基于物聯(lián)網(wǎng)的廠區(qū)路燈模擬控制系統(tǒng)

廠區(qū)路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的，一是能夠滿足正常使用的需要，在夜間車輛、行人通過(guò)廠區(qū)道路時(shí)提供必需的照度，確保安全； 二是節(jié)約電能，安裝、使用可靠方便，能夠延長(zhǎng)用電設(shè)備及燈具的使用壽命，減少維護(hù)費(fèi)用。

傳統(tǒng)的廠區(qū)照明路燈控制系統(tǒng)一般采用時(shí)間控制、光照控制等方式，存在路燈使用壽命短、管理開(kāi)銷大、無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)控以及故障維修反應(yīng)效率低等現(xiàn)象。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并結(jié)合微控制器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線路燈控制模塊，使每一盞路燈都能遙控、遙測(cè)和遙信，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的路燈智能控制。同時(shí)在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)簡(jiǎn)化了對(duì)城市照明路燈的多樣化、多色彩等復(fù)合功能要求，既能滿足廠區(qū)夜間照明安全和降低運(yùn)行費(fèi)用的要求，又考慮了節(jié)省系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本、現(xiàn)場(chǎng)易于安裝。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)由集中控制器和單元控制器兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。集中控制器安裝于廠區(qū)路燈控制室，包括無(wú)線通信模塊、MCU 模塊、時(shí)鐘模塊、聲光報(bào)警模塊、顯示模塊及鍵盤等部分。

單元控制器安裝在每個(gè)路燈的燈柱上，分為信號(hào)檢測(cè)模塊、MCU 模塊、遠(yuǎn)程通信模塊和故障檢測(cè)模塊四個(gè)部分。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

集中控制器向單元控制器發(fā)送時(shí)鐘控制的開(kāi)/關(guān)燈信號(hào)、自動(dòng)/手動(dòng)控制信號(hào)等信息，并能收到來(lái)自單元控制器的路燈開(kāi)關(guān)狀態(tài)、消耗功率及故障診斷等信息。單元控制器作為控制終端接收集中控制器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的控制路燈開(kāi)關(guān)時(shí)間段設(shè)定的指令，也可以采集廠區(qū)是否有人或車輛通過(guò)、環(huán)境光亮度以及路燈故障等信息，以此作出路燈打開(kāi)/關(guān)閉、路燈點(diǎn)亮的程度以及路燈故障報(bào)警等指令，實(shí)現(xiàn)按需而控。

2.通信網(wǎng)絡(luò)及MCU 模塊的選擇

2.1. 通信網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便、布局容易并且維護(hù)簡(jiǎn)單，已逐步應(yīng)用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域。可以采用自己組建無(wú)線專網(wǎng)的通信方式，也可以選擇利用已有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信方式。

對(duì)于廠區(qū)路燈控制而言，自己組網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用過(guò)高。移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸可靠，利用其現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的閑置能力就可以滿足廠區(qū)路燈控制系統(tǒng)信息傳輸?shù)囊蟆?

GSM 和GPRS 是無(wú)線通信的兩種方式。GSM 短信通信實(shí)時(shí)性差、信息量受限； GPRS 是基于GSM 系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，具有傳輸速率高、實(shí)時(shí)性好及永遠(yuǎn)在線的特點(diǎn)，而且GPRS 通信按流量計(jì)費(fèi)，廠區(qū)路燈與城市路燈不同，照明燈具節(jié)點(diǎn)數(shù)量不多，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益考慮以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，選用GPRS通信方式。

2.2. MCU 模塊

微處理器（ Micro Controller Unit,MCU） 實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理、存儲(chǔ)及通信等功能，是系統(tǒng)的大腦。選擇芯片時(shí)主要是從微處理器的基本性能參數(shù)、增強(qiáng)功能、存儲(chǔ)介質(zhì)和適用環(huán)境等方面進(jìn)行考慮。本次設(shè)計(jì)中選擇ATMEL 公司的ATmega64 作為集中控制器和單元控制器中的MCU 模塊。

ATmega64 是一款高性能低功耗的8 位微處理器，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS /MHz,具有64 KB 的Flash、2 KB 的E2PROM,擦寫次數(shù)可達(dá)10 萬(wàn)次，可用來(lái)存儲(chǔ)路燈的各種設(shè)定參數(shù)和狀態(tài)信息，直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示模塊，并帶有多路輸入輸出口，方便與鍵盤、報(bào)警器等輸入輸出裝置連接，且編程簡(jiǎn)單。

