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基于物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)的LED路燈控制器設(shè)計(jì)
作者：RFID世界網(wǎng) 收編
來源：阿里巴巴
日期：2011-10-26 15:07:37
摘要：本文以路燈控制器為應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)了支持CDMA及ISM無線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用接口和CDMA網(wǎng)絡(luò)平臺，實(shí)現(xiàn)與各類傳感器的連接，實(shí)現(xiàn)“人―物、“物―物、“物―人之間的信息交流。
目前，所使用的大功率LED路燈大部分都是簡單的直接照明，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，但是卻不能自動檢測路燈的照明狀況，也不能方便地對路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程及本地調(diào)控。并且現(xiàn)有的照明管理系統(tǒng)大都采用有線電纜控制照明燈具，對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)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，將溝通從任何時間任何地點(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)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(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)的所有個體都需要嵌入式系統(tǒng)來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無線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用接口和CDMA網(wǎng)絡(luò)平臺，實(shí)現(xiàn)與各類傳感器的連接，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個控制層、2個通信層組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。操作人員通過監(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；路燈主控器對接收數(shù)據(jù)分析、處理，并通過自組ISM無線網(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)。
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。
在主控模塊采用核心板設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。
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)程無線傳輸提供透明的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信號用來通知CDMA模塊準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)還是發(fā)送已經(jīng)結(jié)束。
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。
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)，在顯示中每個字節(jié)，對應(yīng)著屏上的一個像素點(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)對應(yīng)的。每個字節(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，首先要給顯示緩存區(qū)一個首地址，這個地址要在4字節(jié)對齊的邊界上，而且，需要在SDRAM的4MB字節(jié)控制之內(nèi)。它是通過配置相應(yīng)的寄存器來實(shí)現(xiàn)的。之后，接下來的76800字節(jié)，就為顯示緩存區(qū)，這里的數(shù)據(jù)會直接顯示到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26腳排線與主控器相連，主控器IO口數(shù)據(jù)可直接驅(qū)動觸摸液晶屏模塊。四線觸摸屏坐標(biāo)獲取通過AD7843采集實(shí)現(xiàn)，程序代碼如下：
節(jié)點(diǎn)控制器包括：MCU控制模塊、調(diào)光模塊、無線通信模塊，結(jié)構(gòu)如圖5所示：
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存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(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和在線系統(tǒng)可編程Flash，因此滿足節(jié)點(diǎn)控制芯片的要求。模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。
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，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)模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到MCU控制器中；MCU控制器內(nèi)部經(jīng)過編程對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，控制恒流驅(qū)動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)動電源恒流驅(qū)動45V1.5A直流；命50000小時以上；防護(hù)等級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)正向電流會使色譜偏移；有時會出現(xiàn)使恒流源無法工作的問題；長時間工作于低亮度有可能會使降壓型恒流源效率降低溫升增高而無法工作；無法得到精確調(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，它通過輸出PWM可使燈光亮度在3%～100%間無級調(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，實(shí)現(xiàn)對DN0112調(diào)光芯片的控制，使調(diào)光芯片可根據(jù)單片機(jī)輸出的控制信號實(shí)現(xiàn)LED燈開關(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CDMA通信實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程指令數(shù)據(jù)有效傳輸，通過自組無線傳感網(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，通過對光強(qiáng)信號的采集設(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。
物聯(lián)網(wǎng)，是指將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別(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)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，將溝通從任何時間任何地點(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)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(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)的所有個體都需要嵌入式系統(tǒng)來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無線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用接口和CDMA網(wǎng)絡(luò)平臺，實(shí)現(xiàn)與各類傳感器的連接，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個控制層、2個通信層組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。操作人員通過監(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；路燈主控器對接收數(shù)據(jù)分析、處理，并通過自組ISM無線網(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)。
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。
在主控模塊采用核心板設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。
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)程無線傳輸提供透明的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信號用來通知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。
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)，在顯示中每個字節(jié)，對應(yīng)著屏上的一個像素點(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)對應(yīng)的。每個字節(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，首先要給顯示緩存區(qū)一個首地址，這個地址要在4字節(jié)對齊的邊界上，而且，需要在SDRAM的4MB字節(jié)控制之內(nèi)。它是通過配置相應(yīng)的寄存器來實(shí)現(xiàn)的。之后，接下來的76800字節(jié)，就為顯示緩存區(qū)，這里的數(shù)據(jù)會直接顯示到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26腳排線與主控器相連，主控器IO口數(shù)據(jù)可直接驅(qū)動觸摸液晶屏模塊。四線觸摸屏坐標(biāo)獲取通過AD7843采集實(shí)現(xiàn)，程序代碼如下：
節(jié)點(diǎn)控制器包括：MCU控制模塊、調(diào)光模塊、無線通信模塊，結(jié)構(gòu)如圖5所示：
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存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(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和在線系統(tǒng)可編程Flash，因此滿足節(jié)點(diǎn)控制芯片的要求。模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。
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，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)模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到MCU控制器中；MCU控制器內(nèi)部經(jīng)過編程對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，控制恒流驅(qū)動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)動電源恒流驅(qū)動45V1.5A直流；命50000小時以上；防護(hù)等級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)正向電流會使色譜偏移；有時會出現(xiàn)使恒流源無法工作的問題；長時間工作于低亮度有可能會使降壓型恒流源效率降低溫升增高而無法工作；無法得到精確調(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，它通過輸出PWM可使燈光亮度在3%～100%間無級調(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，實(shí)現(xiàn)對DN0112調(diào)光芯片的控制，使調(diào)光芯片可根據(jù)單片機(jī)輸出的控制信號實(shí)現(xiàn)LED燈開關(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CDMA通信實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程指令數(shù)據(jù)有效傳輸，通過自組無線傳感網(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，通過對光強(qiáng)信號的采集設(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。
