试验表明，该系统的检测结果稳定可靠，说明其能对电力线通断情况进行实时、有效地远程监控，从而及时发现路灯线路故障，进行快速维修，提高城市管理效率。同时该系统采用电力线为信息传输的通道，可避免重复布线，具有造价低、传输线路牢固可靠、安装使用方便、误报率低、受季节干扰小、耐用性强、工作电压低、传输线路广等优点。以电力载波为主和无线通信为辅对路灯线路进行管理，提高了路灯管理水平和效率，实现了管理的智能化、网络化、科学化和集中化，提高了社会效益，具有广泛的应用前景。

随着计算机、通信等信息技术的发展，电力载波作为一项电源与通信相结合的技术被广泛应用于各种过程控制、家庭自动化等多个领域。尤其是在布线困难、电磁干扰强、环境恶劣的环境下更体现出其优越性。目前该技术已应用于智能抄表、电力线上网、电梯控制、工业过程控制等场合，下一步更有望应用于智能家居[9-10]、交通部门管理、无人车驾驶等通信领域。由于电力线是一个巨大的网络资源，是一个已经存在的网络，无需另外铺设通信线路，因此便于利用，成本低，信息传输的安全性好，是一种发展前景很好的通信方式。

参考文献

[1] 刘红，张冬来，孙光伟.电力线载波中传输线模型的建立及应用[J].电力系统及自动化学报，2002，14（3）：27-31，62.

[2] 张长洪.电力线载波通讯中自动增益控制电路研究[D].天津：南开大学，2013.

[3] 王宁，于传维，顾瑛.基于电力线载波的抄表系统设计[J].电子质量，2015（4）：25-28.

[4] 武康.基于电力线载波通信的LED路灯驱动电源及监控终端的设计与实现[D].广州：华南理工大学，2012.

[5] 娄秀丽.基于电力线载波技术的智能照明系统的设计[D].南京：东南大学，2013.

[6] 梁伟.应用于路灯控制系统的电力线通信技术研究[D].保定：华北电力大学，2012.

[7] 杨迪.低压电力载波通信的基本原理与关键技术分析[J].电子技术与软件工程，2014（18）：69.

[8] 金凌英.电力线载波通信系统中信号干扰和扩频技术的研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[9] 李训文.基于电力线通信技术的智能家居控制系统研制[D].杭州：浙江大学，2013.

[10] 刘新宇.基于电力载波通信的LED隧道照明控制器设计[J].电子技术与软件工程，2014（18）：147.

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