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摘 要：项目组在现有的城市道路路灯系统的基础上添加了雾霭监测设备，同时采用智能化的管理系统在节约能源节约的基础上，满足人民生活需求的科学解决办法。项目组依托灯联网技术，以社会照明系统为背景，改革城市公共照明系统为核心设计了这一款智能光控灯。其由AT89C52为中心控制器，由电源、按键、环境明暗检测装置、雾霾检测装置组成。将ADC0804采集到的模拟信号转成数字信号，最后利用DAC0832对光信号数据进行判断处理，实现照明系统根据光线强度自动调节。这是一款以尊重用户、创新重塑为理念构建出一款智能化、运行可靠和高效节能的路灯控制系统，将提高照明系统的用电效率和智能化程度。
关键词：灯联网；雾霭；监测；智能化
引言
随着我国城市化进程的快速发展，城市交通现代化随之提高，高速道路、快速路的修建，提高了人们出行的便捷性。研究表明，在路面照明条件良好的情况下，高速公路与城市的道路交通事故能降低30%左右，乡村道路的交通事故至少降低45%。随着工业化大幅度增长，造成环境不堪重负，全国上下大面积出现雾霾，虽然LED光源本着高效、节能、寿命长的特点取代了传统的钠灯，但是在雾霭的影响下对周边辐射环境作用收效甚微，道路照明再次面临新的挑战[1]。而灯联网作为物联网的一项具体应用指的是将无处不在的末端设备（智能灯具），通过通讯网络将各种不同距离的灯具实现互联互通，真正意义上发明一套高效率、低能耗的智能灯具控制系统[2]。项目组以STC12c5a60s2做為中心控制器，利用ADC0804把采集到的模拟信号通过使用光敏电阻和模数转换的方式转换成数字信号，最后利用DAC0832对采集到的时间和环境明暗程度进行判断并处理，将数字信号转换成电压模拟信号[3]，最终达到自动调控照明系统亮暗，从而使道路灯具面对复杂的环境做出对应的措施。
1 雾霾影响行车安全问题现状分析
雾霾，顾名思义即为雾和霾的统称。雾是由靠近地面大量的微小冰晶冰晶或水滴组成的气溶胶系统[4]。而霾，也被称为灰霾（烟雾），空气中的灰尘、硝酸、硫酸、有机碳氢化合物等悬浮的固态粒子亦能使大气混浊，造成能见度降低、视野模糊[5]。雾霾天气是一种大气污染后的状态，造成雾霾天气的“元凶”就是大家耳熟能详的PM2.5（直径小于等于2.5微米的颗粒物）。通过对国内外雾霾影响道路行车安全的历史研究与现状分析：国外雾霾天气出现较早，危害严重，常伴随重大人员伤亡事故发生。所以，国外对雾霾采取的应对措施在于根本治理，且态度坚决、手段强硬。反观我国的雾霾环境，出现较晚，且危害程度不同于国外能够直接致人死亡。应对雾霾的本质手段主要是靠防治，设立法律法规，加强信息公开，提倡使用新能源等措施。由国外发达国家的治理经验可知，雾霭的防治将是一个长期的过程，因此雾霭这种现象是短期内解决不了的，所以项目组对在雾霾影响下的道路照明进行研究，以求将雾霾引起的道路照明安全危害降低，减少行车安全事故。
2 系统设计总体设计
本文设计的智能路灯控制系统主要由STC12c5a60s2（51单片机）作为控制中心，雾霾检测仪、ADC0804（A/D转换器）、DAC0832（D/A转换集成芯片）、以及若干小灯泡等单元组成。51单片机：使用STC12c5a60s2这一款式作为中心控制器，负责整个控制系统的管理，包括整个工作模式的智能调节；显示存储单元：负责分析、执行监测中心的命令，自动控制照明系统，显示、存储对应的环境参数；环境参数采集：使用传感器（光敏电阻、雾霾传感器等），负责采集周边湿度、光照强度、雾霾等环境参数，并且将采集的数据通过存储单元显示及存储，每一个环境参数采集单元配一个显示存储单元；信号转换：使用ADC0804（A/D转换器）、DAC0832（D/A转换集成芯片），负责分析处理传感器传送过来的数据，先将模拟数据转换为数字信号，将光信号数据进行判断处理，最后传输给单片机，从而控制所有照明系统。
