基于LED冷光源的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計

1、0 引言當(dāng)前巨大的能源消耗和由此引起的能源短缺、價格上漲等已使得節(jié)約能源成為一項十分迫切的任務(wù)。國家“十一五計劃”提出“要把節(jié)約資源作為基本國策”，首次提出十一五期間單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20左右的目標(biāo)。原建設(shè)部在“十一五”城市綠色照明工程規(guī)劃綱要中明確提出，20062010年累計節(jié)電要達到25。LED冷光源作為一種新型的綠色光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長等特點，是未來照明的發(fā)展趨勢。2009年初，中國科技部推出“十城萬盞”半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范城市方案，該計劃涵蓋北京、上海、深圳、武漢等21個國內(nèi)發(fā)達城市。這一計劃的實施將有效引導(dǎo)我國半導(dǎo)體照明應(yīng)用的健康快速發(fā)展。本課題正是基于LED冷光源道

2、路照明而設(shè)計的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，從而有效解決現(xiàn)有的道路照明管理系統(tǒng)普遍存在著難以反饋路燈狀態(tài)信息、沒有適時開關(guān)燈、基本沒有節(jié)電效果等問題。1 LED技術(shù)概述LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED光源具有高節(jié)能、利環(huán)保、壽命長、體積小、多變幻適用性強、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時間短等特點，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領(lǐng)域。雖然價格較現(xiàn)有照明器材昂貴，仍被認(rèn)為它是其理想的替代品。在節(jié)能方面，LED具有直流驅(qū)動，超低功耗(單管<01 w)等特點，相比傳統(tǒng)光源，LED光源接近點光源，單相發(fā)

3、光，好配光，光效利用率高。就平均照度來講，一盞50 W的LED燈亮度可與100 W的高壓鈉燈相當(dāng)，如果就點照度來講，那要更高。相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能50以上(以實際應(yīng)用產(chǎn)品為例)。LED光源為固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)也沒有松動的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積等缺點。當(dāng)光通量衰減到70時，其壽命達到了50 000 h，高壓鈉燈的壽命是10 00020 000 h。而它的環(huán)保效益更佳，發(fā)光顏色純正，不含有紫外和紅外的輻射，而且不含汞元素，沒有污染，廢棄物可方便回收。冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。2 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)考慮到造價、監(jiān)測范圍、控制點設(shè)置、擴容方便等要

4、求，在本次設(shè)計中采用無線通信與電力載波通信相結(jié)合的方案。具體的方案如下：整個監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控終端、集中控制器、路燈控制器和路燈組成。本系統(tǒng)的上位機即監(jiān)控終端放在城市路燈管理部門，以單個配電變壓器為范圍安裝集中控制器，在每盞路燈上安裝路燈控制器方便實現(xiàn)單燈控制。在主控制室與集中控制器之間采用GPRS通信，GPRS通信方式容易實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸、長時間在線，并且可獲得按流量收費的低資費方式，硬件投資少，對地域要求相對也較低。在集中控制器與路燈控制器之間則采用電力線載波通信技術(shù)，采用電力載波技術(shù)的最大的好處就是不需要再鋪設(shè)通信電纜就可容易地實現(xiàn)對每盞燈的檢測，減少了通道建設(shè)的費用。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1

5、所示。3 通信的實現(xiàn)整個系統(tǒng)采用分級通信機制，一級為監(jiān)控終端和集中控制器的通信，另一級為集中控制器和路燈控制器的通信。監(jiān)控終端與集中控制器之間的通信采用GPRS。集中控制器監(jiān)控和管理所在轄區(qū)所有的路燈，其和路燈控制器之間采用電力線載波通信。集中控制器可以獨立工作，根據(jù)提前設(shè)定的方案開關(guān)燈、循環(huán)地收集所轄范圍各路燈控制器的相關(guān)信息，每當(dāng)完成所有路燈的一次信息收集時，集中控制器將剛收集到的各路燈控制器監(jiān)測路燈的信息迅速反饋給監(jiān)控終端，當(dāng)集中控制器收到監(jiān)控終端的命令時，將監(jiān)控終端下達的命令解析并通過電力線載波通信發(fā)送給路燈控制器讓其執(zhí)行相關(guān)的動作。路燈控制器一直處于等待模式，其循環(huán)地收集該燈柱所有燈

