基于nRF905的智能道路照明節(jié)能系統(tǒng)

目前，國(guó)內(nèi)大部分城市的道路照明管理系統(tǒng)至今仍在沿用相對(duì)單一的光控、時(shí)控等傳統(tǒng)控制方式。這些系統(tǒng)普遍存在著難以反饋路燈運(yùn)行狀態(tài)信息、難以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等局限，節(jié)電效果不理想。另外我國(guó)大部分城市路燈采用“全夜燈”的方式進(jìn)行照明，普遍存在的問題有兩點(diǎn)：一方面，后半夜行人稀少，采用“全夜燈”的方式浪費(fèi)太大，因此，有的地方采取前半夜全亮，后半夜全滅的“半夜燈”照明方式；有的地方在后半夜采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的節(jié)電措施，此種方式雖然節(jié)約了電費(fèi)支出，卻帶來(lái)了社會(huì)治安和交通安全問題，不利于城市形象。

1 系統(tǒng)方案概述
    該系統(tǒng)由照明區(qū)域控制器與智能節(jié)點(diǎn)組成，照明區(qū)域控制器負(fù)責(zé)所轄路段的智能化照明控制，而智能節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)單個(gè)路燈的控制和狀態(tài)檢測(cè)。智能節(jié)點(diǎn)和照明區(qū)域控制器之間采用無(wú)線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
    該系統(tǒng)是通過路況具體情況來(lái)設(shè)定輸出功率等級(jí)，以此改變路燈的光照來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。其基本思想是：路燈可以隨著馬路上車輛或行人的行進(jìn)速度以及數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)燈光的亮度，即動(dòng)態(tài)調(diào)光策略。其工作框圖如圖1所示。

    智能控制器1的工作過程：在智能控制器1的控制下，通過光敏元件來(lái)探測(cè)周圍環(huán)境的光線強(qiáng)度，并根據(jù)光敏元件的探測(cè)結(jié)果向功率調(diào)節(jié)單元發(fā)出指令來(lái)實(shí)現(xiàn)夜晚時(shí)燈光開啟及天亮?xí)r路燈熄滅的操作。在路燈開啟的情況下，對(duì)射檢測(cè)單元開始工作，當(dāng)車輛或行人通過馬路時(shí)，對(duì)射探測(cè)接收單元會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的脈沖信號(hào)傳送給控制器1，控制器會(huì)根據(jù)脈沖信號(hào)以及時(shí)間間隔，通過軟件得到車輛或行人的數(shù)量及行進(jìn)速度等相關(guān)參數(shù)，并向功率調(diào)節(jié)單元發(fā)出相關(guān)指令，使其采取不同的燈光亮度等級(jí)并持續(xù)一段時(shí)間。與此同時(shí)，控制器1將相關(guān)參數(shù)通過無(wú)線通信單元傳遞給下一個(gè)或幾個(gè)單片機(jī)。
    下一個(gè)接收到信號(hào)的單片機(jī)會(huì)在人未到達(dá)前改變亮度等級(jí)，而持續(xù)的時(shí)間可滿足車輛或行人通過此燈一定距離，此燈也實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛或行人的通過，并把相關(guān)參數(shù)傳遞給以后的路燈。各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)與主控制室的計(jì)算機(jī)相互通信，可實(shí)時(shí)監(jiān)控路燈運(yùn)行狀況。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)主要單元硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2．1 移動(dòng)物體監(jiān)測(cè)單元
    信號(hào)發(fā)生電路由兩個(gè)555電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。前一個(gè)555用來(lái)產(chǎn)生的1 kHz的調(diào)制信號(hào)，并由③引腳輸出至后一個(gè)的復(fù)位端④腳，后一個(gè)555用來(lái)產(chǎn)生38 kHz方波信號(hào)。由④腳作為調(diào)制端，即當(dāng)④腳為高電平時(shí)，555是常規(guī)的方波振蕩器；當(dāng)④腳為低電平時(shí)，555的③引腳處于低電平。此信號(hào)發(fā)生器和38 kHz紅外接管即可實(shí)現(xiàn)行人或車輛的檢測(cè)，其電路原理圖如圖3所示。