3 硬件设计
3.1中心控制器选型
所有兼容Intel 8051指令系统、带闪烁可擦除可编程的单片机统称为51单片机，这是一种高性能，低电压的CMOS 8位微处理器，在工业测控系统被广泛应用[6]。因为本系统需要对各个路灯进行实时的控制需要较多的接口，所以选用的是功能强大的STC12c5a60s2系列单片机作为本系统的中心控制器存储大量数据。STC12c5a60s2单片机是一款指令代码能完全兼容8051，速度更快，功能更强的新一代单片机，针对电机控制，强干扰场合都有良好的应用场景。由于STC12c5a60s2自带ADC转化系统，可以简化电路图。下图分别为传统51单片机（AT89C52）所需要的电路以及STC12c5a60s2系列所需要的电路（由于proteus中没有单片机模块和传感器模块与之相对应，所以单片机仍需由AT89C52替代，传感器则由滑动变阻器来替代）[7]：
3.2光强测量
通过光敏电阻同光强分布测试仪相结合，从而实现对环境明暗程度的检测。环境明暗检测模块工作原理即当照射在光敏电阻上的光线亮度发生变化时，光敏电阻的阻值也随之相应的发生变化，其变化趋势为光线变强阻值减小，反之亦然。光强分布测试仪得到的电压值随光线的变强而减小，将得到的电压信号转换成数字信号，并通过特定的操作送给单片机进行处理。如此便实现光敏电阻感受环境明暗的变换，继而向模拟信号转换，最终转换成数字信号，使系统能对环境明暗程度间接的进行相应的分析并处理。系统所选光敏电阻的亮电阻阻值在2K至10K之间变化，所以选择阻值为10K的电阻R8同光敏电阻串联连接形成分压电路。
3.3基于折射率变化的雾霾检测仪
由光子晶体的缺陷模理可知，由单负材料组成的含有缺陷层的一维光子晶体结构中的缺陷模[8]。因此，当该缺陷层中充入被不同浓度的雾霾时，因其折射率不同，对应的缺陷模的位置也不同。若能找到缺陷模中心波长与缺陷层折射率之间的关系，再由雾霾浓度和其折射率的关系，最终就能确定被测雾霾浓度与缺陷模中心波长的关系，这就是雾霾检测仪的基本原理。系统主要分为光发射模块、光接收模块、 大气采样及光学模块、控制模块组成。
4 结束语
本系统以51单片机为中心控制器，由电源、按键、环境明暗检测、雾霾检测等电路模块组成，通过对环境因素的判断进行对道路灯具进行智能调节的控制系统。将此智能灯具以路灯的方式分布在一个城市的各个角落，不仅灯的亮度可以随着雾霾浓度的变化而变化，而且可以实时将检测到的雾霾浓度远程传输给计算机，从而可以掌握一个城市的雾霾分布情况。本系统旨在设计一款智能化、运行可靠和高效节能的路灯控制系统，设计方案以低功耗的51单片机为系统控制核心，完全从节能和智能化的角度出发，提高了路灯的用电效率和智能化程度，在节约能源、电力资源合理利用的今天，是智能交通系统的必然需求，也是发展节能社会的必然之路。
参考文献：
[1] 邵茂丰. 道路照明随雾霾变化的光度学特性及评价研究[D].中国计量学院，2015.
[2]滕道祥，王健，王克权，刘爱云，杨宏光，马晓杰. 基于灯联网的雾霾监控系统开发与研究[J]. 徐州工程学院学报（自然科学版），2015，30（02）：54-57.
[3] 田小尤. 基于数字电位器的模数转换电路研究[D].吉林大学，2016.
[4]龙吉泽. 雾霾天气的形成、危害及治理[J]. 湖南农机，2013，（10）：38-39.
[5]禚宝国，徐青龙，张航. 雾霾下车辆前照灯自适应系统浅析[J]. 河北农机，2014， （02）：40-41.
[6]姜静静. LED智能灯远程控制管理系统的研究与设计[D].吉林大学，2013.
[7] 孙长明. 浅谈基于51系列单片机对PNP型传感器输出的电路设计[J]. 科技创新导报，2013，（30）：59.
