基于LED冷光源的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(lái)城市道路照明的發(fā)展方向。設(shè)計(jì)一種基于LED冷光源道路照明的智能路燈控制系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)路燈的智能化設(shè)計(jì)，而且更可以提高能源的利用率。
關(guān)鍵詞：LED；路燈；節(jié)能；控制系統(tǒng)

0 引言
    當(dāng)前巨大的能源消耗和由此引起的能源短缺、價(jià)格上漲等已使得節(jié)約能源成為一項(xiàng)十分迫切的任務(wù)。國(guó)家“十一五計(jì)劃”提出“要把節(jié)約資源作為基本國(guó)策”，首次提出十一五期間單位國(guó)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，2006～2010年累計(jì)節(jié)電要達(dá)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(zhǎng)等特點(diǎn)，是未來(lái)照明的發(fā)展趨勢(shì)。2009年初，中國(guó)科技部推出“十城萬(wàn)盞”半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范城市方案，該計(jì)劃涵蓋北京、上海、深圳、武漢等21個(gè)國(guó)內(nèi)發(fā)達(dá)城市。這一計(jì)劃的實(shí)施將有效引導(dǎo)我國(guó)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冷光源道路照明而設(shè)計(jì)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(méi)有適時(shí)開(kāi)關(guān)燈、基本沒(méi)有節(jié)電效果等問(wèn)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(zhǎng)、體積小、多變幻適用性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，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(jià)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(dòng)，超低功耗(單管<0．1 w)等特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)光源，LED光源接近點(diǎn)光源，單相發(fā)光，好配光，光效利用率高。就平均照度來(lái)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(diǎn)照度來(lái)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(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品為例)。LED光源為固體冷光源，環(huán)氧樹(shù)脂封裝，燈體內(nèi)也沒(méi)有松動(dòng)的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積等缺點(diǎn)。當(dāng)光通量衰減到70％時(shí)，其壽命達(dá)到了50 000 h，高壓鈉燈的壽命是10 000～20 000 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(méi)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(jià)、監(jiān)測(cè)范圍、控制點(diǎn)設(shè)置、擴(kuò)容方便等要求，在本次設(shè)計(jì)中采用無(wú)線(xiàn)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(gè)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(jī)即監(jiān)控終端放在城市路燈管理部門(mén)，以單個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸、長(zhǎng)時(shí)間在線(xiàn)，并且可獲得按流量收費(fèi)的低資費(fèi)方式，硬件投資少，對(duì)地域要求相對(duì)也較低。在集中控制器與路燈控制器之間則采用電力線(xiàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)每盞燈的檢測(cè)，減少了通道建設(shè)的費(fèi)用。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。



3 通信的實(shí)現(xiàn)
    整個(gè)系統(tǒng)采用分級(jí)通信機(jī)制，一級(jí)為監(jiān)控終端和集中控制器的通信，另一級(jí)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(xiàn)載波通信。集中控制器可以獨(dú)立工作，根據(jù)提前設(shè)定的方案開(kāi)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(shí)，集中控制器將剛收集到的各路燈控制器監(jiān)測(cè)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(shí)，將監(jiān)控終端下達(dá)的命令解析并通過(guò)電力線(xiàn)載波通信發(fā)送給路燈控制器讓其執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)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(jī)地址相符的命令就執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作并反饋執(zhí)行結(jié)果給集中控制器。通過(guò)這兩級(jí)通信，整個(gè)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(shí)現(xiàn)
    為了便于系統(tǒng)的軟硬件模塊設(shè)計(jì)、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(jí)等，本次設(shè)計(jì)采用了雙CPU結(jié)構(gòu)，兩個(gè)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(jī)是一款高速、寬電壓、低功耗的增強(qiáng)型8051內(nèi)核單片機(jī)。由于設(shè)計(jì)中要求的實(shí)時(shí)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，通過(guò)編寫(xiě)單片機(jī)啟動(dòng)程序，對(duì)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(xiàng)動(dòng)作。電壓、電流采集電路分別通過(guò)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(guò)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(gè)電力線(xiàn)載波模塊連接在同一相線(xiàn)上，在主從通信模式下，模塊分別單獨(dú)工作。其硬件框圖如圖2所示。


