華為杯技術(shù)論文

1、第十一屆中國研究生電子設(shè)計競賽技術(shù)論文論文題目：集交通與環(huán)境感應(yīng)一體化的城市路燈控制系統(tǒng)研究Based on integrated traffic and environmental sensing，research on the control system of urban street lamp.參賽單位：南昌航空大學(xué)參賽隊伍：Clover指導(dǎo)老師：王忠華參賽隊員：王飛文 彭一鳴 施遠銀完成時間：2016年6月19日摘要目前我國城市化建設(shè)發(fā)展對城市道路照明系統(tǒng)數(shù)量需求越來越大，如果存在不合理的道路照明系統(tǒng)，不僅影響人們的生產(chǎn)和生活，而且會造成了大量資源和能源的浪費。在這種狀況下，本項目提

2、出智能感應(yīng)與控制的路燈照明理念，實現(xiàn)路燈的節(jié)能照明與智慧控制。本項目設(shè)計框架采用集散分層控制模式：路燈控制管理中心集中控制器一節(jié)點控制器三層模式結(jié)構(gòu)，且該系統(tǒng)采用GPRS及ZigBee通信協(xié)議。路燈控制管理中心是整個系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，通過后臺管理系統(tǒng)對各個集中控制器和節(jié)點控制終端進行直接控制，遇到突發(fā)狀況可快速做出響應(yīng)。集中控制器是系統(tǒng)的軀干，采用GPRS技術(shù)與路燈控制管理中心通信，承擔(dān)著承上取下的作用，處理終端上傳的數(shù)據(jù)并發(fā)送至路燈控制管理中心，同時能夠?qū)⒙窡艨刂乒芾碇行闹噶钕逻_至光源終端。節(jié)點控制器是整個系統(tǒng)的血肉，節(jié)點控制器和集中控制器之間的通信采用ZigBee技術(shù)，根據(jù)道路、環(huán)境與需求的

3、實時狀況，實現(xiàn)智能感應(yīng)與按需控制光源終端 宋成艷.城市路燈無線監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究.廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.。本項目的研究有利于解決當(dāng)前各個地區(qū)路燈照明引起的巨大電能浪費問題，從而實現(xiàn)節(jié)能減排目的。項目的創(chuàng)新之處：采用多源感知、數(shù)據(jù)融合與智能決策軀干網(wǎng)，發(fā)揮各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)感知的多源性，系統(tǒng)間縱橫數(shù)據(jù)處理的高效性，增強系統(tǒng)數(shù)據(jù)決策的可靠性，提高系統(tǒng)整體的智慧度；系統(tǒng)具備智慧照明的節(jié)能模式、經(jīng)營管理模式與維護模式，實現(xiàn)城市按需照明、節(jié)能減排、主動感知、精細管理。創(chuàng)新點如下：(1)多源感知技術(shù)，感知照度、電壓、電流、功率與道路通行量的變化，實現(xiàn)靈活、有效的單燈控制。(2)模糊決策技術(shù)，采用

4、亮度量模糊決策自動調(diào)整路燈亮度級別，以及分組通斷控制路燈點亮盞數(shù)。(3)照明控制系統(tǒng)模式，控制系統(tǒng)集成智慧照明的節(jié)能模式、經(jīng)營管理模式與維護模式，實現(xiàn)城市按需照明、節(jié)能減排、主動感知與精細管理。關(guān)鍵字：單燈控制器，ZigBee，集中控制器，GPRS技術(shù)，后臺管理系統(tǒng)AbstractNowdays, an increasing number of urban road lighting systems are needed for the development of urbanization in China. There is an unreasonable road lighting sy

5、stem, not only affect people's production and life, but also will cause a lot of waste of resources and energy. In this situation, the project ,putting forward the concept of intelligent induction and control of street lighting,has achieved energy saving lighting and intelligent control. In this

6、 framework, the distributed and hierarchical control mode is adopted, it is three layer mode structure, which comprises a street lamp control management center, a centralized controller and a node controller. The system uses GPRS and ZigBee communication protocol. Street lamp control and management

7、center is the core of the whole system, and control the centralized controller and node controller,in the case of emergency. Centralized controller, using GPRS technology and street light control management center, is a key and play a connecting role. The data transmitted by the terminal is transmit

8、ted to the street lamp control management center through the data, and the command of the street lamp control management center is sent to the node controller. Data uploaded by node controller through it sent to the street lamp control management center, and sent command of the street lamp control m

9、anagement center to the node controller. Node controller is the foundation. ZigBee technology is used in the communication between the node controller and the centralized controller, it can realize the function of intelligent induction and control of light source terminal as needed.The research of t

10、his project is beneficial to solve the problem of the huge electric energy waste caused by the street lamp illumination in each area. The innovation point of the project is based on multi source sensing, data fusion and intelligent decision making, which play the high efficiency of the data processi

11、ng of each subsystem, enhance the reliability of the system data decision-making, and improve the overall intelligence of the system. There are energy saving mode, management mode and maintenance mode of intelligent lighting system. It can realize the demand of lighting, energy saving and emission r