3.電路設(shè)計(jì)

3.1. 信號(hào)采集電路

單元控制器需要對(duì)廠區(qū)路燈環(huán)境實(shí)時(shí)檢測(cè)以做出控制決策。選用光敏電阻實(shí)現(xiàn)廠區(qū)光線明暗變化檢測(cè)，接口電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。光敏電阻與普通電阻串聯(lián)分壓后電壓信號(hào)傳送至單片機(jī)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。隨著光線明暗的變化，光敏電阻的阻值也在變化，從而改變PF0 腳的電壓，該電壓經(jīng)過(guò)單片機(jī)片內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并被分析處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈照明照度的控制。

圖2 光敏電阻與單片機(jī)接口電路

廠區(qū)過(guò)往行人與車輛檢測(cè)選用D203S 型熱釋電紅外人體傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其測(cè)試范圍在0. 5 m 內(nèi)，若要應(yīng)用于廠區(qū)路燈的真實(shí)場(chǎng)景，需要選擇專業(yè)廠家生產(chǎn)的熱釋電紅外人體探測(cè)器，測(cè)試范圍在30 ~300 m 不等。當(dāng)廠區(qū)有車輛或行人通過(guò)時(shí)，熱釋電紅外人體傳感器就能檢測(cè)到人體的遠(yuǎn)紅外輻射從而產(chǎn)生電信號(hào)，由于該信號(hào)變化緩慢、幅值小于1 mV,因此需要經(jīng)過(guò)一個(gè)專門的信號(hào)處理電路，使得傳感器輸出信號(hào)的不規(guī)則波形轉(zhuǎn)變成適合于單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，選用BISS0001 為熱釋電紅外人體傳感器的專用處理芯片，它主要由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成。

電路設(shè)計(jì)如圖3 所示，BISS0001 的1 腳信號(hào)接高電平，使芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式。將熱釋電傳感器的輸出信號(hào)送入BISS0001 的14 腳，經(jīng)內(nèi)部第一級(jí)運(yùn)算放大器放大，然后由C24耦合給內(nèi)部第二級(jí)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，再經(jīng)由內(nèi)部的電壓比較器構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)去啟動(dòng)內(nèi)部延遲時(shí)間定時(shí)器，最后由芯片的2 腳輸出信號(hào)V0直接傳輸至單片機(jī)的PD7 腳進(jìn)行處理，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。4 腳的輸出延遲時(shí)間Tx由外部的R35和C28的大小調(diào)整，6 腳的觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti由外部的R34和C29的大小調(diào)整。

單元控制器通過(guò)光敏電阻自動(dòng)控制路燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及燈光的強(qiáng)弱，并與熱釋電傳感器配合，將光照度調(diào)節(jié)到合適值，使系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到節(jié)能、安全的效果。

3.2. 通信電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中集中控制器向單元控制器發(fā)送開(kāi)/關(guān)燈、控制方式等信號(hào)； 單元控制器向集中控制器發(fā)送故障路燈位置等信息，雙方通信通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。GPRS 模塊采用Simcom 公司的SIM300D 無(wú)線通信模塊，該模塊外形小巧，內(nèi)部集成了TCP /IP 協(xié)議，具有射頻天線、本地SIM卡連接及RS232 串口等接口，可采用內(nèi)部擴(kuò)展的AT 指令進(jìn)行操作，功能強(qiáng)大且開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單。

SIM300D 模塊與單片機(jī)接口電路如圖4 所示，74LS573 邏輯芯片主要用于電壓變換。ATmega64輸出的是標(biāo)準(zhǔn)TTL 電平，而SIM300D 模塊兼容的高電平范圍為2. 05 ~ 3. 23 V,若要實(shí)現(xiàn)兩種芯片之間的數(shù)據(jù)交換，需要經(jīng)過(guò)電壓變換。

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SIM300D 模塊需要借助SIM 卡才能連接到網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，SIM300D 模塊通過(guò)SPI 通信方式對(duì)SIM 卡進(jìn)行讀寫操作，通過(guò)GSM 或GPRS 通信方式實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接。SIM 卡也稱為智能卡、用戶身份識(shí)別卡，通過(guò)此卡鑒別每一路燈的地址、代號(hào)和實(shí)際地理位置等信息。SIM卡與SIM300D 無(wú)線通信模塊接口電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 SIM 卡與SIM300D 無(wú)線通信模塊連接圖