2．2 無(wú)線傳輸單元
    本系統(tǒng)的主控制器采用了Atmel公司的ATmegal6，它是真正的RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，內(nèi)部資源非常豐富，并在片內(nèi)集成了各種功能強(qiáng)大的外圍接口和通信接口。在本次設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的任務(wù)主要是完成對(duì)經(jīng)過降壓處理而采集到的市電電壓進(jìn)行變換，通過軟件完成對(duì)節(jié)電等級(jí)的判斷，并控制相應(yīng)的繼電器進(jìn)行相應(yīng)的通斷動(dòng)作；還要對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的開關(guān)燈時(shí)間及狀態(tài)進(jìn)行記錄，以及完成和外部設(shè)備的通信等功能。
    該系統(tǒng)的無(wú)線通信模塊是Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)芯片nRF905，工作電壓為1．9～3．6 V，體積小，可工作于333／868／915 MHz三個(gè)ISM頻道，輸出增益范圍為-10～+10 dE，最大無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)50 Kb／s，適用于無(wú)線數(shù)據(jù)通信、無(wú)線報(bào)警及安全系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。該芯片通過單片機(jī)的簡(jiǎn)單控制即可方便實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)，它通過SPI口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，工作于從方式時(shí)，時(shí)鐘由單片機(jī)的SPI時(shí)鐘確定。

3 系統(tǒng)工作模式與軟件設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)工作模式
    照明區(qū)域控制器與智能節(jié)點(diǎn)之間通過nRF905模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，依然采用主／從結(jié)構(gòu)，即照明區(qū)域控制器給出控制指令，在指令中包含目標(biāo)智能節(jié)點(diǎn)地址信息，以廣播的方式下傳，智能節(jié)點(diǎn)接到指令后根據(jù)指令中的節(jié)點(diǎn)地址信息判斷是否執(zhí)行操作。對(duì)于需要作為中繼的節(jié)點(diǎn)，接到指令后首先判斷控制字和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址信息，當(dāng)為單點(diǎn)控制或查詢指令時(shí)，如果自身地址等于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址，則執(zhí)行該操作，否則判斷該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址是否處于自己中繼的有效范圍，是則中繼該指令，反之不做任何操作。
3．1．1 智能化照明控制策略設(shè)計(jì)
    在沒有人為或管理中心干預(yù)的情況下，照明區(qū)域控制器按照預(yù)設(shè)的照明控制策略完成自主的現(xiàn)場(chǎng)照明控制。本設(shè)計(jì)中采用了時(shí)間控制(時(shí)控)、環(huán)境參數(shù)輔助控制和手動(dòng)控制相結(jié)合的照明控制策略。環(huán)境參數(shù)輔助控制為可選功能，禁止使用時(shí)，為時(shí)控和手控相結(jié)合。三種控制方式的優(yōu)先級(jí)遵循以下原則：
    (1)手動(dòng)控制優(yōu)先級(jí)最高，手動(dòng)控制時(shí)，時(shí)控和環(huán)境參數(shù)輔助控制被屏蔽。
    (2)當(dāng)手動(dòng)控制取消后，環(huán)境參數(shù)輔助控制、時(shí)間控制恢復(fù)正常使用，如果處于時(shí)控有效期內(nèi)，系統(tǒng)按照時(shí)間控制策略維持／更新運(yùn)行狀態(tài)；如果處于時(shí)控有效期外，則根據(jù)環(huán)境狀況進(jìn)行控制。
    (3)系統(tǒng)退出手動(dòng)控制模式時(shí)，由照明區(qū)域控制器判斷當(dāng)前所屬時(shí)段，決定各交流接觸器是否打開或關(guān)閉。
3．1．2 環(huán)境參數(shù)與流量控制策略
     智能化的道路照明控制系統(tǒng)還應(yīng)該能夠根據(jù)天氣、交通流量等實(shí)際的環(huán)境參數(shù)調(diào)整照明控制措施，以獲得更好的照明質(zhì)量和節(jié)電效果。
    (1)照度輔助控制考慮到天氣異常變化的影響，需綜合考慮自然環(huán)境照度和當(dāng)前時(shí)間，執(zhí)行相應(yīng)的開燈或關(guān)燈操作。需要注意的是，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在進(jìn)行環(huán)境照度采集時(shí)必須采取延時(shí)或者軟件濾波等措施消除環(huán)境照度尖峰干擾(如閃電)。此外，還應(yīng)該限定根據(jù)照度進(jìn)行控制的作用時(shí)間段或者采用模糊控制手段區(qū)分干擾和正常情況，避免因突變持續(xù)性干擾造成的誤動(dòng)作。
    (2)交通流量輔助控制在智能化的照明控制系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)人性化的照明控制，還必須考慮同一照明季節(jié)內(nèi)交通流量變化規(guī)律的異常情況，尤其是在一些比較重要的節(jié)假日，人們的作息習(xí)慣會(huì)和平時(shí)出現(xiàn)差異，因此道路交通流量曲線與平時(shí)相比會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，這時(shí)就不能再按照正常的時(shí)間段劃分進(jìn)行控制，而必須借助于交通流量輔助控制?？紤]到這種波動(dòng)主要集中在較集中的時(shí)段內(nèi)，因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)就只限定在特定的時(shí)段內(nèi)有效。
3．1．3 區(qū)域控制策略
    無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展使得低成本的單燈控制和檢測(cè)成為可能，也使路燈的控制變得更加靈活。同一路段的不同路燈，由于其所處位置的不同，對(duì)其照明控制的要求可能也不相同。比如某個(gè)路段處于十字路口的路燈，由于位置的重要特殊性，就不能和其他路燈同時(shí)進(jìn)行相同的場(chǎng)景控制。另外對(duì)于一桿多燈的情況，需要考慮在交通流量減小時(shí)部分關(guān)閉以節(jié)約電能。區(qū)域控制可以通過配置控制系統(tǒng)底層(照明區(qū)域控制器智能節(jié)點(diǎn))之間的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)。區(qū)域控制數(shù)據(jù)幀格式如下：

