一种提高电磁兼容性的智慧路灯控制系统

武忠鑫，朱金荣，黄 赟，张剑云，朱 颖

（扬州大学 物理科学与技术学院，江苏 扬州 225002）

该系统主要由智慧路灯控制器、云平台和客户端组成。智慧路灯控制器是4G无线通信的终端控制节点，主要用来控制一排路灯的状态，这样可以节约每个路灯都配备一个控制器的成本。一组局域网由一排路灯和一个智慧路灯控制器构成。整个无线传感网络之间通过4G网络进行通信，智慧路灯控制器将采集到的数据上传到云平台上，由云平台器再发送至客户端，手机或者电脑均可作为客户端接收或发送数据。云平台信息管理人员可以通过接收到的数据对系统所连接区域内路灯状态进行查看和控制[2]。该系统将对路灯的状态进行持续检测，若有某处出现故障，智慧路灯控制器将会立即将该信息上传到云平台，同时会将具体的故障路灯信息一并上传，信息管理人员可依据收到的故障消息做出相应的解决措施。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体方案示意图

该系统硬件设备主要为智慧路灯控制器，它是整个系统的核心部分。主要功能为：采用4G无线通信接收云平台的控制信号监控路灯的工作情况，并且能够采集实时电量数据，通过多种方式便捷地控制路灯的开关状态，分别为：通过线缆短距离控制、通过遥控器控制或者通过板端按键方式控制[3]。该系统硬件电路主要包括电磁兼容电路、电源电路、电量采集电路以及主控电路。

2.1 电磁兼容电路

该系统在电源入口端增加了一套完备的电磁兼容电路，可以从电源入口端抑制电磁干扰。具体电路如下：电路输入端依次连接保险丝、压敏电阻、空气放电管、电感、电容以及共模电感电路。电源电路入口接保险丝，起到过载保护的作用；
压敏电阻起到雷击浪涌保护作用；
电感及X电容衰减了电路中的串模噪声，共模电感及Y电容衰减了电路中的共模噪声。这些设计提高了整个电路的抗干扰能力，从而衰减电网中的脉冲冲击电压，防止其损坏智慧路灯设备的电路，从而保证智慧路灯设备电路能够正常工作。具体原理图如图2所示。

图2 电磁兼容电路图

2.2 电源电路

电源电路部分设计采用低压降线性稳压器，它的优点是价格低廉、纹波噪声低、静态电流较小。输出电压为5 V和3.3 V，5 V输出端增加电源指示灯[4]。

2.3 电量采集电路

电量采集电路主要负责采集电压、电流以及电量。电量采集模块的设计主芯片采用RN7302，该芯片可提供过压、过流检测以及电压暂降检测，具有7路ADC瞬时同步采样，便于谐波分析。由于本系统为220 V单相电压供电，A相电压采样的值为火线和零线的电压，所以设计时将B相和C相电压采样用零欧姆电阻连接到A相电压采样脚，这样可以正确计算电量。电流采样部分为3个外部输出220 V的电流值，具体原理图如图3所示。

图3 电量采集电路图

2.4 主控电路

整个控制系统的核心即为主控电路，主控电路主要包括单片机工作最小系统（复位电路和仿真下载电路）、LED电路、按键电路、继电器开关电路、外部输入电路、温湿度采集电路、蓝牙模块、4G无线通信模块及W5500网口模块。主控电路的主要外围电路如图4所示[5]。

图4 主控电路示意图

2.4.1 MCU最小系统

1.3.5 药剂防治 发病后可用特效病毒净1000倍液，或20%病毒灵悬浮剂1500倍液，或5%病毒酰胺乳油1500 倍液，或5%病毒菌克水剂800倍液，或1.5%植病灵乳油1000 倍液交替施用，具有较好的防治效果。