12、eduction, active perception, and fine management.The innovation points are as follows:(1) multi sensor technology, which can perceive illumination, voltage, current, power and road traffic volume change , to achieve a single lamp control. (2) fuzzy decision making technology, which is used to automa

13、tically adjust the brightness level of the street lamp, and control the number of the lamp. (3) using the lighting control system mode, it can realize the demand for lighting, energy saving and emission reduction, active perception and fine management.Key words: single lamp controller, ZigBee, centr

14、alized controller, GPRS technology, background management system.目錄第一章 緒論11.1 研究目的與意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析11.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀11.2.2 城市路燈發(fā)展趨勢1第二章 智能感應(yīng)與路燈控制照明系統(tǒng)22.1 主要研究內(nèi)容22.2 系統(tǒng)方案設(shè)計技術(shù)難點22.3 智能感應(yīng)與路燈控制照明系統(tǒng)方案設(shè)計22.3.1系統(tǒng)設(shè)計框架22.4 本章小結(jié)3第三章 系統(tǒng)硬件電路分析43.1總體硬件設(shè)計思路43.1.1 遠程控制設(shè)備工作流程43.1.2 各模塊設(shè)計方案43.2 ZigBee節(jié)點模塊硬件電路分析53.2.1 CC

15、2530最小系統(tǒng)53.2.2 電源電路63.3 集中控制器模塊硬件電路分析73.3.1 STM32最小系統(tǒng)設(shè)計73.3.2 STM32外圍電路設(shè)計83.3.3 以太網(wǎng)W5200電路設(shè)計93.4 GPRS模塊電路分析103.4.1 MG301最小系統(tǒng)103.4.2 電源電路113.4.3 SIM卡電路113.5 本章小結(jié)12第四章 系統(tǒng)軟件分析134.1 后臺管理系統(tǒng)分析134.2 軟件功能設(shè)計134.3 軟件開發(fā)平臺144.3.1 軟件開發(fā)環(huán)境144.3.2 系統(tǒng)軟件主要功能144.3.3 系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)流程144.4 MYSQL數(shù)據(jù)庫164.5 本章小結(jié)16第五章 系統(tǒng)測試與誤差分析175

16、.1系統(tǒng)安裝175.2信息服務(wù)平臺175.3誤差分析185.4本章小結(jié)19弟六章 總結(jié)與展望206.1 總結(jié)206.2 未來工作展望201第十一屆中國研究生電子設(shè)計競賽集交通與環(huán)境感應(yīng)一體化的城市路燈控制系統(tǒng)研究第一章 緒論1.1 研究目的與意義目前國內(nèi)的道路照明系統(tǒng)大部分沒有采用網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控管理，只能以區(qū)域為單位對照明設(shè)備進行簡單的開關(guān)燈控制，多數(shù)城市路燈的開關(guān)控制仍由傳統(tǒng)變壓器(配電箱)分散控制，不能對路燈進行有效監(jiān)控，缺乏靈活多變的操作系統(tǒng)，因此存在著一系列的問題：如系統(tǒng)復(fù)雜，難以統(tǒng)一管理；路燈覆蓋面廣，維護困難；開關(guān)控制效率低，電能浪費嚴(yán)重等。因此，研究智能化城市照明系統(tǒng)成為最具潛力的領(lǐng)

17、域。通過合理地規(guī)劃路燈的布局，合理地控制路燈的開關(guān)時間，融入智能化的城市路燈管理手段，比如光控、流控、場景分析等手段，進一步調(diào)整路燈的照明策略，可以節(jié)約路燈的能耗。于此同時，加強路燈數(shù)據(jù)的管理和分析工作，延長路燈的使用壽命，降低路燈的管理成本和維護費用。城市路燈節(jié)能和控制工程，作為城市的精神面貌集合要素，得到各地方政府的大力支持。通過實施城市路燈智慧照明控制系統(tǒng)可以以更加精細和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達到城市照明的“智慧”狀態(tài)。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀在我國，早在80 年代末就開始出現(xiàn)了關(guān)于“路燈監(jiān)控”方面的研究。此后，國內(nèi)的路燈監(jiān)控技術(shù)經(jīng)歷了快速的發(fā)展，經(jīng)過多年來

18、的理論研究和實際應(yīng)用項目經(jīng)驗積累，逐步形成了一套比較系統(tǒng)的理論。90 年代初，北京、南京、上海等地的科研機構(gòu)開展了對城市道路照明的自動化監(jiān)控的可行性論證，這為面向未來的城市路燈照明自動化監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展積累了許多寶貴的經(jīng)驗并打下了一定的理論基礎(chǔ)。進入到二十一世紀(jì)，隨著城市化建設(shè)的發(fā)展與國家對節(jié)能減排方面的進一步重視，促進路燈控制系統(tǒng)項目的應(yīng)用有了許多新的發(fā)展。近年來，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用計算機技術(shù)、嵌入式微處理技術(shù)、電子通信技術(shù)等技術(shù)均取得了顯著成效。利用計算機技術(shù)及嵌入式微處理技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)來實現(xiàn)路燈控制系統(tǒng)的科學(xué)化、智能化管理勢在必行。因此，研制一種新型的路燈照明控制系統(tǒng)對及時掌

