基于物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)的LED路燈控制器設(shè)計(jì)

　　目前，所使用的大功率LED路燈大部分都是簡(jiǎn)單的直接照明，缺少必要的智能控制，或者有些雖然具備有智能控制的功能，但是卻不能自動(dòng)檢測(cè)路燈的照明狀況，也不能方便地對(duì)路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程及本地調(diào)控。并且現(xiàn)有的照明管理系統(tǒng)大都采用有線(xiàn)電纜控制照明燈具，對(duì)LED路燈進(jìn)行調(diào)控，通信協(xié)議比較復(fù)雜，建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本都比較高。本文將物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)引入路燈控制器，實(shí)現(xiàn)LED路燈的智能控制。

　　物聯(lián)網(wǎng)，是指將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，將溝通從任何時(shí)間任何地點(diǎn)任何人之間的溝通連接擴(kuò)展到人與物(HumantoThing)和物與物(ThingtoThing)之間的溝通連接。發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵在于射頻標(biāo)簽、傳感器、嵌入式系統(tǒng)及傳輸數(shù)據(jù)計(jì)算等領(lǐng)域。其中，嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的“大腦“和“中樞神經(jīng)，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的所有個(gè)體都需要嵌入式系統(tǒng)來(lái)傳輸和處理處理信息，嵌入式系統(tǒng)的好壞將直接影響物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)做。

　　本文以路燈控制器為應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)了支持CDMA及ISM無(wú)線(xiàn)通信的智能路燈控制器，將物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)應(yīng)用其中，利用控制器提供的專(zhuān)用接口和CDMA網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與各類(lèi)傳感器的連接，實(shí)現(xiàn)“人―物、“物―物、“物―人之間的信息交流。

　　1　路燈控制系統(tǒng)

　　本文設(shè)計(jì)的路燈控制系統(tǒng)由3個(gè)控制層、2個(gè)通信層組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。操作人員通過(guò)監(jiān)控軟件或手機(jī)將需求數(shù)據(jù)發(fā)送到CDMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)而傳送給路燈主控器；路燈主控器對(duì)接收數(shù)據(jù)分析、處理，并通過(guò)自組ISM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)送給節(jié)點(diǎn)控制器；節(jié)點(diǎn)控制器做出響應(yīng)并發(fā)出返回?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按原路徑返回給操作人員。本文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)核心部分：智能路燈控制器，包含了主控器及節(jié)點(diǎn)控制器的設(shè)計(jì)。

　　2　主控器設(shè)計(jì)

　　主控器包括：ATmega128主控模塊、CDMA通信模塊、ISM通信模塊、顯示輸入模塊，結(jié)構(gòu)圖2所示。

　　2.1主控模塊

　　在主控模塊采用核心板設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　主控芯片采用AVRATmega128芯片。ATmega128是高性能、低功耗的AVR8位微處理器，它的運(yùn)行速度快，大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成；壽命：10，000次寫(xiě)/擦除周期；具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū)；通過(guò)片內(nèi)的啟動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程；真正的讀-修改-寫(xiě)操作硬件乘法器只需兩個(gè)時(shí)鐘周期；具有128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash；4K字節(jié)的內(nèi)部SRAM；可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)軟件加密；具有JTAG接口，方便程序在線(xiàn)調(diào)試、下載；兩個(gè)可編程的串行USART；可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口。

　　2.2CDMA模塊

　　CDMA模塊內(nèi)部封裝了完善的TCP/IP等協(xié)議棧，可為遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)傳輸提供透明的TCP/IP通道，主要完成主控器與遠(yuǎn)程控制中心通信，完成指令數(shù)據(jù)的雙向傳輸。CDMA模塊與主控器通過(guò)UART1雙向傳送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)選用電信公司提供的CDMA模塊，通過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片和ATmega128的UART1口相連，實(shí)現(xiàn)全雙工的數(shù)據(jù)通信。模塊采用5V供電，ATmega128的PD6口經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后接到模塊的DTR。

　　DTR信號(hào)用來(lái)通知CDMA模塊準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)還是發(fā)送已經(jīng)結(jié)束。

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　　2.3ISM通信模塊

　　ISM通信模塊主要完成主控器與節(jié)點(diǎn)控制器通信，模塊芯片及接口如圖4所示。

　　本文選用nRF24l01作為ISM通信模塊無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。nRF24l01芯片是工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片，無(wú)線(xiàn)收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器解調(diào)器、輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。它具有內(nèi)置鏈路層，自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能、地址及CRC檢驗(yàn)功能、數(shù)據(jù)傳輸率1或2Mbps、SPI接口數(shù)據(jù)速率0～8Mbps、125個(gè)可選工作頻道。芯片具有極低的電流消耗，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6dBm時(shí)電流消耗為9.0mA，接收模式時(shí)為12.3mA。

　　2.4顯示輸入模塊

　　本文選擇TFT034觸摸液晶模塊用作顯示及控制指令輸入。TFT034采用四線(xiàn)電阻觸摸屏作為輸入，320x240像素的8位數(shù)據(jù)的256彩色LCD屏作為顯示輸出。