6、的電流及狀態(tài)信息，一旦接收到有與本機地址相符的命令就執(zhí)行相應(yīng)的動作并反饋執(zhí)行結(jié)果給集中控制器。通過這兩級通信，整個監(jiān)控系統(tǒng)的巡檢周期可以大大縮短。31 路燈控制器與集中控制器通信實現(xiàn)為了便于系統(tǒng)的軟硬件模塊設(shè)計、調(diào)試，以及后續(xù)的系統(tǒng)調(diào)試、故障分析和系統(tǒng)升級等，本次設(shè)計采用了雙CPU結(jié)構(gòu)，兩個CUP分別是PL3105(負(fù)責(zé)載波收發(fā)的相關(guān)控制)和宏晶的STCl2C5404AD(其他控制)。STCl2C5404AD單片機是一款高速、寬電壓、低功耗的增強型8051內(nèi)核單片機。由于設(shè)計中要求的實時性不高，這里直接采用串口通信，PL3105的RXD，TXD直接與STCl2C5404AD的RXD，TXD連接

7、，通過編寫單片機啟動程序，對其初始化設(shè)置，根據(jù)通信協(xié)議完成集中控制器發(fā)布的各項動作。電壓、電流采集電路分別通過HCT218及HPT304精密微型電壓互感器感應(yīng)交流的電壓、電流，再通過I-V互換得出相應(yīng)電壓值。該路燈控制器是單燈操作，以同一變壓器工作下的路燈為一局域，多個電力線載波模塊連接在同一相線上，在主從通信模式下，模塊分別單獨工作。其硬件框圖如圖2所示。  311 電力線載波模塊電力線載波通信(Power Line CommunicaTIon，PLC)是利用電力線載波實現(xiàn)信息傳遞的通信方式的統(tǒng)稱。它具有諸多優(yōu)點：如應(yīng)用范圍廣、實現(xiàn)成本低、永久在線等。電力線載波模塊使用的PL310

8、5芯片是專為自動抄表、智能信息家電以及遠程監(jiān)控系統(tǒng)而開發(fā)的單片系統(tǒng)芯片(SoC)。采用8051指令兼容的高速微處理器，軟件易于開發(fā)；內(nèi)嵌的載波通信控制單元使其具備了在低壓電力線上組網(wǎng)遠程通信的強大功能；CPU通過配置寄存器來實現(xiàn)對載波通信的控制，接口方便；擴頻通信單元具有較強的抗帶內(nèi)同頻干擾、靈敏度高的優(yōu)點。312 路由算法的實現(xiàn)路由器是網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)部件，可提供比網(wǎng)橋更豐富、靈活的網(wǎng)絡(luò)互連功能，是目前使用最多的網(wǎng)絡(luò)互連部件之一。路由算法是用軟件方法實現(xiàn)路由的功能。由于一般的電力載波芯片的可靠通信距離在500 m左右，在實際應(yīng)用中遠遠超過最大通信距離，所以在本次設(shè)計的路燈控制器中增加了路由協(xié)議層

9、，并以其性能優(yōu)越的物理層設(shè)計及完善的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，保證了可靠的網(wǎng)絡(luò)通信性能。在同一轄區(qū)電力線上的設(shè)備只要整合入了此芯片及相關(guān)通信模塊就可成為能利用電力線來進行控制的智能控制產(chǎn)品。路由動作包括兩項基本內(nèi)容：尋徑和轉(zhuǎn)發(fā)。尋徑即判定到達目的地的最佳路徑，路徑信息根據(jù)使用的路由算法不同而不同。路由算法根據(jù)許多信息來填充路由表，并通過交換路由信息維護、更新其路由表，路由更新信息通常包含全部或部分路由表，通過分析來自其他路由器的新信息，該路由器就可以建立起新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。在一些環(huán)境復(fù)雜且大規(guī)模的項目中，采用動態(tài)路由算法，通過分析收到的路由更新信息來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的改變。如果信息表示網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了變化，路由軟件就

10、重新計算路由并發(fā)出新的路由更新信息。這些信息滲入網(wǎng)絡(luò)，促使路由器重新計算并對路由表做相應(yīng)的改變，并且在適當(dāng)?shù)牡胤揭造o態(tài)路由作為補充，以使系統(tǒng)整體穩(wěn)定運行。鑒于有些項目規(guī)模較小，載波網(wǎng)絡(luò)的硬件十分固定，而且相對來說傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也比較少，所以也可以只使用靜態(tài)路由表算法，這使得算法更容易設(shè)計，工作效果也很好。轉(zhuǎn)發(fā)即沿尋徑好的最佳路徑傳送信息分組。路由動作的操作過程主要包括下面幾點：(1)接收、分解數(shù)據(jù)包。當(dāng)路由器接收到數(shù)據(jù)包之后，首先驗證其合法性，然后把報頭、報文和校驗字節(jié)分離開來。再根據(jù)報頭的不同，選擇操作。(2)對數(shù)據(jù)包進行處理。當(dāng)接收到有效的報文時，路由器必須決定該數(shù)據(jù)是本地提交還是向前轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)