[8] 燕芳. 太赫兹时域光谱测试中的样品散射问题研究[D].北京科技大学，2016.
作者简介：李芳芳，女，浙江杭州人，2014级信息与计算科学专业本科生，研究方向物理实验、光学设计。
通信作者：李祖樟，男，浙江杭州人，工程师，研究方向物理实验、光学设计。
关键词：灯联网；雾霭；监测；智能化
引言
随着我国城市化进程的快速发展，城市交通现代化随之提高，高速道路、快速路的修建，提高了人们出行的便捷性。研究表明，在路面照明条件良好的情况下，高速公路与城市的道路交通事故能降低30%左右，乡村道路的交通事故至少降低45%。随着工业化大幅度增长，造成环境不堪重负，全国上下大面积出现雾霾，虽然LED光源本着高效、节能、寿命长的特点取代了传统的钠灯，但是在雾霭的影响下对周边辐射环境作用收效甚微，道路照明再次面临新的挑战[1]。而灯联网作为物联网的一项具体应用指的是将无处不在的末端设备（智能灯具），通过通讯网络将各种不同距离的灯具实现互联互通，真正意义上发明一套高效率、低能耗的智能灯具控制系统[2]。项目组以STC12c5a60s2做為中心控制器，利用ADC0804把采集到的模拟信号通过使用光敏电阻和模数转换的方式转换成数字信号，最后利用DAC0832对采集到的时间和环境明暗程度进行判断并处理，将数字信号转换成电压模拟信号[3]，最终达到自动调控照明系统亮暗，从而使道路灯具面对复杂的环境做出对应的措施。
1 雾霾影响行车安全问题现状分析
雾霾，顾名思义即为雾和霾的统称。雾是由靠近地面大量的微小冰晶冰晶或水滴组成的气溶胶系统[4]。而霾，也被称为灰霾（烟雾），空气中的灰尘、硝酸、硫酸、有机碳氢化合物等悬浮的固态粒子亦能使大气混浊，造成能见度降低、视野模糊[5]。雾霾天气是一种大气污染后的状态，造成雾霾天气的“元凶”就是大家耳熟能详的PM2.5（直径小于等于2.5微米的颗粒物）。通过对国内外雾霾影响道路行车安全的历史研究与现状分析：国外雾霾天气出现较早，危害严重，常伴随重大人员伤亡事故发生。所以，国外对雾霾采取的应对措施在于根本治理，且态度坚决、手段强硬。反观我国的雾霾环境，出现较晚，且危害程度不同于国外能够直接致人死亡。应对雾霾的本质手段主要是靠防治，设立法律法规，加强信息公开，提倡使用新能源等措施。由国外发达国家的治理经验可知，雾霭的防治将是一个长期的过程，因此雾霭这种现象是短期内解决不了的，所以项目组对在雾霾影响下的道路照明进行研究，以求将雾霾引起的道路照明安全危害降低，减少行车安全事故。
2 系统设计总体设计
本文设计的智能路灯控制系统主要由STC12c5a60s2（51单片机）作为控制中心，雾霾检测仪、ADC0804（A/D转换器）、DAC0832（D/A转换集成芯片）、以及若干小灯泡等单元组成。51单片机：使用STC12c5a60s2这一款式作为中心控制器，负责整个控制系统的管理，包括整个工作模式的智能调节；显示存储单元：负责分析、执行监测中心的命令，自动控制照明系统，显示、存储对应的环境参数；环境参数采集：使用传感器（光敏电阻、雾霾传感器等），负责采集周边湿度、光照强度、雾霾等环境参数，并且将采集的数据通过存储单元显示及存储，每一个环境参数采集单元配一个显示存储单元；信号转换：使用ADC0804（A/D转换器）、DAC0832（D/A转换集成芯片），负责分析处理传感器传送过来的数据，先将模拟数据转换为数字信号，将光信号数据进行判断处理，最后传输给单片机，从而控制所有照明系统。
3 硬件设计
3.1中心控制器选型
