（東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，南昌330013）

伴著社會(huì)的發(fā)展與城市化，城市道路交通安全、城市公共照明系統(tǒng)與燈飾美化系統(tǒng)越來(lái)越受到關(guān)注，這不僅關(guān)系到城市夜間景觀的亮化與美化，更關(guān)系到市民出行的安全性。目前，城市的智能化發(fā)展趨勢(shì)對(duì)道路照明系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的要求，逐漸向著智能化管理、精細(xì)化控制等方向發(fā)展[1-3]。傳統(tǒng)的路燈控制方式單一，功能簡(jiǎn)單，監(jiān)控效率低下，無(wú)法滿足當(dāng)前的路燈照明管理的要求[4-6]。故在此設(shè)計(jì)了一種亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)的智能路燈系統(tǒng)，通過(guò)窗口濾波與Kalman 濾波器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平滑，由PID控制器實(shí)現(xiàn)亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)具有環(huán)境亮度檢測(cè)，LED 亮度控制以及遠(yuǎn)程通訊控制的功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

所設(shè)計(jì)的基于PID控制算法的智能路燈亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括BH1750 亮度傳感器，PT4115 驅(qū)動(dòng)模塊，LED 燈，DS1338時(shí)鐘模塊，nRF24L01 無(wú)線通訊模塊，TFT 彩色屏幕，編碼器，按鍵輸入及MCU 控制器。其中，BH1750 亮度傳感器模塊檢測(cè)環(huán)境亮度，將采集到的亮度數(shù)據(jù)通過(guò)I2C 總線傳遞給MCU 控制器作為控制LED 亮度的依據(jù)；PT4115 驅(qū)動(dòng)模塊為恒流驅(qū)動(dòng)器，接收PWM 信號(hào)進(jìn)行LED 亮度控制；DS1338時(shí)鐘模塊保存并計(jì)算時(shí)間，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的時(shí)間更新；nRF24L01 無(wú)線通訊模塊將實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，在無(wú)線鏈路上傳遞控制數(shù)據(jù)與系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)；TFT 彩色屏幕顯示路燈系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能的交互。系統(tǒng)組成及連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 System overall design

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 亮度檢測(cè)單元

亮度檢測(cè)單元采用BH1750 芯片，使用I2C 接口作為數(shù)字信號(hào)傳輸接口，內(nèi)部具有16 bit 的ADC轉(zhuǎn)換器，能將內(nèi)部的光電二極管采集到的亮度信號(hào)快速地轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行傳輸，測(cè)量范圍為1～65535 lx，精度最小可達(dá)到0.5 lx，最快轉(zhuǎn)換速度為16 ms。BH1750 的內(nèi)部框圖如圖2所示，與MCU 接口如圖3所示。

圖2 BH1750 內(nèi)部框圖Fig.2 Internal block diagram of BH1750

圖3 BH1750 與MCU 接口Fig.3 Interface between BH1750 and MCU

2.2 LED 驅(qū)動(dòng)單元

LED 驅(qū)動(dòng)單元選擇PT4115為驅(qū)動(dòng)芯片。為實(shí)現(xiàn)LED 照明色溫穩(wěn)定，需要采用PWM 的方式來(lái)調(diào)光。其中，調(diào)光用PWM 的控制頻率必須遠(yuǎn)小于LED驅(qū)動(dòng)器電流環(huán)的控制頻率，否則會(huì)造成色溫與亮度的不穩(wěn)定。PT4115 在LED 陽(yáng)極放置采樣電阻，采用差分放大，實(shí)現(xiàn)電流的檢測(cè)，采用Buck 拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)降壓橫流功能，輸出電流連續(xù)輸出紋波小，通過(guò)調(diào)節(jié)陽(yáng)極采樣電阻來(lái)設(shè)定工作時(shí)的平均電流。同時(shí)

PT4115 支持在DIM 腳輸入PWM 信號(hào)進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。其電路如圖4所示。

圖4 PT4115 驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 PT4115 driver circuit

2.3 通訊單元

通訊單元選用NR-01-S 2.4G 模組作為系統(tǒng)通訊模塊，模組采用DIP-8 封裝尺寸，以NORDIC 公司的nRF24L01+單片2.4 GHz 傳輸芯片作為通訊芯片。該芯片載波頻率為2.4 GHz 公共頻譜，在符合國(guó)家規(guī)定的發(fā)射功率情況下，任何組織或個(gè)人都可以免費(fèi)自由地使用；支持1.9～3.6 V 供電電壓范圍，支持帶自動(dòng)應(yīng)答的發(fā)送模式。nRF24L01 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，與MCU 接口如圖6所示。

2.4 MCU 控制單元

圖5 nRF24L01 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Internal structure block diagram of nRF24L01