本系统使用的MCU是STM32F103RCT6。该单片机为32位，工作频率可以达到72 MHz，可以很高效、快速地完成实时任务[6]。该单片机的供电电压范围为2~3.6 V，相对较宽的供电范围在供电电压有波动时也不会对整个系统造成影响。为了降低功耗，用户可以管理时钟分配到CPU和各种外设，同时还具有无干扰、迅速的时钟切换和预分频[7]。STM32F103RCT6还有一个外设时钟门，可以控制外设的时钟开/关。

2.4.2 LED电路和按键电路

LED指示灯主要包括电源指示灯、继电器开关状态指示灯和通信状态指示灯等[8]。按键电路主要是通过按键来控制继电器的开关状态，此电路通常用于操作人员现场控制。

2.4.3 外部输入电路和温湿度采集电路

外部输入电路的作用：操作人员通过线缆可短距离控制路灯的开关状态[9]。由光耦将外部和内部的信号隔离，防止外部信号异常对该设备造成不可逆的影响。

该系统选用经典的温湿度传感器DHT11进行温湿度采集，DHT11数字温湿度传感器不仅性能稳定而且价格低廉，用于大批量生产整个控制板可以降低成本。

2.4.4 蓝牙模块和4G无线通信模块

MCU主芯片通过串口外接蓝牙模块和4G无线通信模块。蓝牙模块的作用：当智慧路灯使用过程中遇到需要修改IP地址、设备号以及开关状态等数据时，维修人员可以用手持遥控器近距离直接对以上数据进行修改，省去了单个设备要在云平台进行维护的繁琐[10]。4G通信模块主要作用是将采集到的传感器数据及继电器开关状态等数据传输至云平台服务器。

2.4.5 W5500网口模块

W5500网口模块是上位机软件与智慧路灯控制器之间的通信桥梁[11]，W5500支持高速标准，速率可以达到80 MHz，通过4线SPI接口与主机进行通信，W5500以太网通信模块需要外部连接25 MHz晶振电路，可以为整个系统提供时钟。

3.1 主控电路程序设计

主控电路用来协调4G通信模块、蓝牙模块、网口模块、信息采集模块等模块的协同工作[12]。系统供电启动运行后，软件程序首先进行各个功能模块的初始化，接下来判断程序是否连接服务器，然后将传感器测量的数据周期性地上传给服务器[13]。若服务器连接不成功，则持续与服务器进行连接，直至成功为止。主控模块控制流程图如图5所示。

图5 主控模块控制流程图

3.2 4G通信模块程序设计

系统主要功能是通过4G无线通信模块使用MQTT协议和服务器控制平台进行远程互联[14]，定时将整个控制系统的所有开关状态以及采集数据上传，并等待服务器控制平台的命令和执行相应动作[15]。4G通信模块连接服务器的逻辑图如图6所示。

图6 4G通信模块连接服务器逻辑图

智慧路灯控制系统实物图如图7所示。按照整体设计要求，分别对整个系统完成了硬件及软件的联调工作。主控电路能够根据云平台的要求控制继电器的开关状态。

图7 智慧路灯控制系统实物图

最后将整个系统进行传导骚扰对比测试，以此来验证电磁兼容电路的效果。

测试标准选择CISPR11，CISPR11指的是国际无线电干扰特别委员会所制定的编号为CISPR11的EMC标准。测试条件为电源入口输入220 V/50 Hz的交流电。测试结果如图8、图9所示，横坐标代表频率，单位为MHz；
纵坐标代表传导骚扰的电压，单位为dB；
两条标志线代表测试标准。

图8 无电磁兼容电路条件测试结果图

图9 有电磁兼容电路条件测试结果图

从两幅图中可以明显看出，增加电磁兼容电路可以大幅度抑制干扰。

本文研究并设计一种提高电磁兼容性的智慧路灯控制系统。对智慧路灯控制系统的硬件和软件进行了完整的设计，增加了电磁兼容电路的智慧路灯系统功能较为完备，通过路灯终端设备与云平台相配合最终对路灯进行智能控制。

注：本文通讯作者为朱金荣。