    控制類型聲明單燈智能控制器應(yīng)該執(zhí)行何種控制操作，起始地址、終止地址和作用范圍一起聲明了對(duì)受控路燈節(jié)點(diǎn)的地址編號(hào)要求，這樣就相當(dāng)于將符合相同條件的路燈節(jié)點(diǎn)綁定在了一起，從而可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制。作用范圍根據(jù)單燈智能控制器地址編號(hào)的數(shù)學(xué)特征可以分為奇數(shù)有效、偶數(shù)有效等多種情況，因此可以實(shí)現(xiàn)多樣化的控制區(qū)域組合。
3．1．4 時(shí)間控制策略
    時(shí)間控制主要包括每天的開關(guān)燈控制和夜間按照道路交通流量分時(shí)段進(jìn)行的調(diào)光控制。這些控制操作不僅應(yīng)該能夠取得明顯的節(jié)電效果，還應(yīng)該能夠提高道路照明質(zhì)量。
    (1)開關(guān)燈時(shí)間可以一個(gè)月為時(shí)間段將一年分為12個(gè)時(shí)間段。每個(gè)月的起止時(shí)間應(yīng)以當(dāng)?shù)鼐唧w日照情況為準(zhǔn)，可采用多次測(cè)量后的平均值得到，并將得到的數(shù)據(jù)保存在單片機(jī)中供軟件查詢用。
    (2)夜間分時(shí)段多樣化控制。夜間的路燈照明控制主要是根據(jù)道路夜間交通流量變化規(guī)律進(jìn)行分時(shí)段控制，盡管在一條道路上每天夜間不同時(shí)刻的交通流量會(huì)略有差異，但在一段時(shí)間(一個(gè)月或幾個(gè)月)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)看，這種變化的波動(dòng)并不很大，所以完全可以按照平均交通流量變化規(guī)律把一年的照明周期劃分成若干照明季節(jié)。由于每個(gè)照明季節(jié)的開關(guān)燈時(shí)間有所差別，又將每天的整個(gè)時(shí)段分為三個(gè)小時(shí)段，每個(gè)小時(shí)段可以配合行人檢測(cè)對(duì)路燈進(jìn)行調(diào)光、部分開關(guān)或者全部開關(guān)等。
3．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本文采用了ICCAVR編輯器，結(jié)合Atmel公司的AVR Studio集成開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

