- 基于物联网嵌入式技术的LED路灯控制器设计
- 学习主控器的设计
- 采用DN0112 芯片设计了PWM 调光?？?/strong>
目前，所使用的大功率LED 路灯大部分都是简单的直接照明，缺少必要的智能控制，或者有些虽然具备有智能控制的功能，但是却不能自动检测路灯的照明状况，也不能方便地对路灯进行远程及本地调控。 并且现有的照明管理系统大都采用有线电缆控制照明灯具，对LED 路灯进行调控，通信协议比较复杂，建设成本和运营成本都比较高。 本文将物联网嵌入式技术引入路灯控制器，实现LED 路灯的智能控制。
物联网，是指将各种信息传感设备，如射频识别( RFID) 装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，将沟通从任何时间任何地点任何人之间的沟通连接扩展到人与物( Human to Thing) 和物与物( Thing to Thing) 之间的沟通连接。 发展物联网的关键在于射频标签、传感器、嵌入式系统及传输数据计算等领域。 其中，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统是物联网的“大脑“和“中枢神经”，物联网内的所有个体都需要嵌入式系统来传输和处理处理信息，嵌入式系统的好坏将直接影响物联网的运做。
本文以路灯控制器为应用背景，设计了支持CDMA 及ISM 无线通信的智能路灯控制器，将物联网嵌入式技术应用其中，利用控制器提供的专用接口和CDMA 网络平台，实现与各类传感器的连接，实现“人—物”、“物—物”、“物—人”之间的信息交流。
1 路灯控制系统
本文设计的路灯控制系统由3 个控制层、2个通信层组成。 系统的结构如图1 所示。 操作人员通过监控软件或手机将需求数据发送到CDMA网络进而传送给路灯主控器; 路灯主控器对接收数据分析、处理，并通过自组ISM 无线网络将数据送给节点控制器; 节点控制器做出响应并发出返回数据，数据按原路径返回给操作人员。 本文设计了系统核心部分： 智能路灯控制器，包含了主控器及节点控制器的设计。
图1 路灯控制系统结构图
2 主控器设计
主控器包括： ATmega128 主控模块、CDMA 通信模块、ISM 通信模块、显示输入?？椋峁雇?所示。
图2 主控器结构图
[page]2. 1 主控模块
在主控?？椴捎煤诵陌迳杓疲峁谷缤? 所示。
图3 主控?？榻峁雇?/div>
主控芯片采用AVR ATmega128 芯片。 ATmega128是高性能、低功耗的AVR8 位微处理器，它的运行速度快，大多数指令可以在一个时钟周期内完成; 寿命： 10， 000 次写/擦除周期; 具有独立锁定位、可选择的启动代码区; 通过片内的启动程序实现系统内编程; 真正的读- 修改- 写操作硬件乘法器只需两个时钟周期; 具有128K 字节的系统内可编程Flash; 4K 字节的内部SRAM; 可以对锁定位进行编程以实现软件加密; 具有JTAG 接口，方便程序在线调试、下载; 两个可编程的串行USART; 可工作于主机/从机模式的SPI 串行接口。
2. 2 CDMA ?？?/strong>
CDMA ?？槟诓糠庾傲送晟频腡CP /IP 等协议栈，可为远程无线传输提供透明的TCP /IP 通道，主要完成主控器与远程控制中心通信，完成指令数据的双向传输。 CDMA 模块与主控器通过UART1 双向传送数据。 本系统选用电信公司提供的CDMA ?？?，通过MAX232 电平转换芯片和ATmega128 的UART1 口相连，实现全双工的数据通信。 ?？椴捎?V 供电，ATmega128 的PD6 口经MAX232 电平转换芯片转换后接到?？榈腄TR.
DTR 信号用来通知CDMA ?？樽急阜⑺褪莼故欠⑺鸵丫崾?br />
2. 3 ISM 通信?？?/strong>
ISM 通信?？橹饕瓿芍骺仄饔虢诘憧刂破魍ㄐ牛？樾酒敖涌谌缤? 所示。
主控芯片采用AVR ATmega128 芯片。 ATmega128是高性能、低功耗的AVR8 位微处理器，它的运行速度快，大多数指令可以在一个时钟周期内完成; 寿命： 10， 000 次写/擦除周期; 具有独立锁定位、可选择的启动代码区; 通过片内的启动程序实现系统内编程; 真正的读- 修改- 写操作硬件乘法器只需两个时钟周期; 具有128K 字节的系统内可编程Flash; 4K 字节的内部SRAM; 可以对锁定位进行编程以实现软件加密; 具有JTAG 接口，方便程序在线调试、下载; 两个可编程的串行USART; 可工作于主机/从机模式的SPI 串行接口。
2. 2 CDMA ?？?/strong>
CDMA ?？槟诓糠庾傲送晟频腡CP /IP 等协议栈，可为远程无线传输提供透明的TCP /IP 通道，主要完成主控器与远程控制中心通信，完成指令数据的双向传输。 CDMA 模块与主控器通过UART1 双向传送数据。 本系统选用电信公司提供的CDMA ?？?，通过MAX232 电平转换芯片和ATmega128 的UART1 口相连，实现全双工的数据通信。 ?？椴捎?V 供电，ATmega128 的PD6 口经MAX232 电平转换芯片转换后接到?？榈腄TR.