19、握各路路燈亮燈狀況及路燈線路安全狀況,提高城市路燈管理水平同時降低管理成本，提高效率，具有非常重要的意義和社會應(yīng)用價值。1.2.2 城市路燈發(fā)展趨勢隨著中國城市和經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城市道路照明正成為城市形象的一個重要亮點。城市照明不僅使城市“靚”起來，而且在人們生活、交通安全、社會治安以及吸引外商促進經(jīng)濟發(fā)展等方面起著非常重要的作用。城市路燈照明遠程管理系統(tǒng)的發(fā)展方向如下所示:首先，監(jiān)控系統(tǒng)遠程化。在新型的城市路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，遠程的中央控制室運用采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議的公共通信設(shè)施GPRS/CDMA來進行通信，實現(xiàn)了無線Internet網(wǎng)絡(luò)和城市路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)的連接。在接入到Intern

20、et網(wǎng)絡(luò)之后，它就能夠讓工作人員在任意時間、任意地點獲取路燈的現(xiàn)場工作狀況以及對其進行控制。其次，在系統(tǒng)中融入節(jié)能控制。通過將各種各樣的節(jié)能技術(shù)融入城市路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，使系統(tǒng)發(fā)展成為將節(jié)能控制與監(jiān)控功能相結(jié)合的城市路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)。最后，管理控制更細化。單燈控制器能夠監(jiān)控路燈，采用ZigBee通信的方式，就能夠把每個路燈的相關(guān)工作狀況傳送到集中控制器 汪建平,鄧云塘,錢公權(quán).道路照明.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2005.，然后再轉(zhuǎn)發(fā)到遠程的中央控制室。第二章 智能感應(yīng)與路燈控制照明系統(tǒng) 本項目“智能感應(yīng)與路燈控制照明系統(tǒng)”，采用節(jié)點控制器、集中控制器、后臺管理系統(tǒng)三級集散分層控制模式，通過數(shù)據(jù)

21、處理軟件、通信接口軟件與后臺管理軟件的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)了遠程控制路燈的開關(guān)、調(diào)光，電流、電壓、功率的檢測以及路燈工作狀態(tài)的自動巡檢；實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸管理，保證數(shù)據(jù)的時效性與安全性；實現(xiàn)直接實施對路燈的遠程控制、遠程測量，以及對控制和檢測數(shù)據(jù)進行遠程數(shù)據(jù)傳輸。2.1 主要研究內(nèi)容為實現(xiàn)本系統(tǒng)路燈照明的感應(yīng)、控制與監(jiān)控的目標(biāo)，研究內(nèi)容如下描述：(1)智慧照明的節(jié)能模式。對城市照明的服務(wù)對象來說，不同位置、不同時間的照度需求不同；對應(yīng)于照明管理工作，不同區(qū)片、不同位置、不同燈型、不同光源、不同線路的開關(guān)燈時間和電壓高低存在不同的需求。 (2)智慧照明的運營管理模式。集數(shù)據(jù)采集、遠程控制、報警提示與處理

22、的三遙系統(tǒng),實現(xiàn)了城市燈光管理部門系統(tǒng)的信息共享;通過遙控、遙信、遙測使得系統(tǒng)分組控制、運行模式、狀態(tài)管理更加智能化、精細化、網(wǎng)格化。 (3)智慧照明的維護模式。利用GIS技術(shù)的空間分析能力，根據(jù)線路連通關(guān)系和實時電氣參數(shù)，判斷距離故障地點，及時、高效的應(yīng)急搶修。2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計技術(shù)難點搭建城市照明檢測控制網(wǎng)絡(luò)并配套監(jiān)控管理設(shè)備，提供城市照明智能控制和節(jié)能管理，實現(xiàn)對城市照明的“點、線、面”實時控制和節(jié)能管理，及時掌握城市照明的建設(shè)運營情況，建立照明節(jié)能評價體系，加強對城市照明指導(dǎo)工作的針對性和科學(xué)性。因此針對研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)難點問題描述如下：(1)建立節(jié)能化、智能化的燈具照明控制機制，

23、路燈可根據(jù)環(huán)境狀況不同實現(xiàn)智能照明。(2)建立智能化運行數(shù)據(jù)分析、展示機制，通過前臺處理和后臺管理系統(tǒng)顯示各種數(shù)據(jù)信息。(3)建立實時、準(zhǔn)確的監(jiān)控機制，基于Web-GIS機制，判定故障點及及時維護。2.3 智能感應(yīng)與路燈控制照明系統(tǒng)方案設(shè)計本項目旨在提供一種基于智能感應(yīng)與控制的路燈照明理念，目的是設(shè)計低成本、高效能、全自動化的智能感應(yīng)與路燈控制照明系統(tǒng)。系統(tǒng)采用“節(jié)點控制器集中控制器路燈控制管理中心”三層模式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)遠程對路燈的控制操作。其中，路燈控制管理中心與集中控制器之間的通信采用GPRS技術(shù)，集中控制器與路燈控制終端以及路燈控制終端之間的通信采用ZigBee技術(shù)，采用GPRS技術(shù)與Zi