    系統(tǒng)的工作流程如圖4所示，系統(tǒng)在外界光線達(dá)到照明需求時(shí)開始初始化，并進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)紅外探測(cè)器將不斷監(jiān)測(cè)路段行人或車輛，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給AVR主控制器，主控制器將根據(jù)數(shù)據(jù)量來(lái)點(diǎn)亮路燈，并開始利用nRF905向后一組路燈傳送消息，后一組在接收到消息后在主控制器中處理信息，提前點(diǎn)亮路燈，等待著再次監(jiān)測(cè)到物體，如此循環(huán)。其中軟件記錄開啟時(shí)間，進(jìn)入相應(yīng)劃分的時(shí)段時(shí)開啟相應(yīng)調(diào)光程序。
    單片機(jī)芯片和無(wú)線收發(fā)芯片在開始工作前都要進(jìn)行初始化配置，本系統(tǒng)中的包含了以下兩個(gè)部分的配置：
    (1)ATmegal6L的SPI接口初始化。ATmegal6L的異步串行接口和SPI接口用同一個(gè)USART模塊，且要選擇SPI的主／從機(jī)方式，還要保證系統(tǒng)中只有一個(gè)主機(jī)，對(duì)于此系統(tǒng)應(yīng)將AVR單片機(jī)設(shè)置為主機(jī)，nRF905模塊設(shè)置為從機(jī)。
    (2)nRF905的初始化配置。對(duì)無(wú)線收發(fā)芯片的初始化參數(shù)的配置是通過nRF905的配置寄存器進(jìn)行設(shè)置的。nRF905中有一個(gè)144 b的配置字，該配置字規(guī)定了無(wú)線收發(fā)器的無(wú)線收發(fā)工作模式、收發(fā)頻率、發(fā)射頻率、收發(fā)地址寬度、接收地址、無(wú)線傳輸速率、晶振頻率以及CRC校驗(yàn)和的長(zhǎng)度及有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等。在同一時(shí)刻，nRF905無(wú)線收發(fā)只能處于工作模式之一。不管模式想發(fā)送還是要接收數(shù)據(jù)，模塊上電后都要進(jìn)行初始化配置。
    nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)通過軟件設(shè)置TRX_CE，并使得TX_EN和PWR_UP為高電位來(lái)激活nRF905的Shock Burst TM發(fā)送模式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。通過Shock Burst TM可以使收發(fā)芯片自動(dòng)上電，且完成數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗(yàn)碼)并發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備(DR)引腳被置高，若AUTO_RETRAN被置高，那么，nRF905將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到檢測(cè)到TRX_CE為低電平；而當(dāng)TRX_CE被置為低電平時(shí)，表明nRF905數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)結(jié)束，并且會(huì)自動(dòng)進(jìn)入節(jié)電模式。
    當(dāng)TR_CE為高TX_EN為低時(shí)，nRF905進(jìn)入Shock Burst TM接收模式；再650μs后，nRF905不斷檢測(cè)，等待數(shù)據(jù)接收；當(dāng)nRF905檢測(cè)到同一頻段的載波時(shí)，載波檢測(cè)(CD)引腳被置高；但檢測(cè)到一個(gè)相匹配的地址后，地址匹配(AM)引腳被置高；之后就開始接收數(shù)據(jù)包，接收完成后，nRF905自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)位，然后把DR引腳置高。在此之后，單片機(jī)會(huì)將TRX_CE置低，使nRF905處于空閑模式；然后單片機(jī)會(huì)通過SPI接口將數(shù)據(jù)以一定的速率傳送到單片機(jī)內(nèi)；當(dāng)所有的數(shù)據(jù)都接收完畢后，nRF905會(huì)把DR引腳和AM引腳置低。至此已完成整個(gè)接收流程。
    單片機(jī)接收到信息后，會(huì)對(duì)和已存信息進(jìn)行分析比較，并發(fā)出相關(guān)指令，之后開始進(jìn)入下一個(gè)發(fā)送周期。

4 結(jié)語(yǔ)
    該智能路燈照明控制系統(tǒng)運(yùn)用多種控制方法，配合當(dāng)?shù)鼐唧w時(shí)段來(lái)管理路燈開關(guān)狀況及亮度等級(jí)，并運(yùn)用無(wú)線射頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)路段的區(qū)域控制和實(shí)時(shí)信息交換，實(shí)現(xiàn)“追光”照明。配有自動(dòng)故障報(bào)警功能，同時(shí)它降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，該系統(tǒng)使用方便，制造成本合理，維護(hù)較容易，綜合來(lái)看，有廣闊的前景。