DTR 信号用来通知CDMA ?？樽急阜⑺褪莼故欠⑺鸵丫崾?br />
2. 3 ISM 通信?？?/strong>
ISM 通信?？橹饕瓿芍骺仄饔虢诘憧刂破魍ㄐ牛？樾酒敖涌谌缤? 所示。
图4 ISM ?？樾酒敖涌谏杓?/div>
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本文选用nRF24l01 作为ISM 通信模块无线收发芯片。 nRF24l01 芯片是工作在2. 4 ～ 2. 5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片，无线收发器包括： 频率发生器、增强型SchockBurstTM 模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器解调器、输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。 它具有内置链路层，自动应答及自动重发功能、地址及CRC 检验功能、数据传输率1 或2Mbps、SPI 接口数据速率0 ～ 8Mbps、125 个可选工作频道。 芯片具有极低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为- 6dBm 时电流消耗为9. 0mA，接收模式时为12. 3mA.
2. 4 显示输入?？?/strong>
本文选择TFT034 触摸液晶?？橛米飨允炯翱刂浦噶钍淙?。 TFT034 采用四线电阻触摸屏作为输入，320x240 像素的8 位数据的256 彩色LCD屏作为显示输出。
320x240 像素的8 位数据的256 彩色LCD 屏，显示一屏所需的显示缓存为320 × 240 × 8bit，即76800 字节，在显示中每个字节，对应着屏上的一个像素点，因此，8 位256 彩色显示的显示缓存与LCD 屏上的像素点是字节对应的。 每个字节中又有RGB 格式的区分，既有332 位的RGB，又有233 的格式。 在彩色图象显示时，首先要给显示缓存区一个首地址，这个地址要在4 字节对齐的边界上，而且，需要在SDRAM 的4MB 字节控制之内。 它是通过配置相应的寄存器来实现的。 之后，接下来的76800 字节，就为显示缓存区，这里的数据会直接显示到LCD 屏上去。 屏上图像的变换是由于该显示缓存区数据的变换而产生的。 触摸液晶屏通过26脚排线与主控器相连，主控器IO 口数据可直接驱动触摸液晶屏模块。 四线触摸屏坐标获取通过AD7843 采集实现，程序代码如下：
节点控制器包括： MCU 控制?？?、调光?？椤⑽尴咄ㄐ拍？?，结构如图5 所示：
3. 1 MCU 控制?？?/strong>
MCU 控制模块采用STC89C52 芯片。
STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。 使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。 片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，因此满足节点控制芯片的要求。 ?？榻峁谷缤? 所示。
本文选用nRF24l01 作为ISM 通信模块无线收发芯片。 nRF24l01 芯片是工作在2. 4 ～ 2. 5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片，无线收发器包括： 频率发生器、增强型SchockBurstTM 模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器解调器、输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。 它具有内置链路层，自动应答及自动重发功能、地址及CRC 检验功能、数据传输率1 或2Mbps、SPI 接口数据速率0 ～ 8Mbps、125 个可选工作频道。 芯片具有极低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为- 6dBm 时电流消耗为9. 0mA，接收模式时为12. 3mA.
2. 4 显示输入?？?/strong>
本文选择TFT034 触摸液晶?？橛米飨允炯翱刂浦噶钍淙?。 TFT034 采用四线电阻触摸屏作为输入，320x240 像素的8 位数据的256 彩色LCD屏作为显示输出。
320x240 像素的8 位数据的256 彩色LCD 屏，显示一屏所需的显示缓存为320 × 240 × 8bit，即76800 字节，在显示中每个字节，对应着屏上的一个像素点，因此，8 位256 彩色显示的显示缓存与LCD 屏上的像素点是字节对应的。 每个字节中又有RGB 格式的区分，既有332 位的RGB，又有233 的格式。 在彩色图象显示时，首先要给显示缓存区一个首地址，这个地址要在4 字节对齐的边界上，而且，需要在SDRAM 的4MB 字节控制之内。 它是通过配置相应的寄存器来实现的。 之后，接下来的76800 字节，就为显示缓存区，这里的数据会直接显示到LCD 屏上去。 屏上图像的变换是由于该显示缓存区数据的变换而产生的。 触摸液晶屏通过26脚排线与主控器相连，主控器IO 口数据可直接驱动触摸液晶屏模块。 四线触摸屏坐标获取通过AD7843 采集实现，程序代码如下：
节点控制器包括： MCU 控制?？?、调光?？椤⑽尴咄ㄐ拍？?，结构如图5 所示：
图5 节点控制器结构图
3. 1 MCU 控制?？?/strong>
