王凱鵬，姚凱學(xué)，任 莎，李路里，田旭飛

(貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引 言

路燈是一個(gè)城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，也是人類生活中必不可少的工具。但目前國(guó)內(nèi)的路燈設(shè)備基本上處于人工監(jiān)控的狀態(tài)，需要大量的人力資源進(jìn)行維護(hù)和維修，其次，路燈往往不能在光線發(fā)生變化時(shí)及時(shí)調(diào)整開關(guān)狀態(tài)，從而造成了巨大的能源浪費(fèi)[1-6]。此外，由于路燈的布設(shè)環(huán)境復(fù)雜，布設(shè)地域廣，在發(fā)生故障時(shí)往往難以被路燈巡檢人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)[7]，這就造成了故障路燈難以及時(shí)得到修復(fù)，為人們的夜間出行帶來(lái)了安全隱患[8]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來(lái)越多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被運(yùn)用到各行各業(yè)之中[9]。路燈作為城市照明的基礎(chǔ)，直接影響著人們的生活質(zhì)量，所以，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種智能化路燈，在智慧城市的推進(jìn)過(guò)程中有著重要的作用[10-12]。為了解決目前路燈設(shè)備存在的智能化程度低、人力資源需求高、能源浪費(fèi)大、檢修效率低等問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一種基于STM32的路燈智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)光照強(qiáng)度、PM2.5等環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)光照強(qiáng)度和時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)開關(guān)路燈操作，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路燈的工作狀態(tài)。此外，該系統(tǒng)能夠通過(guò)4G無(wú)線傳輸方式與上位機(jī)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸及遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

路燈智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)主要由六個(gè)部分組成，分別是MCU、環(huán)境信息采集模塊、路燈控制模塊、故障檢測(cè)模塊、無(wú)線通信模塊和上位機(jī)管理模塊。其中，MCU為主控制器，是系統(tǒng)的核心模塊，環(huán)境信息采集模塊負(fù)責(zé)采集各類環(huán)境數(shù)據(jù)，路燈控制模塊負(fù)責(zé)控制路燈的開關(guān)，故障檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)對(duì)路燈運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，上位機(jī)管理模塊是用戶可視化的展示與控制界面。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

在系統(tǒng)工作時(shí)，環(huán)境信息采集模塊將采集到的環(huán)境信息上傳到MCU中進(jìn)行分析處理，然后MCU根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)對(duì)是否需要打開或關(guān)閉路燈進(jìn)行判斷，并通過(guò)路燈控制模塊對(duì)路燈執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。故障檢測(cè)模塊對(duì)路燈的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)到故障時(shí)及時(shí)向MCU發(fā)送故障信息。MCU將各模塊上傳的信息進(jìn)行打包封裝后通過(guò)無(wú)線通信模塊上傳到上位機(jī)端。同時(shí)，上位機(jī)也可向下位機(jī)發(fā)送控制指令使下位機(jī)完成參數(shù)的設(shè)置或執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。

2 路燈監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機(jī)作為系統(tǒng)的MCU，外圍模塊包括環(huán)境信息采集模塊、路燈控制模塊、故障檢測(cè)模塊及無(wú)線通信模塊。該硬件系統(tǒng)可直接嵌入現(xiàn)有路燈系統(tǒng)，對(duì)已有的路燈設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造。路燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

2.1 環(huán)境參數(shù)采集模塊的硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境參數(shù)采集模塊包括光照強(qiáng)度傳感器和PM2.5傳感器。光照強(qiáng)度傳感器使用的是BH1750FVI數(shù)字光度計(jì)，PM2.5傳感器使用的是SDS011激光型PM2.5傳感器。由于傳感器的放置位置與MCU的距離較遠(yuǎn)，普通的TTL信號(hào)容易出現(xiàn)衰減和干擾，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性及穩(wěn)定性，系統(tǒng)中對(duì)這兩種傳感器進(jìn)行了二次開發(fā)，即在傳感器上設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊。

光照傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊的處理器使用的是STC15W404AS，在該模塊中使用單片機(jī)的串口1進(jìn)行下載和仿真，串口2通過(guò)RS485總線接收STM32所發(fā)送的采集指令，并將封裝好的傳感器數(shù)據(jù)幀發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊，串口3通過(guò)IIC總線接收BH1750傳感器采集的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

PM2.5的數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)與光照類似，主要功能是通過(guò)RS485總線接收MCU的采集指令，并對(duì)傳感器采集的TTL信號(hào)進(jìn)行打包處理后轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào)發(fā)送給MCU。

2.2 路燈控制模塊的硬件設(shè)計(jì)

路燈控制模塊通過(guò)MCU的IO口控制固態(tài)繼電器的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)路燈的開關(guān)操作。因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)路燈使用電源為220 V的交流電，工作電流在3 A以內(nèi)，所以該系統(tǒng)選取了控制電壓為3～32 VDC，控制電流為5～20 mA，負(fù)載電壓為12～480 VAC，輸出電流為10 A的直流控交流固態(tài)繼電器作為控制器，經(jīng)測(cè)試，該固態(tài)繼電器能夠滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的要求。