所有兼容Intel 8051指令系统、带闪烁可擦除可编程的单片机统称为51单片机，这是一种高性能，低电压的CMOS 8位微处理器，在工业测控系统被广泛应用[6]。因为本系统需要对各个路灯进行实时的控制需要较多的接口，所以选用的是功能强大的STC12c5a60s2系列单片机作为本系统的中心控制器存储大量数据。STC12c5a60s2单片机是一款指令代码能完全兼容8051，速度更快，功能更强的新一代单片机，针对电机控制，强干扰场合都有良好的应用场景。由于STC12c5a60s2自带ADC转化系统，可以简化电路图。下图分别为传统51单片机（AT89C52）所需要的电路以及STC12c5a60s2系列所需要的电路（由于proteus中没有单片机模块和传感器模块与之相对应，所以单片机仍需由AT89C52替代，传感器则由滑动变阻器来替代）[7]：
3.2光强测量
通过光敏电阻同光强分布测试仪相结合，从而实现对环境明暗程度的检测。环境明暗检测模块工作原理即当照射在光敏电阻上的光线亮度发生变化时，光敏电阻的阻值也随之相应的发生变化，其变化趋势为光线变强阻值减小，反之亦然。光强分布测试仪得到的电压值随光线的变强而减小，将得到的电压信号转换成数字信号，并通过特定的操作送给单片机进行处理。如此便实现光敏电阻感受环境明暗的变换，继而向模拟信号转换，最终转换成数字信号，使系统能对环境明暗程度间接的进行相应的分析并处理。系统所选光敏电阻的亮电阻阻值在2K至10K之间变化，所以选择阻值为10K的电阻R8同光敏电阻串联连接形成分压电路。
3.3基于折射率变化的雾霾检测仪
由光子晶体的缺陷模理可知，由单负材料组成的含有缺陷层的一维光子晶体结构中的缺陷模[8]。因此，当该缺陷层中充入被不同浓度的雾霾时，因其折射率不同，对应的缺陷模的位置也不同。若能找到缺陷模中心波长与缺陷层折射率之间的关系，再由雾霾浓度和其折射率的关系，最终就能确定被测雾霾浓度与缺陷模中心波长的关系，这就是雾霾检测仪的基本原理。系统主要分为光发射模块、光接收模块、 大气采样及光学模块、控制模块组成。
4 结束语
本系统以51单片机为中心控制器，由电源、按键、环境明暗检测、雾霾检测等电路模块组成，通过对环境因素的判断进行对道路灯具进行智能调节的控制系统。将此智能灯具以路灯的方式分布在一个城市的各个角落，不仅灯的亮度可以随着雾霾浓度的变化而变化，而且可以实时将检测到的雾霾浓度远程传输给计算机，从而可以掌握一个城市的雾霾分布情况。本系统旨在设计一款智能化、运行可靠和高效节能的路灯控制系统，设计方案以低功耗的51单片机为系统控制核心，完全从节能和智能化的角度出发，提高了路灯的用电效率和智能化程度，在节约能源、电力资源合理利用的今天，是智能交通系统的必然需求，也是发展节能社会的必然之路。
参考文献：
[1] 邵茂丰. 道路照明随雾霾变化的光度学特性及评价研究[D].中国计量学院，2015.
[2]滕道祥，王健，王克权，刘爱云，杨宏光，马晓杰. 基于灯联网的雾霾监控系统开发与研究[J]. 徐州工程学院学报（自然科学版），2015，30（02）：54-57.
[3] 田小尤. 基于数字电位器的模数转换电路研究[D].吉林大学，2016.
[4]龙吉泽. 雾霾天气的形成、危害及治理[J]. 湖南农机，2013，（10）：38-39.
[5]禚宝国，徐青龙，张航. 雾霾下车辆前照灯自适应系统浅析[J]. 河北农机，2014， （02）：40-41.
[6]姜静静. LED智能灯远程控制管理系统的研究与设计[D].吉林大学，2013.
[7] 孙长明. 浅谈基于51系列单片机对PNP型传感器输出的电路设计[J]. 科技创新导报，2013，（30）：59.
[8] 燕芳. 太赫兹时域光谱测试中的样品散射问题研究[D].北京科技大学，2016.
作者简介：李芳芳，女，浙江杭州人，2014级信息与计算科学专业本科生，研究方向物理实验、光学设计。
通信作者：李祖樟，男，浙江杭州人，工程师，研究方向物理实验、光学设计。