圖6 nRF24L01 與MCU 接口Fig.6 Interface between nRF24L01 and MCU

MCU（microprogrammed control unit）控制單元選擇LQFP100 封裝的STM32F103VET6 單片機(jī)。該款單片機(jī)采用Cortex-M3 內(nèi)核，具有72 MHz 的內(nèi)核運(yùn)行時(shí)鐘頻率，接口豐富，能有效滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。其最小系統(tǒng)電路如圖7所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主要程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，先配置各項(xiàng)寄存器，初始化包括亮度傳感器在內(nèi)的外設(shè)芯片，為接下來(lái)循環(huán)的數(shù)據(jù)收發(fā)做好準(zhǔn)備；循環(huán)采集亮度數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)，執(zhí)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信，獲取其它節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息及控制數(shù)據(jù)；檢測(cè)按鍵是否按下，如按鍵按下則進(jìn)入手動(dòng)數(shù)據(jù)配置頁(yè)面，進(jìn)行手動(dòng)的參數(shù)調(diào)整與節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)控制；根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)和采樣濾波獲取的亮度數(shù)據(jù)值，對(duì)LED燈進(jìn)行PID控制。系統(tǒng)主流程如圖8所示。

3.2 亮度采集與濾波

使用BH1750 采集亮度，對(duì)于采集的數(shù)據(jù)串聯(lián)使用窗口濾波和一維Kalman 濾波器。其中，Kalman濾波器迭代公式[7-8]為

圖7 最小系統(tǒng)原理Fig.7 Minimum system schematic

圖8 系統(tǒng)主流程Fig.8 Main flow chart of the system

式中：R為誤差協(xié)方差；K（k）為k時(shí)刻Kalman 增益；Z（k）為k時(shí)刻系統(tǒng)觀測(cè)值；X（k|k）為k時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)；P（k+1|k）為k時(shí)刻對(duì)k+1時(shí)刻的估計(jì)誤差協(xié)方差。

3.3 亮度控制

當(dāng)采集到亮度數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波處理之后，將獲得的亮度數(shù)據(jù)與預(yù)期值進(jìn)行比較，然后采用離散化PID控制器進(jìn)行亮度控制。同時(shí)，添加積分分離、抗積分飽和、梯形積分、微分先行這4種離散PID的改進(jìn)方法，去除由于離散化帶來(lái)的偏差。PID的增量表達(dá)式構(gòu)成的遞推公式[9-10]為

式中：KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)；e（k）為k時(shí)刻偏差；y（k）為k時(shí)刻被控量；r（k）為k時(shí)刻系統(tǒng)給定。

3.4 通訊協(xié)議

采用的nRF24L01 芯片使用SPI 通訊接口，可以實(shí)現(xiàn)10 Mb/s 的通訊速率。利用其通訊能力，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)快速輕量的通訊協(xié)議。通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)包主要包括幀頭、狀態(tài)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)、通信控制和數(shù)據(jù)校驗(yàn)等五部分。詳細(xì)的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 通訊數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)Fig.9 Communication packet structure

4 系統(tǒng)調(diào)試分析

4.1 亮度采集測(cè)試

亮度數(shù)據(jù)采用滑動(dòng)窗口濾波器與Kalman 濾波器對(duì)采集到的亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，再將濾波后的亮度數(shù)據(jù)送至PID控制器進(jìn)行運(yùn)算后，返回控制值驅(qū)動(dòng)LED 實(shí)現(xiàn)照明亮度的穩(wěn)定。其中，窗口濾波器的滯后周期與窗口大小正相關(guān)，即窗口大小近似等于濾波器的滯后周期。同時(shí)采取不同窗口大小的濾波器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，效果如10所示。故選擇2個(gè)窗口大小即可較好實(shí)現(xiàn)濾波效果。

圖10 窗口大小與濾波效果Fig.10 Window size and filter effect

對(duì)于Kalman 濾波器，采用一維條件下的近似處理，將狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣參數(shù)設(shè)為1，過(guò)程噪聲協(xié)方差設(shè)定為1E-5，其在不同R值條件下系統(tǒng)的滯后周期和數(shù)據(jù)方差如圖11所示，最后選擇1E-4 作為濾波參數(shù)。

圖11 不同R值下響應(yīng)滯后和數(shù)據(jù)方差Fig.11 Response lag and data variance at different R values

4.2 亮度控制測(cè)試

在不同PID 參數(shù)下，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間與超調(diào)量不同。部分條件下給定亮度為900 lx時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)的比較如圖12所示。其中，

參數(shù)1 中P=2，I=0，D=0；

參數(shù)2 中P=1，I=0，D=0；

參數(shù)3 中P=0.5，I=0.25，D=0。

圖12 不同參數(shù)下的系統(tǒng)響應(yīng)Fig.12 System response under different parameters

選擇參數(shù)3時(shí)，系統(tǒng)基本無(wú)超調(diào)，且響應(yīng)周期為1，實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)的快速性與穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的基于PID控制算法的智能路燈亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以STM32 作為控制核心，采用BH1750亮度傳感器配合串口濾波器與Kalman 濾波算法實(shí)現(xiàn)亮度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集，通過(guò)PT4115 驅(qū)動(dòng)LED 燈珠并結(jié)合PID控制器實(shí)現(xiàn)了快速的亮度控制，而且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線通訊功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，整定后的參數(shù)能夠很好的滿足系統(tǒng)的性能需求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。