基于远程监控的多功能小区智能路灯系统

张琴 刘忠富 田维香 王明明

Abstract： Aiming at the problem of increasing street lamp management and energy-saving street lamp， this paper designs a control system of remote intelligent street lamp based on 51-MCU.Taking 51 single chip microcomputer as the core， combined time control with optical control， the system could control the street lamp on or off in real time； at the same time， the status information of the street lamp is collected， and the collected information is uploaded to the upper-level monitoring device through the WiFi network interface， and the real-time maintenance of the street lamp is realized.The intelligent street lamp system designed in this paper has the function of light and dark detection of street lamp environment， street lamp control， fault detection and so on， which improves the efficiency of street lamp management and has certain use value.

引言

近年来，伴随着城市现代化进程的不断加快，诸如路灯等城市基础设施建设也在陆续提出各类创新升级需求。对于街市路灯来说，其消耗的电量即是面临的关键问题之一。电力资源的供求紧张使得路灯的节能建设已然刻不容缓。针对这一现实状况，采取选用智能路灯控制系统即已尤显迫切与重要。由于室外环境的不确定性与特异性，导致对路灯的管理颇具一定的技术难度。特别是不同季节的白昼长短会有变化，各种阴晴天气原因等也会对路灯的及时开关带来实际作用与影响。并且，当路灯发生故障以后，维修人员则需要被及时告知何处路灯发生了故障[1]。基于此，本文拟采用单片机为核心，实时监测路灯故障，将物联网技术运用在路灯系统自动化和智能化的研发中，具有一定的应用价值。下面将对此展开研究论述。

1系统方案设计

远程智能路灯系统的构成主要分为3部分，也就是： 底层传感器检测模块、单片机数据处理模块、WiFi通信电路[2]。系统方案设计架构如图1所示。其中，底层传感器模块不断采集光照以及路灯电流大小，并把数据传送给单片机进行处理，当在时钟定时范围内、并且光照强度低于设定值时，路灯开启。当光照强度高于设定值、并且不在时钟模块定时范围内时，路灯将切断工作，此时路灯关闭。

2系统硬件电路设计

2.1单片机最小系统电路

本设计采用51单片机，主要利用单片机的引脚P2.6 读取由环境明暗检测模块发送的高低电平，并存到存储器中，51单片机具有4 k字节Flash 闪速存储器、片内振荡器及时钟电路等[3]。此外，还需要由引脚P2.7接到路灯控制模块，来发出路灯的开关指令。51单片机在使用时需加上复位电路和晶振电路以构成单片机最小系统。

单片机最小系统是本设计中的核心部分，用来读取底层传感器发来的数据，并对所采集到的数据进行分析处理。同时把处理后的数据发给路灯控制模块，让路灯控制模块控制路灯的开关。而且，还与WiFi模块进行通信，实时处理后的数据则将发送给WiFi 的协调器，再通过WiFi网将数据传送给上位机，实现上位机远程监控[4]。

2.2环境明暗检测电路

環境明暗检测模块采用光敏电阻和A/D 转换芯片ADC0832 共同构成，用来检测路灯周围的明暗并将数据传给单片机，而且与实时时钟模块相配合以协同控制路灯的开关。光敏电阻与A/D 转换芯片ADC0832 的CHO脚相连[5]。而A/D 转换芯片ADC0832 的通道0 通过远程智能路灯控制系统中光敏电阻的阻值设计变化以运算得到相应的电压值。根据光照强度的变化，由此得到的电压值也会有所不同。通过A/D 转换芯片ADC0832，把得到的模拟电压值转换成数字信号。A/D转换芯片ADC0832 通过DO、DI、CLK 等引脚与51单片机的P3.6、P3.7、P3.5 等相连。

51单片机通过这些引脚读取数据后，对数据进行加工处理，这就将不同的光照强度信号转换为电压值，再将其二次变换为结果数字信号，也就使51单片机对于底层光敏电阻采集的光照值经由分析以及一系列技术研发步骤后，再将其输出用于控制路灯开关。

2.3时钟模块电路

实时时钟模块主要由DS1302、晶振以及纽扣电源构成。实时时钟模块在远程智能路灯的控制系统中主要用于设定时间段，让路灯在一段时间内可以处于环境明暗检测模块的控制作用下，而在其余时间内则不会接受环境明暗检测模块的控制。VCC 提供电源，但VCC2 接入电压值为3 V 的纽扣电源BT1，用于电源出现故障时也能保持DS1302 的正常计时状态。在X1脚与X2 脚之间加入一个Y2 为32.768 KHz的晶振并连接在一起。DS1302 的RST、I/O、SLCK 端分别同单片机的P2.1、P2.2、P2.3相连，为了确保其正常工作给电路增加了阻值为10 K的上拉电阻。时钟模块在远程智能路灯控制系统中并非仅有计时作用，同时也可在一定的时间段内配置管控路灯的开关。时钟模块的电路设计如图2所示。