24、gBee技術(shù)相結(jié)合的路燈無線監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn) 辛紅偉,唐慧強,彭樹生.多普勒路燈智能控制器及其應(yīng)用方案研究.電力電子技術(shù),2007,41(10):31-33.：(1)實現(xiàn)對路燈節(jié)點的獨立控制 王志民,李晟.基于GSM短信通訊的路燈智能監(jiān)控系統(tǒng).自動化與儀器儀表,2006,5:72-74.；(2)采集路燈節(jié)點電壓、電流、功率等信息；(3)主動上報節(jié)點故障報警和防盜報警；(4)實時調(diào)節(jié)路燈亮度值；(5)歷史記錄查詢與管理。2.3.1系統(tǒng)設(shè)計框架智能感應(yīng)與路燈控制照明系統(tǒng)分為光源終端部分和智能控制系統(tǒng)部分。本項目主要完成智慧照明控制系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。本項目設(shè)計的城市道路智慧照明

25、系統(tǒng)采用全模塊化設(shè)計，擁有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，兼容性良好，系統(tǒng)功能完善、維護管理便捷。設(shè)計框架采用集散分層控制模式，如圖2-1所示。用戶通過客戶終端（如手機或者電腦）能夠控制系統(tǒng)。圖2-1 城市道路智慧照明系統(tǒng)集成方案設(shè)計2.4 本章小結(jié)本項目設(shè)計的城市智能感應(yīng)與路燈控制照明系統(tǒng)控制設(shè)備組網(wǎng)方式，采用兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，控制終端與主控制器之間采用成熟的ZigBee技術(shù)，通過在每盞路燈嵌入一個無線通信模塊，使它們自組網(wǎng)絡(luò)，接受控制中心的命令并將路燈的狀態(tài)反饋給控制中心，實現(xiàn)近距離無線組網(wǎng)。集中控制器與監(jiān)控中心服務(wù)器之間采用GRPS網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠距離無線傳輸。本項目智能感應(yīng)與路燈控制照明系統(tǒng)的節(jié)點控制器可以通過

26、光控和流控智能實現(xiàn)路燈的開斷，并把接收到的各種數(shù)據(jù)上傳給集中控制器。集中控制器則相當(dāng)于一個中轉(zhuǎn)站，傳送各類上行下行的數(shù)據(jù)。后臺管理系統(tǒng)則對上傳的數(shù)據(jù)進行分析處理，對于各種報警信息，電壓電流信息和維護記錄信息保存到數(shù)據(jù)庫，用于管理人員查閱。第3章 系統(tǒng)硬件電路分析3.1總體硬件設(shè)計思路3.1.1 遠程控制設(shè)備工作流程遠程控制設(shè)備作為系統(tǒng)的核心模塊，是對路燈遠程控制技術(shù)進行研究的基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)路燈遠程無線控制的功能，遠程控制設(shè)備需包含 GPRS 模塊和 ZigBee 模塊，同時接入 GPRS網(wǎng)絡(luò)和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，ZigBee模塊作為單燈控制器承擔(dān)著直接智能控制路燈亮滅和數(shù)據(jù)上傳的功能。GPR

27、S模塊連接著后臺管理系統(tǒng)和集中控制器，各種數(shù)據(jù)上傳和下傳都通過它。遠程控制設(shè)備中集中控制器的程序?qū)崿F(xiàn)了對路燈數(shù)據(jù)的處理以及 MG301的控制，集中控制器是整個系統(tǒng)連接的橋梁，有著承上取下的作用 劉曉勝,戚佳金,牟英峰,徐殿國.網(wǎng)絡(luò)化實時路燈精確監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計.電氣傳動,2004,6:3-6.。遠程控制設(shè)備的整體工作框圖如圖3-1所示。 路燈控制管理中心 GPRS網(wǎng)絡(luò)管理員GPRS模塊 SMS USART串口集中控制器 USART串口協(xié)調(diào)器 ZigBee網(wǎng)絡(luò)路燈控制器圖3-1 遠程控制設(shè)備工作流程3.1.2 各模塊設(shè)計方案(1)集中控制器集中控制器安裝于配電柜里，通過無線GPRS接收監(jiān)控中心

28、的命令對線路進行管理和控制，利用電力載波技術(shù)或無線組網(wǎng)方式（本項目采用ZigBee無線組網(wǎng)方式）對單燈終端發(fā)送命令（單燈控制）及其信息反饋。一個主控制器管理多個控制終端，并負責(zé)對配電箱總電路的監(jiān)控，以及與監(jiān)控中心平臺服務(wù)器間的通信。實現(xiàn)對變壓器/配電柜輸出交流接觸器控制，采集線路的各種狀態(tài)信息，當(dāng)監(jiān)控中心通信故障時，能夠按照預(yù)先設(shè)置的時間曲線自動進行配電柜級別的開關(guān)燈操作，能夠與單燈控制器進行對接。集中控制器框架圖如圖3-2所示。圖3-2 集中控制器框架圖(2)節(jié)點控制器單燈節(jié)點控制器，安裝于路燈燈桿處，負責(zé)對路燈單元的數(shù)據(jù)采集和獨立控制，與控制主機配套使用，通過控制主機接收監(jiān)控中心的指令，實