由于單片機(jī)引腳輸出電流的限制，直接輸出電平“1”時(shí)無(wú)法正常驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，所以系統(tǒng)使用一個(gè)5 V電源引腳和一個(gè)STM32F103ZET6的PD12引腳作為固態(tài)繼電器的輸入引腳。當(dāng)PD12引腳輸出高電平時(shí)，固態(tài)繼電器控制端的兩個(gè)引腳都為高電平，無(wú)電流通過(guò)，繼電器負(fù)載端斷開，路燈供電電路形成斷路，路燈處于關(guān)閉狀態(tài)；反之，PD12輸出低電平時(shí)，繼電器負(fù)載端連通，路燈供電電路閉合，路燈開啟。

2.3 故障檢測(cè)模塊的硬件設(shè)計(jì)

故障檢測(cè)模塊的主要功能為檢測(cè)路燈是否能夠正常打開或關(guān)閉，并在路燈出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)將故障信息上傳到上位機(jī)端，以便檢修人員及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)路燈正常點(diǎn)亮?xí)r，路燈供電電路的電流在2 A～3 A之間，所以該模塊使用了電流互感器和電磁繼電器對(duì)路燈電路中的電流是否達(dá)到了正常范圍進(jìn)行檢測(cè)。電流互感器感應(yīng)到路燈電路中的電流后，經(jīng)過(guò)1 000倍的縮小后驅(qū)動(dòng)電磁繼電器閉合，從而使電磁繼電器負(fù)載端輸出一個(gè)5 V高電平，STM32的PD13引腳只需檢測(cè)該電平的高低狀態(tài)即可判定當(dāng)前路燈的開關(guān)狀態(tài)。通過(guò)系統(tǒng)軟件中的路燈開關(guān)燈標(biāo)志與實(shí)際路燈開關(guān)狀態(tài)的比較，即可對(duì)路燈設(shè)備是否出現(xiàn)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。

2.4 數(shù)據(jù)通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)通信模塊采用了4G無(wú)線通信方式來(lái)保證路燈設(shè)備下位機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，4G模塊選取了USR-G770 DTU，MCU與4G DTU之間設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)通信接口電路，用以進(jìn)行不同信號(hào)類型之間的轉(zhuǎn)換。MCU在與4G DTU進(jìn)行通信時(shí)，首先通過(guò)SP3232芯片將串口的TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS232信號(hào)，然后發(fā)送給4G DTU，最后由4G DTU將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)端。4G DTU在工作時(shí)使用透?jìng)髂Ｊ?，傳輸遵循TCP協(xié)議。數(shù)據(jù)通信接口電路原理如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)通信接口原理

2.5 處理器模塊的硬件設(shè)計(jì)

處理器模塊采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6單片機(jī)作為MCU，它的最高工作頻率為72 MHz，SRAM可達(dá)64 KB，有5個(gè)串口、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)IIC、3個(gè)ADC(12位)、3個(gè)SPI、2個(gè)DMA控制器等資源[13-15]。

該模塊作為路燈故障監(jiān)測(cè)及智能控制系統(tǒng)的核心，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、接收與傳輸數(shù)據(jù)、發(fā)送控制指令等操作。該模塊設(shè)計(jì)時(shí)使用了一個(gè)64K的非易失性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器FM24CL64，該芯片可以用總線速度進(jìn)行讀寫，用于保存用戶設(shè)置的參數(shù)數(shù)據(jù)，以便在重啟后能夠快速自動(dòng)恢復(fù)斷電之前的工作狀態(tài)。另外，在與傳感器連接的接口電路中，使用了MAX485芯片進(jìn)行TTL信號(hào)到RS485信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)RS485總線與光照強(qiáng)度傳感器和PM2.5傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊相連接，用于發(fā)送采集指令和獲取傳感器返回的數(shù)據(jù)。

3 路燈監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

文中路燈智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要以下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)為主，其中包括環(huán)境參數(shù)采集程序、路燈智能控制程序、故障檢測(cè)程序和數(shù)據(jù)通信程序四部分。

