基于MSP430單片機(jī)的路燈/飾燈無(wú)線監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市照明設(shè)施的功能從單純的以照明為主轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)現(xiàn)美化環(huán)境、改善形象、活躍夜市經(jīng)濟(jì)的目的。對(duì)城市燈飾的管理與控制迫切需要一種科學(xué)、合理、高效的方法。因此，提供一種有效而合理的控制與管理的方法，對(duì)城市路燈與飾燈的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程智能監(jiān)控顯得極為重要。針對(duì)城市路燈和飾燈“終端多、地域廣、戶外、分散、信息量不大”等特點(diǎn)，總體上選擇無(wú)線通訊方式比較合適。但對(duì)路燈進(jìn)行單燈控制和相鄰樓宇的亮化控制時(shí)，可以采用有線通信的方式。這樣，既克服了傳統(tǒng)的路燈控制方法、控制方式單一而無(wú)法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理要求的弱點(diǎn)，又能適應(yīng)現(xiàn)代城市隊(duì)燈飾控制的要求。而無(wú)線監(jiān)控終端是燈飾監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)，是確保開關(guān)燈及時(shí)性、準(zhǔn)確性、節(jié)約能源，提高亮燈率等指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。

在開發(fā)張家港路燈和飾燈的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控終端時(shí)，采用美國(guó)TI公司的16位單片機(jī)MSP430F149工業(yè)級(jí)芯片為主的測(cè)控系統(tǒng)，MSP430F149內(nèi)含 CPU、RAM、ROM、E2PROM、WATCHDOG和12位A/D等。與其它微處理器相比，MSP430系列具有能耗小、啟動(dòng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、低電壓供電等特點(diǎn)，尋址空間達(dá)64KB、中斷與子程序調(diào)用層次無(wú)限制、I/O口具有中斷能力，這樣大大減少和方便了外圍電路設(shè)計(jì)。滿足了系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控終端的要求。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理與工作過程

路燈監(jiān)控系統(tǒng)主要有中央控制室和監(jiān)控終端年部分組成，其中監(jiān)控終端根據(jù)用途分為路燈監(jiān)控終端、飾燈監(jiān)控終端、飾燈擴(kuò)展終端與路燈單燈控制終端是部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。虛線筐內(nèi)為監(jiān)控終端。圖中虛線表示無(wú)線通訊，實(shí)線表示有線通訊。

中央控制室與路燈、飾燈監(jiān)控終端之間的通信采用VHF/UHF無(wú)線電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕿?200Bps, 調(diào)制方式為FSK，工作在異頻雙工方式。由于外圍站點(diǎn)較分散，因此通信體制采用大區(qū)制，其結(jié)構(gòu)為星形拓?fù)?，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)。飾燈擴(kuò)展終端與飾燈監(jiān)控終端之間采用串行通訊交換數(shù)據(jù)。路燈監(jiān)控終端與單燈控制器之間采用電力載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

3監(jiān)控終端的硬件設(shè)計(jì)

由于該監(jiān)控系統(tǒng)終端用來(lái)控制路燈與飾燈，而路燈與飾燈的控制要求也有所不同，因此路燈監(jiān)控終端與飾燈監(jiān)控終端在硬件設(shè)計(jì)上有所不同。

圖1  監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 飾燈監(jiān)控終端及其擴(kuò)展終端

飾燈監(jiān)控終端既是系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測(cè)控單元，又具有自我運(yùn)行的能力。硬件主要包括無(wú)線通訊電路、數(shù)據(jù)采樣及A/D轉(zhuǎn)換電路、控制輸出電路、鍵盤與顯示電路等，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 飾燈監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)圖

采樣回路實(shí)時(shí)采集總電路電流和電壓量以及所有支路的電流量。信號(hào)經(jīng)V/I變送器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、信號(hào)調(diào)理電路送入MSP430的A/D轉(zhuǎn)換口。每個(gè)終端可輸出四種不同的控制方式（如時(shí)段燈、半夜燈等）。無(wú)線通訊電路的核心部分是調(diào)制/解調(diào)芯片和Motorol的GM950i電臺(tái)。另外，設(shè)計(jì)兩個(gè)RS- 485口分別用系統(tǒng)擴(kuò)展與遠(yuǎn)程抄表。

飾燈擴(kuò)展終端適用于兩個(gè)站點(diǎn)距離較近，且鋪設(shè)電纜比較容易，或無(wú)線通信信號(hào)不能到達(dá)的情況（如地下室等），其結(jié)構(gòu)與飾燈監(jiān)控終端大致相同，與監(jiān)控終端之間通過RS-485口相連，因此飾燈監(jiān)控終端不需要電臺(tái)，這樣可大大節(jié)約成本。