29、現(xiàn)單燈級別的開關(guān)燈和調(diào)壓，并主動收集單燈故障信息進行上報。實現(xiàn)單燈聯(lián)網(wǎng)，單燈控制、單燈節(jié)能、單燈數(shù)據(jù)采集、單燈電能計量等功能。節(jié)點控制器如圖3-3所示。圖3-3 節(jié)點控制器框架圖3.2 ZigBee節(jié)點模塊硬件電路分析3.2.1 CC2530最小系統(tǒng)本次設(shè)計使用的是TI公司提供的CC2530片上系統(tǒng)解決方案，CC2530芯片使用的是8051CPU內(nèi)核，工作電壓為2-3.6V。與上一代SOC芯片CC2430相比，CC2530芯片封裝更小，具備最大256KB閃存，外圍電路簡單，具有電源管理功能,能夠工作在不同的供電模式下，實現(xiàn)低功耗設(shè)計要求。此外，CC2530還改進了RF性能，TI官方提供了匹配好

30、的RF前端設(shè)計和2.4G天線設(shè)計，其射頻模塊的性能在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，具有良好的抗干擾能力，使硬件設(shè)計變得更加簡單。且CC2530使用的ZigBee2007/PRO協(xié)議棧是TI公司免費開放使用的，只要開發(fā)者熟悉C51單片機開發(fā)就能很快上手，使軟件開發(fā)成本也得到降低。使用CC2530的ZigBee傳感器節(jié)點設(shè)備能夠在極低的功耗下工作 平青.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市照明控制系統(tǒng).蘇州大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.，特別是當(dāng)節(jié)點工作在休眠模式的工作狀態(tài)時，其工作電流可以降至1微安以下，極大的提高了設(shè)備的工作壽命。CC2530的最小系統(tǒng)電路圖如圖3-4所示。天線的選擇是ZigBee模塊設(shè)計的一個重點問題。在

31、整個無線網(wǎng)絡(luò)通信過程中，射頻天線起著投遞和接收信息的作用，它性能的優(yōu)劣，直接影響著整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。由于ZigBee模塊工作在2.4GHz，所以選用的天線為2.4GHz天線,采用PCB天線，其特點是成本低，性能優(yōu)越，不僅可以節(jié)約成本而且還能使設(shè)計的尺寸較小。圖3-4 CC2530的最小系統(tǒng)電路圖3.2.2 電源電路CC2530芯片的工作電壓范圍為23.6V，一般要求標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為3.3V。電源接的是220V/50Hz交流電，為了滿足各模塊的供電，這就需要用到變壓器和穩(wěn)壓芯片了。變壓器選用低頻隔離50W/220V轉(zhuǎn)18V電源變壓器。在對穩(wěn)壓芯片進行選取時，主要考慮這幾個方面的因素:一是轉(zhuǎn)

32、化效率要高;二是芯片功耗要低,空載模式下耗能要少;三是要求輸出電壓穩(wěn)定,波紋和噪聲較小。綜合考慮各方面因素，本設(shè)計采用了二次降壓，選用了7805三端穩(wěn)壓芯片和AMS1117-3.3芯片。7805三端穩(wěn)壓IC內(nèi)部電路具有過壓保護、過流保護、過熱保護功能，這使它的性能很穩(wěn)定，輸出電壓為5V，能夠?qū)崿F(xiàn)1A以上的輸出電流。器件具有良好的溫度系數(shù)，因此產(chǎn)品的應(yīng)用范圍很廣泛?？梢赃\用本地調(diào)節(jié)來消除噪聲影響，解決了與單點調(diào)節(jié)相關(guān)的分散問題，輸出電壓誤差精度低。AMS1117-3.3芯片可提供1A輸出電流且工作壓差可低至1V，輸出固定為3.3V，具有1%的精度，同時具有較高的輸入電壓承受能力，最大工作電壓可達

33、12V。并且該芯片內(nèi)部集成過熱保護和限流電路 ，具有壓差低、輸出電壓穩(wěn)定、超低功耗等特點。工作電流為1mA時壓差僅為5mV，加以最大工作電壓時，無負載工作電流僅為2.5uA。電源模塊電路如圖3-5所示。圖3-5 電源電路3.3 集中控制器模塊硬件電路分析3.3.1 STM32最小系統(tǒng)設(shè)計ARM微控制選擇的是32位的Cortex-M3處理器,其具有1.25 DMIPS/MHz的處理能力、RISC的結(jié)構(gòu)、靈活高效的Thumb2指令集、4G大小的儲存空間以及優(yōu)秀的功耗低的特點,能夠?qū)崿F(xiàn)更高性能與更加復(fù)雜的MCU相關(guān)應(yīng)用。ST公司推出的STM32系列的處理器就是基于Cortex-M3內(nèi)核的,其集創(chuàng)新出

34、眾的外觀設(shè)計、先進的Cortex-M3內(nèi)核、低成本與優(yōu)良的功耗控制于一體。并且STM32系列的處理器還有全系列的腳對腳、軟件及外設(shè)的高兼容性,能夠在原始框架及軟件不進行修改的前提下,將應(yīng)用精簡到使用更少的存儲空間,或者升級到需要更多的存儲空間,以及改用不同的規(guī)格進行封裝 。STM32最小系統(tǒng)電路如圖3-6所示。圖3-6 STM32最小系統(tǒng)電路3.3.2 STM32外圍電路設(shè)計(1)EEPROM存儲模塊：EEPROM存儲模塊選用AT24C256。AT24C256是ATMEL公司256kbit串行電可擦的可編程只讀存儲器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大等特點，可以在2線總線上并接4片該IC，特別適用于具

