基于LED冷光源的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計

     摘 要：LED冷光源作為一種節(jié)能、環(huán)保的新型綠色光源，是未來城市道路照明的發(fā)展方向。設(shè)計一種基于LED冷光源道路照明的智能路燈控制東統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)路燈的智能化設(shè)計，而且更可以提高能源的利用率。

　　0 引言

　　當前巨太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。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， 2006～2010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。這一計劃的實現(xiàn)將有效引導(dǎo)我國半導(dǎo)體照明應(yīng)用的健康怏速發(fā)展。

　　本課題正是基于LED冷光源道路照明而設(shè)計的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)、從而有效觖決現(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)信號、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)倮、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、普通照明和城市筱景等領(lǐng)域。雖然價格較現(xiàn)有照明器材昂貴，仍被認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<0．1W）等特點，相比傳統(tǒng)光源，LED 光源接近點光源，單相發(fā)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，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。當光通量衰減到70％時，其壽命達到了5O000 h，高壓鈉燈的壽命是lO000～20000 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戚。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，對地域外要求相對也較低。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)的最太的好處就是不需要再鋪設(shè)通信電纜就可容易地實現(xiàn)對每盞燈淘檢測，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所示。

圖1 智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)

　　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)控終端和集申控制器的通信，另一級為集中控制器和路燈控制器的通信。

　　監(jiān)控終端與集申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，每當完成所有路燈的一次信息收集時，集中控制器將剛收集的各路燈控制器監(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)送給路燈控制器詿其執(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。

　　3、1 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PL31O5（負責載波收發(fā)的相關(guān)控制）和宏晶的STC12C5404AD（其他控制）。STCl2C5404AD單片機是一款高速、寬電壓、低功耗的增強型8O51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STC12C5404AD Ft RXD，TXD連接，通過編寫單片lm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、電漉采集電路分別通過HCT218 和HPT304精密微型電壓互感器感應(yīng)交流的電壓、電流”再通7U 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。

2 路燈控制器硬件框圖

　　3.1.1 電力線載波摸塊

　　電力線載波通信（ Power Line Communicatton，PLO）是復(fù)明用電力線載波實現(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Pl－3105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各了在低壓電力線上組網(wǎng)遠程通信的強太功能；CPU通過配置寄存器來實現(xiàn)對載波通信的控制，接口方便參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。

　　3.1.2 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觀路由的功能。

　　由于一般的電力載波芯片的可靠通信距離在500 左右，在實際應(yīng)用中遠遠超過最大通信距離， 并以在本次設(shè)計的路燈控制器中增加了路由協(xié)議層，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)各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)晶。

　　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，并通過交換路曲信息維護、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)拓撲圖。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。如果信息表示甲絡(luò)發(fā)生了變化，路由軟件就重新計算路由并發(fā)出新自路由更新信息。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，并且在遇當?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，而且相對來說傳送的數(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。當路由器接收到數(shù)據(jù)包之后，首先驗證其臺壇性。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。主要哏據(jù)下面三個規(guī)則進行處理：

　?、佼擨P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。

　?、诋擨P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。

　?、郛擨P目擊：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。

　?。?）轉(zhuǎn)發(fā)尋址。路由器首先在路曲表中查找，判明是否知道如河將分組發(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。路曲器就把分組直接送到輻立的端口上。

　　（4）轉(zhuǎn)發(fā)驗證。在轉(zhuǎn)發(fā)之前，路由器宜該對數(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IP符合要求：二是具體數(shù)據(jù)的驗證Q看校驗得到的數(shù)據(jù)是否有誤。

　　3.2 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

　　3.2.1 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－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，造成時間沖突，采取以下措施：

　?。?）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1s調(diào)用一次；按鍵處理為l0 ms調(diào)用一次參設(shè)各巡檢按照設(shè)各編號5 min調(diào)用一次，定時處理程序流程圖如圖4～圖6所示。

圖3 主程序流程圖                            圖4 10 ms定時處理程序流程圖

圖5 1s定時處理程序流程圖           圖6 5 mm定時處理程序流程圖

　?。?）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，可以將一個侄務(wù)分為多個時間片處理。例如：按鍵處理程序中，當首次監(jiān)測到接鍵閉合時，是需要l0 ms 的延時時間來消抖，但是如果在程序中用1O 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l0 ms的等待時間讓給其他侄務(wù)執(zhí)行。

　?。?）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能可以先在中斷函數(shù)中設(shè)置標志，然后讓后臺程序根據(jù)標志再執(zhí)行具體功能。

　　3．2．2 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中存儲了基準電壓，當通過HPT304 精密微型電壓互感采集的電壓進人單片機 A／D轉(zhuǎn)化后與基準電壓相比較，當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。

圖7 主程序及中斷程序流程

　　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)各當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STC12C5404AD 單片機，除了其內(nèi)置AD，還因為其有四路可編程計數(shù)器陣列（PCA）／PWM，方便實現(xiàn)可調(diào)PWM信號的輸出。調(diào)光的實現(xiàn)是由集中控制器控制，當?shù)竭_設(shè)定的時間，中控制器通過電力線向路燈控制器發(fā)出信號，命令解碼后，STC12C5404AD的內(nèi)部控制寄存器置位，啟動可編程計數(shù)器陣列（PCA）／PWM工作，輸出可調(diào)PWM，實現(xiàn)調(diào)光的功能。

　　4結(jié)語

　　LED 作為一種節(jié)能環(huán)保的綠色照明光源，將會在今后的道路照明發(fā)展中起著越來越重要的作用，本文結(jié)合LED燈具自身特性，設(shè)計的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，節(jié)能、高效、人性化。