趙向南

(中北大學信息與通信工程學院，山西太原030051)

0 引言

隨著“十二五”節(jié)能減排計劃的推進及全球能源消耗與日俱增并引起了能源短缺已經(jīng)影響到了我們的生活，因而節(jié)能是當下社會面臨的急切問題。但是，目前我國大部分城市的路燈照明都采用“全夜燈恒照度”的方式，這大大地增加了城市的用電量，造成資源的浪費。因此設計LED路燈智能控制系統(tǒng)成為城市照明節(jié)能的關鍵一步。

LED燈不僅具有體積小而堅固耐用、耗電量低、使用壽命長、環(huán)保等優(yōu)點，而且LED的工作范圍較大，能夠通過脈沖寬度調(diào)節(jié)的方法，即通過調(diào)節(jié)電壓的占空比和工作頻率，有效調(diào)節(jié)LED的發(fā)光強度。因此，結合LED燈的這些優(yōu)點，采用單片機控制技術對路燈的亮度進行智能化控制以實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)對任一盞、一路或某自定義組路燈的開關、定時開關和調(diào)光、分時段調(diào)光及路燈狀態(tài)、電流電壓的查詢等功能。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

結合實際應用設計LED路燈的控制系統(tǒng)主要由以下三部分構成［1］:上位機監(jiān)控軟件、基站及控制節(jié)點?？刂葡到y(tǒng)的結構框圖如圖1所示?；九c節(jié)點間采用短距離的雙向無線通信技術;基站與上位機監(jiān)控軟件通過以太網(wǎng)進行通信。上位機軟件可同時管理多個控制基站，而每個基站又可以同時控制數(shù)個節(jié)點。其工作過程是上位機下發(fā)控制命令給基站，然后，基站經(jīng)過無線廣播給它所控制的所有節(jié)點，節(jié)點分析執(zhí)行上位機命令開關路燈或輸出PWM電壓控制路燈的明亮［2］。同時，節(jié)點也將采集信號經(jīng)過無線模塊主動上傳給基站，基站再經(jīng)以太網(wǎng)上傳至上位機軟件。

1.2 控制節(jié)點設計［3］

其中，控制節(jié)點由信號采集傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理MCU和外圍電路構成，它是 LED路燈智能控制系統(tǒng)設計的重點。在每一盞LED路燈上都需要安裝控制節(jié)點，當系統(tǒng)需要對LED路燈進行控制時，負責完成路燈的開關、定時調(diào)光、數(shù)據(jù)采集等任務，是整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構，其硬件電路的框圖如圖2所示。

圖1 控制系統(tǒng)的結構框圖

圖2 控制節(jié)點的結構框圖

主要以MSP430f2132單片機為核心控制器;以CC1100芯片為信號傳輸模塊;采用光敏電阻對外部光線強弱信號進行檢測，將采集到的模擬信號傳輸至單片機的ADC中進行處理，然后將數(shù)據(jù)傳送至基站，用于上位機判斷是否執(zhí)行開關路燈;繼電器用于開關電源，進而控制LED路燈的開關;PWM模塊主要通過控制供給驅(qū)動電路的電壓占空比，有效地調(diào)節(jié)LED路燈的發(fā)光強度［4］。

光敏電阻是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強度變化而改變的電阻器，入射光強時電阻值減小。可將其與另外一個分壓電阻串聯(lián)來控制輸入三極管的開關，三極管的集電極輸出電壓輸入到單片機的ADC中。當白天光照強度比較強時光敏電阻阻值減小，三極管處于截止狀態(tài)，其集電極輸出低電平。當弱光或無光照射時光敏電阻的阻值增大，三極管處于導通狀態(tài)，其集電極輸出高電平。當高于預先設定值時，上位機軟件控制繼電器打開LED路燈的電源開關。

LED路燈的定時開關主要由繼電器控制，當MSP430單片機電路引腳輸出高電平時，三極管Q1截止，繼電器處于斷開狀態(tài);當引腳輸出低電平時，三極管Q1導通，繼電器吸合，驅(qū)動電路上電，LED路燈點亮［5］。其電路圖如圖3所示。

采用PWM對LED路燈進行調(diào)光實際上是控制驅(qū)動電路的直流電壓的開關以一定頻率打開與閉合，其控制原理與繼電器控制電路相同，從而改變LED路燈上的電壓。由于加在驅(qū)動電路上的電壓持續(xù)時間隨PWM的占空比變化，進而改變了加在LED上的平均電流。假設某一固定直流電壓產(chǎn)生的最大電流是Imax，而開關頻率為f且閉合的周期為t，則流經(jīng)LED路燈的平均電流I為:I=Imax*f*t;因此只要改變閉合的周期t就能改變平均電流，進而改變LED路燈的亮度。最終實現(xiàn)LED路燈的調(diào)光。其硬件電路如圖3所示。