35、有高容量數(shù)據(jù)儲存要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。EEPROM存儲電路如圖3-7所示。圖3-7 EEPROM存儲電路(2)FLASH ROM存儲模塊：FLASH ROM芯片選用W25Q128。W25Q128與普通串行FLASH相比，使用更靈活，性能更出色，具有“PCB板占用空間少”、“引腳數(shù)量少”、“功耗低”等特點。工作電壓在2.7V3.6V之間，正常工作狀態(tài)下電流消耗0.5毫安，掉電狀態(tài)下電流消耗1微安。非常適合存儲采集的數(shù)據(jù)。FLASH ROM存儲電路如圖3-8所示。圖3-8 FLASH ROM存儲電路(3)按鍵及狀態(tài)指示模塊：通過按鍵來選擇控制的方式以及箱門的報警，采用中斷方式控制。按鍵及狀態(tài)指示電路

36、如圖3-9所示。圖3-9 按鍵及狀態(tài)指示電路(4)電源模塊：對于集中控制器來說，需要3.3V供給STM32最小系統(tǒng)及多個外設(shè)電路，為集中控制器的各部分電路提供電源。本設(shè)計選用了AMS1117-3.3芯片，該芯片可提供1A輸出電流且工作壓差可低至1V，輸出固定為3.3V。(5)JTAG仿真模塊：JTAG(Joint Test Action Group)聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議（IEEE 1149.1兼容）。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口包括TMS、TCK、TDI和TDO，通過JTAG接口可以燒錄和調(diào)試程序，可以與目前主流的JLINK V8仿真器配合使用。另外STMM32還有SWD接口，SWD

37、只需要最少2跟線（SWCLK和SWDIO）就可以下載并調(diào)試代碼了，它與JTAG接口是共用的，只要接上JTAG就可以使用SWD模式了。JTAG硬件接口電路如圖3-10所示。圖3-10 JTAG硬件接口3.3.3 以太網(wǎng)W5200電路設(shè)計韓國WIZnet公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制芯片W5200整合了5層結(jié)構(gòu)中的前4層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，并在內(nèi)部利用硬件實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧。開發(fā)者無需專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)知識，使用W5200如同控制外部存儲器一樣簡單 ，為用戶提供了最簡單的網(wǎng)絡(luò)接入方法。全硬件TCP/IP協(xié)議棧完全獨立于主控芯片，可以降低主芯片負載且無需移植繁瑣的TCP/IP協(xié)議棧，便于產(chǎn)品

38、實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化更新。并且支持高速SPI接口（SPI MODE 0.3），SPI的時鐘最高可達到80MHz，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)通信的護具傳輸速率。內(nèi)部集成32KB存儲器用于發(fā)送/接受緩存，支持8個獨立端口同時運行。以太網(wǎng)W5200電路如圖3-11所示。圖3-11 以太網(wǎng)W5200電路3.4 GPRS模塊電路分析 3.4.1 MG301最小系統(tǒng)GPRS通信電路應(yīng)用于集中控制器上,實現(xiàn)集中控制器和中央控制室的通信。GPRS模塊的通訊模塊選用的是華為的MG301模塊,MG301模塊是華為推出的一款4頻段的GPRS模塊,接口與CDMA模塊MG301兼容, ， 該模塊工作頻段為GSM850/900/1800/1

39、900MHZ,發(fā)射功率小,接收靈敏度高,工作電壓寬(3.3V4.8V),平均待機電流僅為3mA,支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令及華為擴展AT指令。模塊提供了標(biāo)準(zhǔn)SIM卡接口,兩路模擬音頻,串口最大速率可達115200bit/s,支持FR、 EFR、 HR和AMR的語音編碼,支持免提通話,提供回聲抑制功能,支持短信,支持GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),最高速率可達85.6Kbit/s,且內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議,最高速率可達9.6Kbit/s。 GPRS模塊最小系統(tǒng)電路如下面的圖3-12所示:圖3-12 GPRS模塊最小系統(tǒng)電路3.4.2 電源電路由于MG301的工作電壓范圍3.3V4.8V，典型值是3.8V，需要通過穩(wěn)壓電

40、路進行轉(zhuǎn)換。電源電路選用的芯片是LM2576S-ADJ,LM2576系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1.23V)，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。通過調(diào)節(jié)R10滑動變阻器的阻值可以使輸出達到3.8V ，滿足MG301的供電要求。GPRS模塊的電源電路如圖3-13所示。圖3-13 電源電路3.4.3 SIM卡電路SIM卡電路選用的是可彈出式SIM卡座，SIM卡的3根信號線均需要串聯(lián)一個22歐姆的電阻,其中SIM_IN還需要接上拉電阻到VCC，否則模

