李巖，溫浩，常新華

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港口高桿燈智能控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李巖1，溫浩1，常新華2

（1. 五邑大學 信息工程學院，廣東 江門 529020；2. 魯東大學 電子與電氣工程學院，山東 煙臺 264025）

設計了一種基于單片機的港口高桿燈智能控制系統(tǒng). 該系統(tǒng)能根據(jù)港口所在地的經(jīng)緯度和日期，自動計算當?shù)孛刻烊粘鋈章涞臅r間，從而實現(xiàn)高桿燈自動定時開關(guān)；應用GSM模塊與單片機通信，通過短信實現(xiàn)對高桿燈的手動控制. 實際運行證明了系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠.

高桿燈；港口；日出日落時間；單片機

目前，國內(nèi)各港口的裝卸區(qū)域和大面積堆場多采用大功率高桿燈照明，每組高桿燈功率達數(shù)千瓦，光源總功率達數(shù)百千瓦，耗電量巨大[1]：因此對高桿燈進行科學、合理的控制是很有必要的. 由于港口區(qū)域較大，靠工人對單個高桿燈開關(guān)進行現(xiàn)場合閘操作不僅效率低，而且存在安全隱患；在高桿燈上安裝定時器，可以實現(xiàn)高桿燈在預設時間的開關(guān)，但是國內(nèi)港口，特別是北方港口四季晝夜時間長短變化較大，需要不斷地對預設時間進行調(diào)整，控制起來比較麻煩[2]；如果選用光控開關(guān)，由于港口堆場粉塵較大，對光強度傳感器的干擾較大，控制效果也不好[2-3]. 本文應用的單片機智能控制系統(tǒng)可根據(jù)港口所在地的經(jīng)緯度和日期計算出每天日出日落的時間，對高桿燈的開關(guān)時間進行自動調(diào)節(jié)；如果遇到陰雨等特殊情況天氣，可通過GSM網(wǎng)絡用手機短信控制高桿燈的開關(guān). 該系統(tǒng)已在北方某港口試用一年，具有操作簡單、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點.

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

系統(tǒng)主要由GSM模塊、時鐘電路、單片機和驅(qū)動電路等構(gòu)成，具體如圖1所示.

圖1 高桿燈控制系統(tǒng)框圖

本設計采用單片機作為系統(tǒng)的控制中心. 單片機從時鐘芯片讀取當前日期，再根據(jù)港口所在地的經(jīng)緯度計算出每天日出日落的時間；單片機實時讀取當前時間，并與計算出的日出日落時間進行比對，如果定時時間已到，單片機就根據(jù)定時控制高桿燈的閉或開. 同時，單片機通過串口與GSM模塊通信，可響應工作人員以短信形式發(fā)送來的控制命令，實現(xiàn)對高桿燈開關(guān)的手動控制以及系統(tǒng)時間的校準等功能.

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 單片機及時鐘電路

本設計主控單元采用宏晶STC12C5A60系列單片機. 該系列單片機具有較大的程存和數(shù)存空間，自帶E2PROM，芯片工作電壓3.3~5.5 V. 具體電路如圖2所示，其中，U1為時鐘芯片PCF8563，該芯片通過數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行I2C總線，與單片機之間雙向傳送數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)時間、日期等數(shù)據(jù)的讀取；U2為看門狗芯片MAX813L，在單片機程序跑飛或者系統(tǒng)電壓低于門限值（4.65 V）時，該芯片可以對單片機進行復位，保證單片機的正常工作；U3為安森美的LDO，實現(xiàn)電壓從12 V到5 V的轉(zhuǎn)換，同時增加TVS管對LDO的保護.

圖2 單片機及時鐘電路原理圖

2.2 驅(qū)動電路

實際中，每個高桿燈有3組高壓鈉燈，每組工作電流為10.3 A. 選用額定電壓380 V下額定電流37 A的接觸器來控制，每一路驅(qū)動電路如圖3所示，單片機I/O口與驅(qū)動電路之間增加了光耦進行隔離. 設計采用2個松樂SRS-12VDC型和1個歐姆龍G2R型功率繼電器構(gòu)成帶自鎖功能的繼電器電路.

需要開燈時，可控制P1.1口輸出一個100 ms的低電平脈沖，驅(qū)動Q2導通給繼電器K2線圈供電，K2吸合后將K1提供的12 V電壓提供給K3線圈，繼電器K3吸合，接觸器控制端子與220 V交流電接通，進而控制380 V電源點亮高桿燈. 由于繼電器K3的線圈也與其端子4相連，在脈沖結(jié)束后，通過端子4可繼續(xù)給線圈供電，使其保持吸合狀態(tài)，實現(xiàn)狀態(tài)的自鎖. 需要關(guān)燈時，可控制P1.0口輸出一個100 ms的低電平，驅(qū)動Q1給繼電器K1供電，K1吸合后端子6不再給K3供電，K3不再吸合，高桿燈關(guān)閉.

2.3 TC35i模塊與單片機接口電路

TC35i模塊是一款支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊. 使用RS232串口與MCU連接實現(xiàn)串口通信，通信速率為9 600 kbit/s，采用8位異步通訊方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位. 采用標準的AT指令集[5]方便開發(fā)與設計. 本文采用PDU編碼將控制指令和反饋信息以Unicode字符的形式發(fā)送.