3.2  路燈監(jiān)控終端及單燈控制終端

路燈監(jiān)控終端是在飾燈監(jiān)控終端的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上再增加一個(gè)單燈管理單元。單燈管理單元采用AT89C51單片機(jī)，與MSP430之間通過串行通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

單燈控制終端實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的單燈控制，其結(jié)構(gòu)見圖3。電流電壓信號(hào)經(jīng)電流電壓互感器到信號(hào)調(diào)理電路，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。開關(guān)量電路主要采集各種開關(guān)量，如燈桿傾斜，開關(guān)合閘等。地址編碼單元主要用于設(shè)置單燈控制終端地址。通信模塊主要由電力載波通訊專用芯片SSC P300 與 SSC P111組成，主要完成路燈控制終端與單燈控制終端之間的通信。繼電器輸出單元控制路燈的開關(guān)。

圖3 單燈控制終端結(jié)構(gòu)圖

4監(jiān)控終端的軟件設(shè)計(jì)

4.1 通訊的數(shù)據(jù)格式

飾燈監(jiān)控終端與其擴(kuò)展終端之間是主站與從站的關(guān)系，它們之間通訊的主要目的是主站向從站發(fā)出命令，從站執(zhí)行命令并向主站發(fā)回當(dāng)前的工作狀態(tài)。其規(guī)程是：主站向從站發(fā)送命令；從接收到命令后執(zhí)行命令，且立即向主站返回當(dāng)前狀態(tài)；主站發(fā)送命令后，２秒內(nèi)為收到從站應(yīng)答則認(rèn)為通訊超時(shí)。其通信格式如表１、表２所示。

路燈監(jiān)控終端與單燈控制終端（ＬＣＵ）之間的通訊格式與飾燈監(jiān)控終端與其擴(kuò)展終端之間格式有所不同，這主要由路燈自身的特點(diǎn)決定。路燈監(jiān)控終端與單燈控制終端發(fā)送命令格式中命令標(biāo)志包括單燈控制器查詢、開關(guān)操作與地址配置等。單燈控制終端（ＬＣＵ）返回格式中的部分故障信息包含路燈故障、燈桿傾斜和通訊超時(shí)等。其通信格式如表３、表４所示。

表３　路燈監(jiān)控終端向單燈控制終端（ＬＣＵ）發(fā)送命令格式

4.2　監(jiān)控終端的軟件設(shè)計(jì)

飾燈/路燈監(jiān)控終端的軟件開發(fā)環(huán)境采用IAR公司的WINDOWS WORKBENCH軟件，與之相配套的是TI公司提供的開發(fā)軟件MSP-FET430P140，用戶可完成設(shè)計(jì)編碼、模擬操作、應(yīng)用測(cè)試等工作，由PC環(huán)境下的JIAG控制實(shí)現(xiàn)FLASH的編程。飾燈監(jiān)控終端包括通訊模塊（含與中央控制室的通訊和與從站的通信）、實(shí)時(shí)顯示與鍵盤處理模塊等。通訊采用中斷方式。主站與從站的站點(diǎn)地址存于主站的存儲(chǔ)器內(nèi)，當(dāng)主站接收到中央控制室的廣播時(shí)，主站不需要應(yīng)答，只需執(zhí)行命令。當(dāng)中央控制室以點(diǎn)名方式時(shí)，主站必須應(yīng)答中央控制室，向中央控制室發(fā)送數(shù)據(jù)。其主程序流程如圖4所示。實(shí)時(shí)顯示與鍵盤處理程序（程序流程圖略）用于處理人機(jī)交換，如終端地址設(shè)置等。

飾燈擴(kuò)展終端與飾燈擴(kuò)展終端分別接收主站的命令并執(zhí)行，同時(shí)將從站的狀態(tài)信息反饋回主站，再由主站反饋到中央控制室。

圖4 路燈／飾燈監(jiān)控終端軟件框圖

5結(jié)束語(yǔ)

基于MSP430開發(fā)的路燈／飾燈遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，充分利用單片機(jī)內(nèi)部資源，具有電路簡(jiǎn)單，體積小、抗干擾能力強(qiáng)及低功耗等優(yōu)點(diǎn)。在張家港市投入運(yùn)行一年多，實(shí)踐證明該系統(tǒng)能夠?qū)Τ鞘新窡麸棢暨M(jìn)行有效的控制，成本低、穩(wěn)定可靠，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，該終端經(jīng)少量修改也可用于電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程負(fù)荷監(jiān)控，對(duì)其它智能RTU的設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。

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