41、塊將無法檢測到SIM卡。SIM卡電路如圖3-14所示。圖3-14 SIM卡電路3.5 本章小結(jié)在本章中,我們主要講述了系統(tǒng)的硬件組成,詳細分析了集中控制器和節(jié)點控制器的各部分的硬件電路的設(shè)計和工作原理。第四章 系統(tǒng)軟件分析4.1 后臺管理系統(tǒng)分析控制管理中心軟件安裝于監(jiān)控中心電腦上，主要由數(shù)據(jù)庫和后臺管理系統(tǒng)兩個部分組成，通過網(wǎng)絡(luò)遠程操控集中控制器，且通過縮放變換能以俯視的角度觀察和控制到整個城市、一個街道、一條道路、甚至一盞路燈的照明情況；可配GSM報警發(fā)送器，發(fā)送報警等信息給值班人員。監(jiān)控中心是城市路燈照明管理人員對路燈運行狀態(tài)進行監(jiān)視和管理的辦公區(qū)域，管理人員通過主控軟件實現(xiàn)對全市/區(qū)照

42、明變壓器/配電柜以及路燈的訪問和控制，包括開關(guān)燈命令發(fā)送、參數(shù)配置、狀態(tài)查詢、故障檢測等。通過監(jiān)控中心可以方便直觀的了解到照明區(qū)域設(shè)備運行狀況。后臺管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖 4-1 后臺管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.2 軟件功能設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，本項目中的監(jiān)控中心平臺軟件整體功能結(jié)構(gòu)如圖4-2 所示，包含了數(shù)據(jù)處理軟件、通信接口軟件與后臺管理軟件三個部分。操作管理軟件實現(xiàn)人機交互界面，主要面向數(shù)據(jù)配置和管理等，包括主控箱設(shè)置、控制終端設(shè)置、控制模式設(shè)置、城區(qū)街設(shè)置、GIS地圖等模塊。通信接口軟件實現(xiàn)控制設(shè)備與控制中心軟件平臺間的通信交互，主要包括通信連接、協(xié)議解析、消息處理等模塊。數(shù)據(jù)處理軟件是主要的

43、業(yè)務(wù)處理單元。實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理和分析，包括上行數(shù)據(jù)處理、下行指令處理、應(yīng)用接口等模塊。城市路燈智慧照明軟件功能設(shè)計如圖4-2所示。圖4-2 城市路燈智慧照明軟件功能設(shè)計4.3 軟件開發(fā)平臺4.3.1 軟件開發(fā)環(huán)境Qt是1991年奇趣科技開發(fā)的一個跨平臺的C+圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的所有功能。Qt很容易擴展，并且允許真正地組件編程?；旧希琎t同X Window上的Motif，Openwin，GTK等圖形界面庫和Windows平臺上的MFC，OWL，VCL，ATL是同類型的東西。本項目的后臺管理系統(tǒng)是利用QT編寫而成，因為QT的跨平臺特性，

44、所以本后臺管理系統(tǒng)易于在各個平臺上移植。4.3.2 系統(tǒng)軟件主要功能本項目的智慧照明管理系統(tǒng)主要的功能有：通過TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接到公網(wǎng)服務(wù)器，對于GPRS模塊上傳的數(shù)據(jù)進行接收并且存儲到MYSQL數(shù)據(jù)庫，并可以發(fā)送調(diào)光指令到服務(wù)器上實行對路燈的操控，還能對路燈的故障信息進行報警，以及查看各種數(shù)據(jù)信息的歷史記錄等功能。后臺管理系統(tǒng)QT界面如圖4-2所示。圖4-2 后臺管理系統(tǒng)QT界面4.3.3 系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)流程由于實驗條件的限制，本系統(tǒng)設(shè)計了兩種數(shù)據(jù)上傳的實現(xiàn)方案。第一種方案，節(jié)點控制器(ZigBee模塊)把采集到的電壓電流和功率的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器是通過串口和集中

45、控制器相連，同時上傳過來的數(shù)據(jù)也通過串口傳送給集中控制器，集中控制器再通過串口把數(shù)據(jù)傳給GPRS模塊，GPRS模塊利用GPRS網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳給公網(wǎng)服務(wù)器，公網(wǎng)服務(wù)器再把數(shù)據(jù)傳給后臺管理系統(tǒng) 吳昌林,王勝利,祝聯(lián)利.城市燈光監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā).湖北電力,2005(S1):16-18.，后臺管理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲到MYSQL數(shù)據(jù)庫。當(dāng)然，數(shù)據(jù)下傳就是把整個流程倒轉(zhuǎn)過來，從后臺管理系統(tǒng)把數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器在發(fā)給GPRS模塊 ，然后一級一級傳送給ZigBee終端，整個流程圖如圖4-3所示。圖 4-3 方案一數(shù)據(jù)上傳和下傳流程第二種方案，主要是根據(jù)實驗室環(huán)境來設(shè)計的，就是用W5200以太網(wǎng)模塊代替GP