TC35i 有40 個引腳，通過1個ZIF連接器引出. 設計中，將其第1～5引腳與VCC相連，第6～10引腳與地相連，實現(xiàn)對其供電. 第15引腳與單片機INT0引腳相連，通過一個大于100 ms的低電平脈沖實現(xiàn)模塊的啟動. 第18、19引腳與單片機RXD和TXD引腳相連，實現(xiàn)串口通信. 第24～29引腳依次與SIM卡的CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC和CCGND相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理[4].

圖3 高桿燈驅(qū)動電路

3 程序設計

3.1 主程序流程圖

初始化過程將完成對定時器、中斷、串口、GSM模塊以及時鐘芯片的初始化，將默認手機號碼和港口經(jīng)緯度信息依次寫入E2PROM的第一、二扇區(qū). 在每次完成開燈動作600 s后，程序?qū)⒆x取日期和經(jīng)緯度信息，由此計算出第2天關(guān)燈和開燈的時間，并存入E2PROM第3扇區(qū). 主程序?qū)⒉粩啾容^當前時間與存放在E2PROM中的定時時間. 如果定時時間到了，程序執(zhí)行相應的開關(guān)燈動作. 如果接收到短信命令，且手機號碼合法，則響應該短信命令.

例如，春、秋分前后，煙臺市的日落時間為18:00. 當前時間為17:50，此時為白天，不需要開燈. 程序?qū)⒉煌z測定時時間是否已到. 如果時間到了18:00，程序執(zhí)行開燈動作，600 s后計算明天的關(guān)燈和開燈時間. 之后將檢測是否到了新的關(guān)燈時間，當檢測到第2天6:00左右時，定時時間到，執(zhí)行相應的關(guān)燈操作. 而后繼續(xù)檢測是否到達第2天18:00左右的開燈時間，如此循環(huán)執(zhí)行.

圖4 主程序流程圖

3.2 日出日落時間算法

假設地球為球形，圓形太陽的上沿剛好到達地平線的時刻，即為太陽升起落下的時刻. 以觀察者所處的地平面為參考平面，考慮到大氣折射的影響，當太陽處在-0.833°的位置就是日出日落時的位置. 為了方便計算，把時間按角度換算，即12 h=180°. 計算時，先假設一個太陽位置，再采用這個假設的位置計算日出位置，采用迭代法不斷地用計算出的新位置重新計算太陽的位置. 當兩次位置之差足夠小時，輸出日出日落時間，具體算法參見文獻[6].

4 應用實例

本設計已經(jīng)成功應用在煙臺港大面積堆場的照明系統(tǒng)中，選擇每個月的1日、11日、21日對開關(guān)燈的時間進行監(jiān)測，具體結(jié)果如表1所示. 具體的開關(guān)燈時間與中科院國家授時中心提供的日出日落時間相比，誤差前后不超過3 min. 在陰、雨、霧天，還可通過手機短信進行控制，增強了系統(tǒng)的適應能力.

表1 國家授時中心日出日落時間與開關(guān)燈時間對比表

5 結(jié)論

經(jīng)過一年的觀測，系統(tǒng)運行穩(wěn)定. 由于大氣散射的原因，天亮和天黑時間會相應提前和延后，故系統(tǒng)誤差并未帶來實質(zhì)的影響. 在滿足港口裝卸對燈光要求的前提下，較大程度地節(jié)省了電力資源. 但系統(tǒng)缺少對高桿燈狀態(tài)及故障的檢測功能，仍需要人工確認. 如果能夠利用電腦作為多個高桿燈從機的服務器，通過GPRS網(wǎng)絡對高桿燈狀態(tài)進行實時監(jiān)控，應該會取得更加方便、直觀的效果，這也是今后改進的一個方向.

[1] 張國忠. 碼頭高桿燈照明節(jié)電的應用與研究[J]. 世界海運，2010, 33(5): 51-52.

[2] 李宗生. 高桿燈照明的無線遙控[J]. 港口裝卸，2008(4): 32.

[3] 景春國. 異常天氣城市路燈照明控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2006, 30(20): 81-82.

[4] SIEMENS. SIEMENS mobile TC35i hardware interface description[EB/OL]. http://www.SIEMENS.com. 1 2009-05-25.

[5]GSM AT命令手冊[Z]. 南京:南京傲屹電子有限公司，2006.

[6] 景春國，舒冬梅. 燈監(jiān)控系統(tǒng)中日出日落時間算法的實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代計算機：專業(yè)版，2003(5): 84-85.

Design of a Control System for Tall-pole Lamps Used at Ports

LIYan1, WENHao1, CHANGXin-Hua2

(1. School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China; 2. School of Electronic and Electrical Engineering, Ludong University, Yantai 264025, China)

An intelligent control system for tall-pole lamps at ports is designed based on MCU. This system can automatically calculate the local daily sunrise and sunset times based on local longitude, latitude and achieve automatic switch-on and switch-off of high-pole lamps. The system also applies the communication between the GSM module and the MCU to achieve the manual control of tall-pole lamps through SMS. Actual operation shows that the system is stable and reliable.

tall-pole lamp; port; the times of sunrise and sunset; MCU

1006-7302（2012）01-0058-05

TP273.5

A

2011-05-20

李巖（1986—），男，山東濟南人，在讀碩士生，研究方向為模式識別及智能控制.