LED路燈控制器設(shè)計(jì)

1、基于物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)的LED路燈控制器設(shè)計(jì)針對(duì)目前LED 路燈缺少智能控制的問(wèn)題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)的LED 路燈控制器設(shè)計(jì)方案。路燈主控器采用嵌入式AVR 芯片結(jié)合CDMA 與ISM 無(wú)線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈節(jié)點(diǎn)的有效遠(yuǎn)程及本地控制。采用光敏電阻作為光強(qiáng)傳感器，通過(guò)節(jié)點(diǎn)MCU 模塊的控制，實(shí)現(xiàn)了調(diào)光功能。 實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的LED 路燈控制器能有效實(shí)現(xiàn)智能控制。目前，所使用的大功率LED 路燈大部分都是簡(jiǎn)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(dòng)檢測(cè)路燈的照明狀況，也不能方便地對(duì)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(xiàn)電

2、纜控制照明燈具，對(duì)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(yíng)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(shí)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(lái)而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，將溝通從任何時(shí)間任何地點(diǎn)任何人之間的溝通連接擴(kuò)展到人與物（ Human to Thing） 和物與物（ Thing to Thing） 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

3、應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)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(gè)體都需要嵌入式系統(tǒng)來(lái)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(wú)線(xiàn)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(zhuān)用接口和CDMA 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與各類(lèi)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(gè)控制層、2個(gè)通信層組成。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 操作人員通過(guò)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

4、給路燈主控器； 路燈主控器對(duì)接收數(shù)據(jù)分析、處理，并通過(guò)自組ISM 無(wú)線(xiàn)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)。圖1 路燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2 主控器設(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。圖2 主控器結(jié)構(gòu)圖2. 1 主控模塊在主控模塊采用核心板設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。圖3 主控模塊結(jié)構(gòu)圖主控芯片采用AVR ATmega128 芯片。 ATmega128是高性能、低功耗的AVR8 位微處理器，它的運(yùn)行速

5、度快，大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成； 壽命： 10， 000 次寫(xiě)/擦除周期； 具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū)； 通過(guò)片內(nèi)的啟動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程； 真正的讀 修改 寫(xiě)操作硬件乘法器只需兩個(gè)時(shí)鐘周期； 具有128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash; 4K 字節(jié)的內(nèi)部SRAM; 可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)軟件加密； 具有JTAG 接口，方便程序在線(xiàn)調(diào)試、下載； 兩個(gè)可編程的串行USART; 可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI 串行接口。2. 2 CDMA 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(wú)線(xiàn)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

6、信，完成指令數(shù)據(jù)的雙向傳輸。 CDMA 模塊與主控器通過(guò)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(guò)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(hào)用來(lái)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. 3 ISM 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。圖4 ISM 模塊芯片及接口設(shè)計(jì)本文選用nRF24l01 作為ISM 通信模塊無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。 nRF24l0

7、1 芯片是工作在2. 4 2. 5GHz 世界通用ISM 頻段的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片，無(wú)線(xiàn)收發(fā)器包括： 頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurstTM 模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器解調(diào)器、輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。 它具有內(nèi)置鏈路層，自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能、地址及CRC 檢驗(yàn)功能、數(shù)據(jù)傳輸率1 或2Mbps、SPI 接口數(shù)據(jù)速率0 8Mbps、125 個(gè)可選工作頻道。 芯片具有極低的電流消耗，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為 6dBm 時(shí)電流消耗為9. 0mA，接收模式時(shí)為12. 3mA.2. 4 顯示輸入模塊本文選擇TFT034 觸摸液晶模塊用作顯示及

8、控制指令輸入。 TFT034 采用四線(xiàn)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(gè)字節(jié)，對(duì)應(yīng)著屏上的一個(gè)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(duì)應(yīng)的。 每個(gè)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(shí)，首先要給顯示緩存區(qū)一個(gè)首地址，這個(gè)地址要在4 字節(jié)對(duì)齊的邊界上，而且，需要在SDRAM 的4MB 字節(jié)

