基于STC12C5A60S2的智能路灯系统

　　智能路灯

　　智能路灯又叫智能化路灯，或者智慧路灯、智慧照明，是采用物联网和云计算技术，对城市公共照明管理系统进行全面升级，实现路灯集中管控、运维信息化、照明智能化。

　　目前广州中国科学院软件应用技术研究所（简称“广州软件所”）在这领域处于国际领先水平，在国内有大量的实施案例。由于传统路灯的弊端：如能源浪费严重、管理手段单一、信息化水平低下、缺乏故障主动报警机制、故障灯位置难以发现等一系列问题。近几年来国内很多城市都已经开始采用智能路灯技术，对传统路灯进行改造。仅2012年的《广东省推广使用LED照明产品实施方案》就提出：广东全省道路、公共场所、政府机关、国有企事业单位等财政或国有资本投资建设的照明工程以及南沙、前海、横琴等新规划建设的新区要求一律使用LED照明产品，根据方案，珠三角地区要力争在2013年底前，东西北地区在2014年底前，普及LED公共照明，带动全社会普及LED照明，实现全省同比口径下照明节能50%以上。智能路灯大有可为。

　　随着社会经济的迅速发展，城市路灯的电能消耗大，利用率低，效能不高。而随着人们的环保节能意识的逐渐增强，提供一种减少照明时间并且节约用电，而且还可以降低管理支出的智能型路灯对城市建设显得极为重要。因此路灯采用光能发电，采用低功耗高亮度的LED灯，运用ESP8266WIFI模块进行系统的组网的控制，实现手机或者其他移动平台的控制。此方式解决了传统路灯控制方式不灵活、管理维护困难和电能资源浪费的实际问题，具有网络覆盖面广、系统运行可靠、抗干扰能力强等优点，为路灯管理提供高效实用的解决方案。整个的系统方案设计是由远程通信网络作为基础，为路灯控制管理提供了先进实用的解决方案，可实现路灯节能控制系统的智能化、信息化、低成本的目标，对改善路灯管理，提高节能控制成效有着重要的现实意义。

　　 系统设计

　　本系统采用宏晶科技公司产的STC12C5A60S2的单片机芯片作为主控芯片，采用2路HC-SR501红外人体传感器实现覆盖270度的探测范围。路灯主电源采用一面单晶硅高效率太阳能板发电板，结合锂电蓄电池组，升降压供电模块，可满足控制板及路灯主体供电需求。

　　外部电源设计

　　太阳能采光电路采用一路步进电机转轴连接太阳能板，并运用两路光强采样模块，实时跟踪太阳光强，同时驱动电机随太阳转动，保证采光效率最大化。

　　内部电源设计

　　蓄电池采用ANJING公司的12V7AH电池，通过一路LM2596降压电路将12V降为5V，供STC12单片机以及ESP8266模块工作，另一路采用XL6009升压电路将12V升为18V供路灯驱动电路工作。

　　光线强度采样电路

　　光线强度采样电路主演采用龙信达LXD3537B，其灵敏度高，工作稳定，响应光谱在350nm到750nm，配合10K分压电阻及滤波电阻组成，通过STC12单片机得AD采样端口读出采样点电压，并计算出光强。

　　系统硬件设计

　　每个路灯模组的硬件包括8266WIFI模块，太阳能发电模块，蓄电池供电模块STC12单片机中控模块，LED驱动电路模块及路灯实体六个模块组成。系统硬件结构设计图如图1所示。

　　

　　图1

　　STC12C5A60S2单片机为宏晶科技公司开发的单时钟单片机，是高速。低功耗，抗干扰超强的新一代单片机。内部集成2路PWM，8路高速10位A/D转换（转换速度可达250KB/S）。片上集成1280字节RAM。其工业级工作温度范围-40～+85C。

　　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，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。ESP8266硬件接口非常丰富，可支持UART、IIC、PWM、GPIO、ADC等，适用于各种物联网应用场合。最大传输速率为：460800bps。ESP8266支持STA/AP/ STA+AP三种模式。

　　LED电源驱动电路：

　　本智能路灯系统采用恒流驱动方式，选用集成驱动芯片GM9910B进行驱动路灯工作。GM9910B是一款平均电流模式而且恒定控制的IC芯片。使用降压拓补结构来驱动LED路灯。GM9910B输出电流精度可达+/-3%，无需回路补偿或侧面电流感应，该IC芯片的特色在于其通过间断模式（HICCUP-MODE）电流限制来实现LED路灯短路保护，线性调光输入和可输出PWM调光策略。GM9910B允许10-500V的宽电压输入，大于90%的效率。输出电流由10MA-1A以上。工作频率可达300KHZ。

　　 系统调光控制

　　路灯自检

　　路灯自检体系指到路灯开启时间段后，路灯亮度不足或无法亮起，自检体系开始工作。自检系统自动检测来自LED路灯光源的光强信号，当光强低于设定值时，可判定路灯已无法正常工作，并反馈故障信息。

　　

　　 自主调光

　　路灯正常通电工作后，系统可预设光路灯常亮值（默认PWM输出占空比为30%）。

　　当环境光强度小于50LUX时，路灯系统正常通电工作。

　　当环境光强度在50-150LUX时，路灯系统采用PWM调光方式。

　　当路灯系统感应人体经过时，系统输出PWM占空比为70%，并长亮至人体信号消失。

　　当环境光强大于300LUX时，路灯系统关闭，太阳能发电系统正常工作。

　　系统软件设计

　　 系统组网设计

　　路灯是整个路灯控制的核心节点。ESP8266模组负责上位机与控制核心（STC12C5A60S2单片机以及其他驱动模块）的指令连接。首先，系统默认初始化上位机操作端和节点控制端，并由ESP8266模块自行组织客户端与子服务端实现总-分连接。随后程序进入中断循环，并实时检测是否有来自上位机操作端的指令数据，并根据外界环境实现自我控制。

　　 路灯终端程序设计

　　路灯终端是为了实现各子部分信息的传递。路灯光线采集控制，来自上位机操作端的控制，自我控制。路灯自行加入控制网络，并监听指令信息，同时进入中断循环。

　　 操作软件设计

　　上位机控制软件是基于JAVA编写而成的操作端，通过互联网通信协议并结合安信可公司的ESP8266模组，构成通讯网络结点。上电时，路灯系统控制端自动初始化并搜索连接路灯系统控制节点。同时，STC12单片机发送指令启动ESP8266模组。连接成功后，操作端可发送指令进行实时控制。

　　结束语

　　系统经测试各路灯系统节点之间0.1KM以上可视范围之间数据传输，运行状态良好。路灯运用了先进的路由搭网技术的智能路灯系统，并实现低成本的控制，不仅免去路灯布线以及搭线的安装成本，采用高效率的太阳能发电系统，大容量蓄电池，大大节约电能的同时更加绿色环保，其高效的驱动系统，提高了能源的利用率。智能路灯系统的控制终端可由手机端控制，解决了现有系统路灯的控制平台的不便，并实现自动调光，故障报警的多功能，具有应用价值和推广前景。