3．1．1 電力線(xiàn)載波模塊
    電力線(xiàn)載波通信(Power Line Communication，PLC)是利用電力線(xiàn)載波實(shí)現(xiàn)信息傳遞的通信方式的統(tǒng)稱(chēng)。它具有諸多優(yōu)點(diǎn)：如應(yīng)用范圍廣、實(shí)現(xiàn)成本低、永久在線(xiàn)等。
    電力線(xiàn)載波模塊使用的PL3105芯片是專(zhuān)為自動(dòng)抄表、智能信息家電以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)而開(kāi)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(kāi)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(xiàn)上組網(wǎng)遠(yuǎn)程通信的強(qiáng)大功能；CPU通過(guò)配置寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)載波通信的控制，接口方便；擴(kuò)頻通信單元具有較強(qiáng)的抗帶內(nèi)同頻干擾、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。
3．1．2 路由算法的實(shí)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(shí)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(shí)際應(yīng)用中遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)最大通信距離，所以在本次設(shè)計(jì)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(jì)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(xiàn)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(xiàn)來(lái)進(jìn)行控制的智能控制產(chǎn)品。
    路由動(dòng)作包括兩項(xiàng)基本內(nèi)容：尋徑和轉(zhuǎn)發(fā)。尋徑即判定到達(dá)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(lái)填充路由表，并通過(guò)交換路由信息維護(hù)、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(guò)分析來(lái)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(xiàng)目中，采用動(dòng)態(tài)路由算法，通過(guò)分析收到的路由更新信息來(lái)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，路由軟件就重新計(jì)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(jì)算并對(duì)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(bǔ)充，以使系統(tǒng)整體穩(wěn)定運(yùn)行。鑒于有些項(xiàng)目規(guī)模較小，載波網(wǎng)絡(luò)的硬件十分固定，而且相對(duì)來(lái)說(shuō)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(jì)，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(dòng)作的操作過(guò)程主要包括下面幾點(diǎn)：
    (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(yàn)證其合法性，然后把報(bào)頭、報(bào)文和校驗(yàn)字節(jié)分離開(kāi)來(lái)。再根據(jù)報(bào)頭的不同，選擇操作。
    (2)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。當(dāng)接收到有效的報(bào)文時(shí)，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)IP廣播或多播時(shí)，也可能是一種混合的情況。對(duì)這些情況的判斷，主要根據(jù)下面三個(gè)規(guī)則進(jìn)行處理：
    ①當(dāng)IP目的地址中有一個(gè)源路由選項(xiàng)時(shí)，根據(jù)路由表的相應(yīng)表項(xiàng)將其發(fā)送到下一個(gè)站點(diǎn)，而不進(jìn)行本地提交。
    ②當(dāng)IP目的地址中的某一個(gè)地址與路由器的某個(gè)端口地址相符時(shí)，將進(jìn)行本地提交。
    ③當(dāng)IP目的地址是一個(gè)廣播地址，或者是個(gè)既要轉(zhuǎn)發(fā)又要本地提交的多播地址時(shí)，將同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)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(gè)站點(diǎn)(路由器或主機(jī))，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(xiàng)將分組發(fā)送到下一個(gè)站點(diǎn)，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相應(yīng)的端口上。
    (4)轉(zhuǎn)發(fā)驗(yàn)證。在轉(zhuǎn)發(fā)之前，路由器應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行一些校驗(yàn)工作，而只有驗(yàn)證無(wú)誤的時(shí)候才能進(jìn)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(yàn)分為兩個(gè)部分：一個(gè)是IP的驗(yàn)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(yàn)證，看校驗(yàn)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(shí)現(xiàn)
3．2．1 集中控制器
    主程序結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)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(hù)，本設(shè)計(jì)中采用了多模塊的組織結(jié)構(gòu)。每個(gè)任務(wù)都是一個(gè)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(mǎn)足，主程序流程圖如圖3所示。
    為了避免各任務(wù)搶占時(shí)鐘資源，造成時(shí)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(shí)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(hào)5 min調(diào)用一次，定時(shí)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(guò)長(zhǎng)影響其他任務(wù)的及時(shí)處理，可以將一個(gè)任務(wù)分為多個(gè)時(shí)間片處理。例如：按鍵處理程序中，當(dāng)首次監(jiān)測(cè)到按鍵閉合時(shí)，是需要10 ms的延時(shí)時(shí)間來(lái)消抖，但是如果在程序中用10 ms的延時(shí)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)就會(huì)影響到其他程序的執(zhí)行，故應(yīng)該把這10 ms的等待時(shí)間讓給其他任務(wù)執(zhí)行。
    (3)對(duì)于實(shí)時(shí)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(duì)于實(shí)時(shí)性不是很強(qiáng)的功能可以先在中斷函數(shù)中設(shè)置標(biāo)志，然后讓后臺(tái)程序根據(jù)標(biāo)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(jī)命令采集實(shí)時(shí)電量。為了便于監(jiān)控路燈的工作狀態(tài)，在單片機(jī)的E2PROM中存儲(chǔ)了基準(zhǔn)電壓，當(dāng)通過(guò)HPT304精密微型電壓互感采集的電壓進(jìn)入單片機(jī)A／D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(shí)，通信故障碼置位，并按照通信協(xié)議由電力線(xiàn)載波模塊發(fā)送至集中控制器報(bào)警，其程序流程圖，如圖7所示。


    PL3105與集中控制器通過(guò)電力線(xiàn)相互通信，對(duì)用戶(hù)而言，電力線(xiàn)載波模塊為客戶(hù)建立起透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，用戶(hù)可以將主從設(shè)備當(dāng)成是電纜直接相連就可以了，用戶(hù)通信的可靠性由用戶(hù)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(lái)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(lái)得到，通過(guò)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(qiáng)度。
    結(jié)合LED光源的這個(gè)特點(diǎn)，采用PWM調(diào)光來(lái)實(shí)現(xiàn)減少資源浪費(fèi)和光源污染的目的。本設(shè)計(jì)使用宏晶公司的STCl2C5404AD單片機(jī)，除了其內(nèi)置AD，還因?yàn)槠溆兴穆房删幊逃?jì)數(shù)器陣列(PCA)／PWM，方便實(shí)現(xiàn)可調(diào)PWM信號(hào)的輸出。調(diào)光的實(shí)現(xiàn)是由集中控制器控制，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的時(shí)間，中控制器通過(guò)電力線(xiàn)向路燈控制器發(fā)出信號(hào)，命令解碼后，STCl2C5404AD的內(nèi)部控制寄存器置位，啟動(dòng)可編程計(jì)數(shù)器陣列(PCA)／PWM工作，輸出可調(diào)PWM，實(shí)現(xiàn)調(diào)光的功能。

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