　　320x240像素的8位數(shù)據(jù)的256彩色LCD屏，顯示一屏所需的顯示緩存為320×240×8bit，即76800字節(jié)，在顯示中每個(gè)字節(jié)，對(duì)應(yīng)著屏上的一個(gè)像素點(diǎn)，因此，8位256彩色顯示的顯示緩存與LCD屏上的像素點(diǎn)是字節(jié)對(duì)應(yīng)的。每個(gè)字節(jié)中又有RGB格式的區(qū)分，既有332位的RGB，又有233的格式。在彩色圖象顯示時(shí)，首先要給顯示緩存區(qū)一個(gè)首地址，這個(gè)地址要在4字節(jié)對(duì)齊的邊界上，而且，需要在SDRAM的4MB字節(jié)控制之內(nèi)。它是通過(guò)配置相應(yīng)的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。之后，接下來(lái)的76800字節(jié)，就為顯示緩存區(qū)，這里的數(shù)據(jù)會(huì)直接顯示到LCD屏上去。屏上圖像的變換是由于該顯示緩存區(qū)數(shù)據(jù)的變換而產(chǎn)生的。觸摸液晶屏通過(guò)26腳排線(xiàn)與主控器相連，主控器IO口數(shù)據(jù)可直接驅(qū)動(dòng)觸摸液晶屏模塊。四線(xiàn)觸摸屏坐標(biāo)獲取通過(guò)AD7843采集實(shí)現(xiàn)，程序代碼如下：

　　3　節(jié)點(diǎn)控制器設(shè)計(jì)

　　節(jié)點(diǎn)控制器包括：MCU控制模塊、調(diào)光模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊，結(jié)構(gòu)如圖5所示：

　　3.1MCU控制模塊

　　MCU控制模塊采用STC89C52芯片。

　　STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在線(xiàn)系統(tǒng)可編程Flash，因此滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)控制芯片的要求。模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　3.2調(diào)光模塊

　　調(diào)光模塊實(shí)現(xiàn)感光與調(diào)光功能。因?yàn)楣饷綦娮柙诤诎淡h(huán)境里電阻值很高，當(dāng)受到光照時(shí)，光敏電阻阻值下降，光照愈強(qiáng)，阻值愈低，入射光消失后，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復(fù)原值。因此采用光敏電阻作為感光傳感器，由ADC0832芯片將光敏電阻接收的光強(qiáng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到MCU控制器中；MCU控制器內(nèi)部經(jīng)過(guò)編程對(duì)輸入的燈具工作參數(shù)進(jìn)行分析判斷，然后發(fā)出控制信號(hào)，控制恒流驅(qū)動(dòng)電路輸出電流的大小，從而控制LED燈的亮度，進(jìn)而達(dá)到智能調(diào)控LED燈具的目的。

　　考慮到設(shè)計(jì)選用的為直流LED路燈，參數(shù)為：功率28瓦；電壓AC100-280V；功率因數(shù)>0.95；LED顏色正白，暖白；光通量2800-12600LM；色溫3000―7000K；燈具效率90%；驅(qū)動(dòng)電源恒流驅(qū)動(dòng)45V1.5A直流；命50000小時(shí)以上；防護(hù)等級(jí)IP65；工作溫度-35oC-80oC；工作濕度10%-90%，因此需設(shè)計(jì)符合參數(shù)要求的直流調(diào)光電路。

　　直流調(diào)光方法常用的有：調(diào)節(jié)正向電流的方法；脈寬調(diào)制(PWM)來(lái)調(diào)光。調(diào)節(jié)正向電流的方法具有以下缺點(diǎn)：調(diào)正向電流會(huì)使色譜偏移；有時(shí)會(huì)出現(xiàn)使恒流源無(wú)法工作的問(wèn)題；長(zhǎng)時(shí)間工作于低亮度有可能會(huì)使降壓型恒流源效率降低溫升增高而無(wú)法工作；無(wú)法得到精確調(diào)光。因而本文采用PWM調(diào)光方法。

　　本文采用DN0112芯片設(shè)計(jì)了PWM調(diào)光模塊。

　　DN0112芯片是用于直流LED燈的連續(xù)觸摸IC芯片，它通過(guò)輸出PWM可使燈光亮度在3%～100%間無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，可使LED路燈實(shí)現(xiàn)平滑的亮暗調(diào)節(jié)。本文設(shè)計(jì)單片機(jī)P0.3輸出調(diào)光控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)DN0112調(diào)光芯片的控制，使調(diào)光芯片可根據(jù)單片機(jī)輸出的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)LED燈開(kāi)關(guān)、調(diào)光。

　　4、結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了路燈主控制器及節(jié)點(diǎn)控制器，通過(guò)CDMA通信實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程指令數(shù)據(jù)有效傳輸，通過(guò)自組無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了主控制器與節(jié)點(diǎn)控制器指令數(shù)據(jù)的傳輸，給出了觸摸液晶屏坐標(biāo)點(diǎn)采集程序，通過(guò)對(duì)光強(qiáng)信號(hào)的采集設(shè)計(jì)了調(diào)光電路，完成了物聯(lián)網(wǎng)的傳感數(shù)據(jù)采集、嵌入式數(shù)據(jù)傳輸及處理，將物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)引入到LED路燈控制器中。實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的路燈控制器能有效實(shí)現(xiàn)智能控制，取得了較好的節(jié)能、降耗效果。