9、控制之內(nèi)。 它是通過(guò)配置相應(yīng)的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 之后，接下來(lái)的76800 字節(jié)，就為顯示緩存區(qū)，這里的數(shù)據(jù)會(huì)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(guò)26腳排線(xiàn)與主控器相連，主控器IO 口數(shù)據(jù)可直接驅(qū)動(dòng)觸摸液晶屏模塊。 四線(xiàn)觸摸屏坐標(biāo)獲取通過(guò)AD7843 采集實(shí)現(xiàn)，程序代碼如下：void int0_isr（ void） Coor_Y1 = Measure_Coordinate（ 0xd6） ;Coor_Y1 = （ Coor_Y1 4） 0x0fff;Coor_X1 = Measure_Coordinate（ 0x96） ;Coor_X1

10、= （ Coor_X1 4） 0x0fff;Coor_Y = （ unsigned int） （ （ unsigned long int）（ Coor_Y1 Y_T） * 320 /（ Y_B Y_T） ） ;Coor_X = （ unsigned int） （ （ unsigned long int）（ Coor_X1 X_T） * 240 /（ X_B X_T） ） ;PutPixel（ Coor_X，Coor_Y，_RED_COLOR） ;EIFR| = （ 1 INTF0） ; / /clr extend ints flag bitunsigned int Measure _ Coor

11、dinate （ unsigned char ControlByte） unsigned char i;unsigned int Coordinate;CLR_AD7843_CS（ ） ;for（ i = 0; i 8; i + + ） CLR_AD7843_CLK（ ） ;if（ ControlByte0x80） SET_AD7843_DI（ ） ;else CLR_AD7843_DI（ ） ;ControlByte = ControlByte 1;SET_AD7843_CLK（ ） ;CLR_AD7843_CLK（ ） ; while（ AD7843_BUSY_FLAG = = 0） ;C

12、LR_AD7843_DI（ ） ;for（ i = 16; i 0; i ） CLR_AD7843_CLK（ ） ;SET_AD7843_CLK（ ） ;Coordinate = 1;if（ AD7843_DO_STATE） Coordinate | = 0x0001; SET_AD7843_CS（ ） ;return（ Coordinate） ; 3 節(jié)點(diǎn)控制器設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)控制器包括： MCU 控制模塊、調(diào)光模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊，結(jié)構(gòu)如圖5 所示：圖5 節(jié)點(diǎn)控制器結(jié)構(gòu)圖3. 1 MCU 控制模塊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

13、，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。 使用高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(xiàn)系統(tǒng)可編程Flash，因此滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)控制芯片的要求。 模塊結(jié)構(gòu)如圖6 所示。圖6 MCU 控制模塊結(jié)構(gòu)圖3. 2 調(diào)光模塊調(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(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)換

14、為數(shù)字信號(hào)輸入到MCU 控制器中； MCU 控制器內(nèi)部經(jīng)過(guò)編程對(duì)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(hào)，控制恒流驅(qū)動(dòng)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?？紤]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30007000K ; 燈具效率90% ; 驅(qū)動(dòng)電源恒流驅(qū)動(dòng)45V 1. 5A 直流； 命50000 小時(shí)以上； 防護(hù)等級(jí)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

15、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(lái)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(huì)使色譜偏移； 有時(shí)會(huì)出現(xiàn)使恒流源無(wú)法工作的問(wèn)題； 長(zhǎng)時(shí)間工作于低亮度有可能會(huì)使降壓型恒流源效率降低溫升增高而無(wú)法工作； 無(wú)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(guò)輸出PWM 可使燈光亮度在3% 100%間無(wú)級(jí)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(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)實(shí)現(xiàn)LED 燈開(kāi)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(guò)CDMA 通信實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程指令數(shù)據(jù)有