3.3. 故障檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

單元控制器設(shè)有電流檢測(cè)功能，通過(guò)電流檢測(cè)可以判斷路燈是否故障。如果路燈故障，通過(guò)路燈的電流會(huì)極小甚至為零，不足以驅(qū)動(dòng)LED 發(fā)光，則故障檢測(cè)點(diǎn)的電壓會(huì)低于給定的基準(zhǔn)電壓，通過(guò)電壓比較電路給單片機(jī)送入一個(gè)報(bào)警信號(hào)。

故障檢測(cè)模塊與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)如圖6所示，基準(zhǔn)電壓可通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R2的阻值來(lái)改變。當(dāng)路燈正常工作時(shí)，故障檢測(cè)點(diǎn)電壓大于基準(zhǔn)電壓，則運(yùn)放LM358 輸出+ 12 V 的正向飽和電壓，該電壓經(jīng)限流電阻和穩(wěn)壓管構(gòu)成回路，這時(shí)穩(wěn)壓管給單片機(jī)送入一高電平電壓。當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)，檢測(cè)點(diǎn)電壓低于基準(zhǔn)電壓，運(yùn)放電路輸出為零，為單片機(jī)送入一低電平電壓，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能。

圖6 故障檢測(cè)模塊與單片機(jī)接口電路

3.4. 高亮LED 驅(qū)動(dòng)模塊

單元控制器的高亮LED 驅(qū)動(dòng)模塊采用自制恒流驅(qū)動(dòng)電源，利用運(yùn)算放大器組成電壓跟隨器、電流負(fù)反饋電路，結(jié)合單片機(jī)組合成恒流源，方法簡(jiǎn)潔，容易實(shí)現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 恒流驅(qū)動(dòng)電源電路圖

圖7 中電源的輸出電流與UPB5 成正比，當(dāng)UPB5 保持恒定時(shí)，可保證該電源的輸出電流恒定。同時(shí)，UPB5 可以通過(guò)單片機(jī)的PWM 輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)輸出電流的可控，調(diào)節(jié)LED亮度。

4.系統(tǒng)功能

集中控制器的顯示模塊采用常用的字符型液晶模塊12864; 時(shí)鐘模塊采用具有萬(wàn)年歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘專用芯片DS1302; 聲光報(bào)警模塊采用了普通的發(fā)光二極管和蜂鳴器。

程序采用AVR Studio 軟件編寫，并經(jīng)GCC 編譯器編譯通過(guò)。每個(gè)帶有地址的單元控制器能通過(guò)GPRS 模塊可靠地接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與集中控制器的實(shí)時(shí)通信。該廠區(qū)路燈模擬控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以下功能：

1） 廠區(qū)路燈夜間無(wú)行人及車輛通行時(shí)，路燈微亮； 當(dāng)檢測(cè)到遠(yuǎn)方有物體接近時(shí)，路燈由微亮轉(zhuǎn)為全亮，保證照明需要； 車輛、行人通過(guò)后，路燈自動(dòng)切換為微亮。

2） 在清晨、傍晚時(shí)，路燈可以根據(jù)環(huán)境明暗變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)； 并可以根據(jù)環(huán)境亮度調(diào)整燈具照度，保證使用需要。

3） 系統(tǒng)在白天不使用時(shí)，能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)功耗。

4） 有手動(dòng)功能，可以分別控制每個(gè)路燈的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。

5） 可進(jìn)行路燈的電能消耗統(tǒng)計(jì)。

6） 具有路燈故障檢測(cè)功能。當(dāng)有路燈損壞時(shí)，可以進(jìn)行聲光報(bào)警，并指示故障路燈的具體位置。

5.結(jié)束語(yǔ)

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的廠區(qū)路燈模擬系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)廠區(qū)路燈科學(xué)的管理和智能化的監(jiān)控，同時(shí)系統(tǒng)的無(wú)線路燈控制模塊體積小、價(jià)格低，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝與維護(hù)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，運(yùn)行成本低，監(jiān)控方便，能滿足廠區(qū)路燈的智能化控制要求。

隨著移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和日益完善及其在物聯(lián)網(wǎng)方面的投入，相信這種控制方案在路燈的管理與控制上將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。