11、IP廣播或多播時，也可能是一種混合的情況。對這些情況的判斷，主要根據(jù)下面三個規(guī)則進行處理：當(dāng)IP目的地址中有一個源路由選項時，根據(jù)路由表的相應(yīng)表項將其發(fā)送到下一個站點，而不進行本地提交。當(dāng)IP目的地址中的某一個地址與路由器的某個端口地址相符時，將進行本地提交。當(dāng)IP目的地址是一個廣播地址，或者是個既要轉(zhuǎn)發(fā)又要本地提交的多播地址時，將同時進行兩個操作。(3)轉(zhuǎn)發(fā)尋址。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何將分組發(fā)送到下一個站點(路由器或主機)，如果路由器不知道如何發(fā)送分組，通常將該分組丟棄；否則就根據(jù)路由表的相應(yīng)表項將分組發(fā)送到下一個站點，如果目的網(wǎng)絡(luò)直接與路由器相連，路由器就把分組直接送到

12、相應(yīng)的端口上。(4)轉(zhuǎn)發(fā)驗證。在轉(zhuǎn)發(fā)之前，路由器應(yīng)該對數(shù)據(jù)包進行一些校驗工作，而只有驗證無誤的時候才能進行轉(zhuǎn)發(fā)，否則將數(shù)據(jù)包拋棄而重新提示數(shù)據(jù)包的廣播源重發(fā)。這里的校驗分為兩個部分：一個是IP的驗證，看是否接受到得數(shù)據(jù)包目標(biāo)IP符合要求；二是具體數(shù)據(jù)的驗證，看校驗得到的數(shù)據(jù)是否有誤。32 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)321 集中控制器主程序結(jié)構(gòu)分為兩個部分：一是初始化段，另一部分是循環(huán)主體。為了便于調(diào)試，維護，本設(shè)計中采用了多模塊的組織結(jié)構(gòu)。每個任務(wù)都是一個子函數(shù)，在主程序循環(huán)體中，逐一調(diào)用任務(wù)模塊，這些模塊功能的執(zhí)行取決于其條件標(biāo)志是否滿足，主程序流程圖如圖3所示。為了避免各任務(wù)搶占時鐘資源，造

13、成時間沖突，采取以下措施：(1)根據(jù)任務(wù)的不同給予不同的時間調(diào)度。例如LCD顯示刷屏處理只需要1 s調(diào)用一次；按鍵處理為10 ms調(diào)用一次；設(shè)備巡檢按照設(shè)備編號5 min調(diào)用一次，定時處理程序流程圖如圖4圖6所示。(2)為了避免因某些任務(wù)的單次執(zhí)行過長影響其他任務(wù)的及時處理，可以將一個任務(wù)分為多個時間片處理。例如：按鍵處理程序中，當(dāng)首次監(jiān)測到按鍵閉合時，是需要10 ms的延時時間來消抖，但是如果在程序中用10 ms的延時程序來實現(xiàn)就會影響到其他程序的執(zhí)行，故應(yīng)該把這10 ms的等待時間讓給其他任務(wù)執(zhí)行。(3)對于實時性要求更高的任務(wù)，可以把子函數(shù)直接放到中斷函數(shù)中去執(zhí)行。對于實時性不是很強的功

14、能可以先在中斷函數(shù)中設(shè)置標(biāo)志，然后讓后臺程序根據(jù)標(biāo)志再執(zhí)行具體功能。322 路燈控制器數(shù)據(jù)采集采用程序控制方式，根據(jù)上位機命令采集實時電量。為了便于監(jiān)控路燈的工作狀態(tài)，在單片機的E2PROM中存儲了基準(zhǔn)電壓，當(dāng)通過HPT304精密微型電壓互感采集的電壓進入單片機AD轉(zhuǎn)化后與基準(zhǔn)電壓相比較，當(dāng)小于或大于某-一特定值時，通信故障碼置位，并按照通信協(xié)議由電力線載波模塊發(fā)送至集中控制器報警，其程序流程圖，如圖7所示。PL3105與集中控制器通過電力線相互通信，對用戶而言，電力線載波模塊為客戶建立起透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，用戶可以將主從設(shè)備當(dāng)成是電纜直接相連就可以了，用戶通信的可靠性由用戶的通信協(xié)議保證。由于LED的工作范圍較大，其光輸出和工作電流成正比，因此可以減小電流的方法來調(diào)光。LED的調(diào)光還可以采用脈沖寬度調(diào)節(jié)的方法來得到，通過調(diào)節(jié)電壓的占空比和工作頻率，能夠有效調(diào)節(jié)LED的發(fā)光強度。結(jié)合LED光源的這個特點，采用PWM調(diào)光來實現(xiàn)減少資源浪費和光源污染的目的。本設(shè)計使用宏晶公司的STCl2C5404AD單片機，除了其內(nèi)置AD，還因為其