3.1 核心處理器程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，進(jìn)行初始化操作，讀取鐵電存儲(chǔ)器的特定地址，檢測(cè)用戶是否已經(jīng)設(shè)置了起止時(shí)間、光照閾值等參數(shù)，若未檢測(cè)到參數(shù)信息，則將系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)寫入鐵電存儲(chǔ)器的相應(yīng)地址中。若系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)置了預(yù)設(shè)參數(shù)并處于自動(dòng)工作模式時(shí)，系統(tǒng)等待到達(dá)采集時(shí)間的時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)?shù)竭_(dá)采集時(shí)間時(shí)，MCU向光照強(qiáng)度傳感器和PM2.5傳感器發(fā)送采集指令，并將傳感器返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和存儲(chǔ)，之后系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次時(shí)鐘中斷喚醒。為了能夠得到更加準(zhǔn)確的環(huán)境信息，系統(tǒng)在采集完12次信息之后，對(duì)本組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值、最大值、最小值和總值的計(jì)算，并以光照的平均值作為本組光照數(shù)據(jù)的代表值與之前設(shè)置的光照閾值進(jìn)行比較，當(dāng)光照均值小于光照閾值時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為光照度不足，隨后將PD12引腳置為0，使繼電器負(fù)載端導(dǎo)通，從而打開路燈，當(dāng)光照均值大于光照閾值時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為光照度充足，隨后將PD12引腳置為1，使繼電器負(fù)載端斷開，從而關(guān)閉路燈。在12組數(shù)據(jù)采集完畢后，最后將計(jì)算處理后本組環(huán)境數(shù)據(jù)與路燈開關(guān)狀態(tài)標(biāo)志通過(guò)4G DTU上傳到上位機(jī)端，然后等待下一次的時(shí)鐘中斷喚醒。自動(dòng)控制程序流程如圖4所示。

圖4 自動(dòng)控制程序流程

在故障檢測(cè)方面，當(dāng)MCU控制路燈的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化后或達(dá)到數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)讀取與電流互感器相連接的PD13的引腳狀態(tài)，若為高電平時(shí)則代表路燈電路中存在足夠的電流，路燈處于正常打開狀態(tài)，反之，則路燈處于熄滅狀態(tài)。用該引腳的高低電平狀態(tài)與系統(tǒng)的設(shè)置狀態(tài)相比較，即可判斷出路燈是否出現(xiàn)了故障，若出現(xiàn)故障，則將故障標(biāo)志置為1，隨后將路燈電路狀態(tài)及是否有故障標(biāo)志發(fā)送到上位機(jī)端。故障檢測(cè)程序流程如圖5所示。

圖5 故障檢測(cè)程序流程

當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)工作模式時(shí)，系統(tǒng)工作流程與自動(dòng)模式大致相同，不同點(diǎn)在于手動(dòng)模式下系統(tǒng)不會(huì)根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)自動(dòng)打開和關(guān)閉路燈，而是一直等待上位機(jī)的指令，按照上位機(jī)所發(fā)送的指令進(jìn)行開關(guān)路燈的操作。

3.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

路燈智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中通信協(xié)議涉及到前端數(shù)據(jù)采集控制器與上位機(jī)的通信。采集的環(huán)境參數(shù)有光照強(qiáng)度和PM2.5兩種，設(shè)置操作包括模式選擇、手動(dòng)開關(guān)控制、光照閾值設(shè)置、時(shí)間段設(shè)置等，讀取操作包括當(dāng)前傳感器數(shù)據(jù)讀取、工作模式讀取、已設(shè)置光照閾值讀取、已設(shè)置時(shí)間段讀取、當(dāng)前路燈實(shí)際狀態(tài)(路燈開關(guān))等。

字節(jié)的串行傳送格式：1位起始位；8位數(shù)據(jù)位；1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。字節(jié)存放順序采用小端模式，即低字節(jié)存放于低位地址，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。

幀是傳送信息的基本單元，在該系統(tǒng)中，每幀由幀起始符、地址域、控制域、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域、數(shù)據(jù)域、幀信息校驗(yàn)域及幀結(jié)束符等7個(gè)域組成。幀格式如表1所示。

表1 通信協(xié)議中的幀格式

STA表示幀起始符，用作標(biāo)識(shí)一幀信息的開始。AD表示地址域，標(biāo)識(shí)當(dāng)前收(發(fā))設(shè)備的地址。C表示控制域，代表要求執(zhí)行的操作。LEN表示長(zhǎng)度，代表數(shù)據(jù)域中的字節(jié)總數(shù)。DATA表示數(shù)據(jù)域，代表需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。CRC表示校驗(yàn)碼，采用CRC-16循環(huán)冗余校驗(yàn)，校驗(yàn)內(nèi)容為AD、C、LEN和DATA。END表示幀結(jié)束符，標(biāo)識(shí)一幀信息的結(jié)束。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)試驗(yàn)，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，路燈控制及時(shí)有效，未出現(xiàn)誤操作現(xiàn)象，所以系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。上位機(jī)光照數(shù)據(jù)查詢界面如圖6所示。

圖6 光照強(qiáng)度查詢界面

重點(diǎn)介紹了基于STM32的路燈智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的下位機(jī)部分，該系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機(jī)作為核心處理器，功能模塊主要包括環(huán)境參數(shù)采集模塊、路燈智能控制模塊、故障檢測(cè)模塊和數(shù)據(jù)通模塊四個(gè)部分，可以實(shí)時(shí)采集光照強(qiáng)度和PM2.5數(shù)據(jù)，并根據(jù)光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱來(lái)自動(dòng)開關(guān)路燈，此外，在路燈發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)向上位機(jī)端自動(dòng)發(fā)送故障報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了路燈的智能化控制，節(jié)省了大量的人力資源和電力資源，具有良好的實(shí)用價(jià)值。