46、RS模塊和公網(wǎng)服務(wù)器，由于學(xué)校是內(nèi)網(wǎng)，所以無法獲取公網(wǎng)服務(wù)器。W5200既可以作為服務(wù)器又能作為客戶端，通過串口連接到集中控制器，數(shù)據(jù)也是通過串口的接收和發(fā)送，另一端用網(wǎng)線連接到電腦上，然后與后臺管理系統(tǒng)相連。流程圖如圖4-4所示 李國輝,尹崗,劉陽.基于GPRS的路燈無線智能監(jiān)測終端.兵工自動化,2005:89-90.。本項目的實驗視頻演示采用的是第二種方案。圖4-4方案二數(shù)據(jù)上傳和下傳流程4.4 MYSQL數(shù)據(jù)庫由于本項目的數(shù)據(jù)并不是很復(fù)雜，所以采用小型的數(shù)據(jù)庫MYSQL，這完全能滿足我們的需求，并且該數(shù)據(jù)庫對用戶是開放的，對于成本預(yù)算來說是很有利。我們只需要在電腦上安裝一個MYSQL數(shù)據(jù)

47、庫就能直接使用，當(dāng)下位機把數(shù)據(jù)上傳過來時，數(shù)據(jù)庫就能直接存儲起來。數(shù)據(jù)需要用的時候，又可以把數(shù)據(jù)提取出來，這非常方便。4.5 本章小結(jié)本系統(tǒng)軟件是在QT5環(huán)境下編寫而成，根據(jù)項目的需要，通過無線GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了對路燈遠程控制.主要的功能有查詢電量和歷史記錄，路燈的狀態(tài)信息和故障信息，地圖定位功能，以及通過柱狀圖實時顯示各個路燈的電壓電流功率信息，實時監(jiān)控每個路燈的狀態(tài)等。該軟件把上傳過來的數(shù)據(jù)保存給MYSQL數(shù)據(jù)庫。第五章 系統(tǒng)測試與誤差分析5.1系統(tǒng)安裝系統(tǒng)的測試是在實驗室環(huán)境中進行的，有四個路燈終端，集中控制器模塊以及一臺電腦，電腦裝入用戶管理軟件，四個終端通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)給

48、集中控制器模塊，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳給上位機顯示。 圖5-1測試系統(tǒng)實物圖5.2信息服務(wù)平臺信息服務(wù)平臺采用QT5進行上位機開發(fā)，并采用MYSQL數(shù)據(jù)庫，由于Qt 5是一個跨平臺的 C+ 圖形用戶界面庫，能夠支持Microsoft Windows XP，win7，win10等多個操作系統(tǒng)。因此，本項目后臺管理系統(tǒng)依然采用QT設(shè)計。實現(xiàn)遠程的中央控制室運用采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議的公共通信設(shè)施GPRS/CDMA來進行通信，實現(xiàn)了無線Internet網(wǎng)絡(luò)和城市路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)的連接。信息服務(wù)平臺集成了用戶管理，路燈管理，道路管理等功能，其顯示界面如下。圖5-2 系統(tǒng)登錄界面 圖5-3上位機軟

49、件控制界面圖5-2是登錄界面，如圖5-3所示，最右邊的信息，是對路燈的狀態(tài)進行實時遠程控制，點擊100%開燈，路燈處于最亮的狀態(tài)，點擊50%調(diào)光，路燈的亮度會降低，針對傍晚時分的光線和深夜時分較少車輛行人，節(jié)約電能，點擊關(guān)燈，遠程關(guān)閉路燈。右下角是多燈控制。最左邊的是上傳的電壓電流信息，會在中間位置進行柱狀圖顯示，不同顏色區(qū)分電壓電流功率。本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)中可以通過地圖對城市路燈進行綜合管理，可以通過縮放變換能以俯視的角度觀察和控制到整個城市、一個街道、一條道路、及一盞路燈的照明情況；用戶可對單燈進行控制，也可以對多燈進行控制，系統(tǒng)還采用亮度量模糊決策自動調(diào)整路燈亮度級別，并可以收到路燈實

50、時的電壓、電流、功率和故障等信息，方便維護。通過系統(tǒng)測試基本實現(xiàn)了模塊功能。5.3誤差分析實際測試中，需要上傳的是生活中常用到的交流電壓和電流，我們測試的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是PF9901型號功率計，所測得的電壓電流和功率值，它的精度是±(0.4%讀數(shù) + 0.1%量程+1字)，儀器本身會有一個系統(tǒng)誤差，但是在本設(shè)計中忽略。對電壓電流的讀取采用多次取平均值的方法得到電壓電流的數(shù)據(jù)，例如測得的4組電壓數(shù)據(jù)，取得平均值。減少讀數(shù)誤差。設(shè)計中采用att7053芯片測得電壓電流值，它測的電壓的原理是220V零線先通過一串電阻進行分壓，再通過低通濾波電路，接入到芯片引腳上。電流，有兩個通道，本設(shè)計中實際讀取采用的是電流通道2，電流通過電流互感器，電路濾波電路接入到芯片電流通道引腳上。由于板級噪聲可能會引起小電流誤差大的問題，實際需要進行有效值RMS-offset校正，因為這是在實驗室環(huán)境下我們用的路燈只有11W的功率，實際路燈應(yīng)該是80W 的功率值，不存在電流過小的問題。由于設(shè)計中沒有加入有效值這一步，所以系統(tǒng)調(diào)試的時候我們發(fā)現(xiàn)，如圖5-4，小電流的值的準(zhǔn)確度是較差的，