2.4故障检测电路

故障检测模块是远程智能路灯控制系统的一个重要部分。路灯的故障检测模块主要是由电流互感器、整流电桥电路、滤波电路、电压比较电路以及光耦电路构成。基本的作用就是检测路灯的接入电缆中是否有电流流过，如果有电流流过并在正常范围内，则表明路灯此时正常工作。反之，当路灯的接入电缆的电流值低于或高于正常的电流值的范围时，则表明此时路灯并没有正常工作。通过电流互感器以及电压比较器LM393 将采集值发送给单片机处理后，再经由WiFi网将信息发送给上位机实时监控路灯的工作状态。当路灯出现故障时发出警示，从而利于路灯检修，并可节省大批的人力以及物力。

2.5路灯控制电路

路灯控制系统由继电器、三极管、续流二极管以及发光二极管等构成。设计中，三极管的发射极连接继电器的一端，并通过电阻R4与发光二极管D1相连，同时与续流二极管D2 相连。继电器、发光二极管以及续流二极管D2的另一端共地。同时，三极管PNP 的集电极接VCC。三极管PNP 的基极通过电阻R1与单片机的P1.0 相连。当PNP 的基极电压为高电平时，三极管没有导通，此时继电器打开，而发光二极管D1不工作。反之，当PNP三极管的基极电压为低电平时，三极管导通，此时的继电器闭合、而发光二极管D1导通并发光。综合上述过程即可有效控制路灯的开关。路灯控制模块的电路设计如图3所示。

2.6WiFi通信电路

通信核心芯片采用ESP8266。ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi 透传模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到WiFi 无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能[6]。

若使该设计电路进入正常工作只需3处接线，分别是：VCC和CH_PD接3.3电源正极，GND接地。而据研究可知，USB-TTL下载模块上则具备了3.3 V的电源。再使用串口调试，就要将模块与下载器的TXD和RXD进行交叉连接。WiFi通信模块电路设计可如图4所示。

3系统软件设计

远程智能路灯控制系统的软件设计中，主要分为底层传感器模块以及单片机数据处理模块和WiFi通信传输模块[7]。通过软件的设计可以让远程智能路灯控制模块的各部分展开有序工作，从而满足远程智能路灯控制系统的功能设计需求。同时，通过软件研发可以对硬件操作设计最佳流程、做到优化运行，最终达到对硬件资源的合理调度应用。首先，研究给出了底层传感器模块和单片机数据处理模块设计。具体来说，单片机控制底层硬件重点分为数据处理以及控制数据输出2部分。其中，数据处理包括数据滤波、数据采集等环节。而单片机控制数据输出就是指让单片机将处理后的数据按照预设的功能步骤提供展示与输出。其次，就是WiFi子程序的调用设计，能够实现远程传输。系统软件的整体设计流程则如图5所示。

4结束语

本文研发了一种基于51单片机的远程智能路灯的控制系统。文中设计了环境监测、实时时钟、路灯控制、电源转换等硬件电路，并随即提出了与其配套的底层传感器、单片机和WiFi 传输等软件设计。本次研究解决了不同地区源于季节差异、天气变换等因素而导致的资源浪费问题，方便对路灯进行远程监控，还可及时查证路灯的照明状态，并能够针对出现的问题第一时间做出应对处理，方便小区居民的工作与生活。

参考文献

[1] 刘忠富. 基于物联网的无线矿井灾害人员搜救系统的设计[J]. 现代电子技术，2016，39（23）：22-24，28.

[2] 贺一鸣，王崇贵，刘进宇. 智能路灯控制系统设计与应用研究[J]. 现代电子技术，2010（1）：207-210.

[3] 刘岩川，董玉华，刘忠富，等. MCS-51系列单片机原理及系统设计[M]. 北京：电子工业出版社，2014.

[4] 李从容. 利用GSM 短消息实现远程监控[J]. 电子工程師，2005，31（4）：34-35.

[5] 李全利，迟荣强. 单片机原理及接口技术[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[6] 陈文周. WiFi技术研究及应用[J]. 数据通信，2008（2）：14-17.

[7] 徐爱钧，彭秀华. Keli Cx51 V7.0单片机高级语言编程与uVision2应用实践[M]. 2版. 北京：电子工业出版社，2008.