MCU 控制模块采用STC89C52 芯片。
STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。 使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。 片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，因此满足节点控制芯片的要求。 ?？榻峁谷缤? 所示。
图6 MCU 控制?？榻峁雇?/div>
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3. 2 调光模块
调光?？槭迪指泄庥氲鞴夤δ?。 因为光敏电阻在黑暗环境里电阻值很高，当受到光照时，光敏电阻阻值下降，光照愈强，阻值愈低，入射光消失后，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。 因此采用光敏电阻作为感光传感器，由ADC0832 芯片将光敏电阻接收的光强模拟信号转换为数字信号输入到MCU 控制器中; MCU 控制器内部经过编程对输入的灯具工作参数进行分析判断，然后发出控制信号，控制恒流驱动电路输出电流的大小，从而控制LED 灯的亮度，进而达到智能调控LED 灯具的目的。
考虑到设计选用的为直流LED 路灯，参数为： 功率28 瓦; 电压AC100 - 280V; 功率因数> 0. 95 ; LED 颜色正白，暖白; 光通量2800 -12600LM; 色温3000—7000K ; 灯具效率90% ; 驱动电源恒流驱动45V 1. 5A 直流; 命50000 小时以上; 防护等级IP65 ; 工作温度- 35oC - 80oC ;工作湿度10% - 90%，因此需设计符合参数要求的直流调光电路。
直流调光方法常用的有： 调节正向电流的方法; 脉宽调制( PWM) 来调光。 调节正向电流的方法具有以下缺点： 调正向电流会使色谱偏移; 有时会出现使恒流源无法工作的问题; 长时间工作于低亮度有可能会使降压型恒流源效率降低温升增高而无法工作; 无法得到精确调光。 因而本文采用PWM 调光方法。
本文采用DN0112 芯片设计了PWM 调光模块。
DN0112 芯片是用于直流LED 灯的连续触摸IC 芯片，它通过输出PWM 可使灯光亮度在3% ～100%间无级调节，可使LED 路灯实现平滑的亮暗调节。 本文设计单片机P0. 3 输出调光控制信号，实现对DN0112 调光芯片的控制，使调光芯片可根据单片机输出的控制信号实现LED 灯开关、调光。
4、结论
本文设计了路灯主控制器及节点控制器，通过CDMA 通信实现了远程指令数据有效传输，通过自组无线传感网实现了主控制器与节点控制器指令数据的传输，给出了触摸液晶屏坐标点采集程序，通过对光强信号的采集设计了调光电路，完成了物联网的传感数据采集、嵌入式数据传输及处理，将物联网嵌入式技术引入到LED路灯控制器中。 实验证明，本文设计的路灯控制器能有效实现智能控制，取得了较好的节能、降耗效果。
3. 2 调光模块
调光?？槭迪指泄庥氲鞴夤δ?。 因为光敏电阻在黑暗环境里电阻值很高，当受到光照时，光敏电阻阻值下降，光照愈强，阻值愈低，入射光消失后，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。 因此采用光敏电阻作为感光传感器，由ADC0832 芯片将光敏电阻接收的光强模拟信号转换为数字信号输入到MCU 控制器中; MCU 控制器内部经过编程对输入的灯具工作参数进行分析判断，然后发出控制信号，控制恒流驱动电路输出电流的大小，从而控制LED 灯的亮度，进而达到智能调控LED 灯具的目的。
考虑到设计选用的为直流LED 路灯，参数为： 功率28 瓦; 电压AC100 - 280V; 功率因数> 0. 95 ; LED 颜色正白，暖白; 光通量2800 -12600LM; 色温3000—7000K ; 灯具效率90% ; 驱动电源恒流驱动45V 1. 5A 直流; 命50000 小时以上; 防护等级IP65 ; 工作温度- 35oC - 80oC ;工作湿度10% - 90%，因此需设计符合参数要求的直流调光电路。
直流调光方法常用的有： 调节正向电流的方法; 脉宽调制( PWM) 来调光。 调节正向电流的方法具有以下缺点： 调正向电流会使色谱偏移; 有时会出现使恒流源无法工作的问题; 长时间工作于低亮度有可能会使降压型恒流源效率降低温升增高而无法工作; 无法得到精确调光。 因而本文采用PWM 调光方法。
本文采用DN0112 芯片设计了PWM 调光模块。
DN0112 芯片是用于直流LED 灯的连续触摸IC 芯片，它通过输出PWM 可使灯光亮度在3% ～100%间无级调节，可使LED 路灯实现平滑的亮暗调节。 本文设计单片机P0. 3 输出调光控制信号，实现对DN0112 调光芯片的控制，使调光芯片可根据单片机输出的控制信号实现LED 灯开关、调光。
4、结论
本文设计了路灯主控制器及节点控制器，通过CDMA 通信实现了远程指令数据有效传输，通过自组无线传感网实现了主控制器与节点控制器指令数据的传输，给出了触摸液晶屏坐标点采集程序，通过对光强信号的采集设计了调光电路，完成了物联网的传感数据采集、嵌入式数据传输及处理，将物联网嵌入式技术引入到LED路灯控制器中。 实验证明，本文设计的路灯控制器能有效实现智能控制，取得了较好的节能、降耗效果。
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