圖3 繼電器和PWM輸出控制電路

1.3 基站控制設計

基站控制器主要由兩個信號的傳輸模塊、一個單片機、一個存儲芯片及外圍電路構成，其中一個無線信號傳輸模塊負責與控制節(jié)點上的信號傳輸模塊通信，另一個負責通過以太網(wǎng)與上位機監(jiān)控軟件通信;存儲芯片用來存儲一些重要數(shù)據(jù);單片機負責處理兩個信號間通信協(xié)議的轉換。

2 通信協(xié)議設計

本協(xié)議適用于LED路燈智能控制系統(tǒng)基站與路燈節(jié)點之間，以及基站與上位機軟件之間的數(shù)據(jù)通信。其中基站與路燈節(jié)點之間的通信內(nèi)容主要包括:路燈數(shù)據(jù)上傳幀(路燈主動發(fā)送給基站):路燈ID、包序號、環(huán)境亮度、路燈電流、路燈電壓、采集時間;狀態(tài)設置幀(基站發(fā)送給路燈):基站ID，路燈ID，包序號，路燈工作參數(shù);狀態(tài)設定確認幀(路燈發(fā)送給基站):路燈ID、包序號、路燈工作參數(shù)。且LED路燈一直處于偵聽狀態(tài)，隨時接收基站數(shù)據(jù)?；九c上位機間的通信內(nèi)容主要包括:設置命令幀:設置命令幀包括設置路燈的模式、設置路燈的ID列表信息;數(shù)據(jù)采集(服務器發(fā)送給基站):基站ID、路燈ID、包序號、采集參數(shù);數(shù)據(jù)采集應答:基站ID、路燈ID、包序號、路燈工作參數(shù)［6］。其基本格式如表1:

表1 協(xié)議格式

3 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)硬件各個模塊的需求和功能，設計了控制節(jié)點的軟件。系統(tǒng)上電工作以后，節(jié)點、基站、上位機進行初始化。然后根據(jù)要求設定系統(tǒng)的配置參數(shù)，包括開燈時間、基站ID號、路燈狀態(tài)、亮度等等。節(jié)點定時上傳數(shù)據(jù)上傳幀，當開燈時間來到或環(huán)境光強度低于設定值時，監(jiān)控軟件下發(fā)設置命令幀給基站，然后基站下發(fā)設置狀態(tài)幀，節(jié)點接收成功后執(zhí)行，打開路燈;調(diào)光設置時，根據(jù)設定的調(diào)光等級改變PWM占空比［7］。圖4是程序流程圖。

圖4 程序流程圖

4 測試結果及結論

從表2的LED路燈工作測試中可以看出在上位機參數(shù)設置下發(fā)后，LED路燈完全可以按照參數(shù)設置命令執(zhí)行。當開燈時間到時，LED路燈會根據(jù)環(huán)境光強度自動打開;調(diào)光命令下發(fā)時，路燈會根據(jù)調(diào)光等級自動改變亮度;同時也實現(xiàn)了任意一盞、一路或自定義的某一組LED路燈的定時開關、狀態(tài)查詢及調(diào)光等功能。

表2 LED路燈工作狀態(tài)測試

研究設計智能、運行可靠的LED路燈控制系統(tǒng)是一種必然趨勢，且具有不可估量的經(jīng)濟價值及社會價值。經(jīng)試驗檢測，本文所設計的系統(tǒng)完全具備節(jié)能化和智能化，大大提高了用電效率，方便了人們生活。在當今社會大力提倡節(jié)能減排的大背景下，該系統(tǒng)擁有十分廣闊的應用前景。

［1］紀玲玲.路燈控制系統(tǒng)控制方法研究［J］.廣西物理，2009，30(3):38 －40.

［2］林繼鋼，俞安琪.LED驅(qū)動電路簡介［J］.中國照明電器，2007(9):12－15.

［3］紀宗南.單片機外圍器件實用手冊［M］.北京:北京航空航天大學出版社，1998.

［4］趙家貴.電子電路設計［M］.北京:中國計量出版社，2005:30－50.

［5］華成英.模擬電子技術［M］.第4版.北京:高等教育出版社，2007:80－95.

［6］周興華.手把手教你學單片機C程序設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009:213－223.

［7］張秀國.單片機C語言程序設計教程與實訓［M］.北京:北京大學出版社，2008:25－52.