基于MSP430單片機的路燈/飾燈無線監(jiān)控終端的設計

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市照明設施的功能從單純的以照明為主轉變?yōu)閷崿F(xiàn)美化環(huán)境、改善形象、活躍夜市經(jīng)濟的目的。對城市燈飾的管理與控制迫切需要一種科學、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，對城市路燈與飾燈的運行狀態(tài)進行遠程智能監(jiān)控顯得極為重要。針對城市路燈和飾燈“終端多、地域廣、戶外、分散、信息量不大”等特點，總體上選擇無線通訊方式比較合適。但對路燈進行單燈控制和相鄰樓宇的亮化控制時，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、控制方式單一而無法滿足實時監(jiān)控和管理要求的弱點，又能適應現(xiàn)代城市隊燈飾控制的要求。而無線監(jiān)控終端是燈飾監(jiān)控系統(tǒng)的下位機，是確保開關燈及時性、準確性、節(jié)約能源，提高亮燈率等指標的重要環(huán)節(jié)。

在開發(fā)張家港路燈和飾燈的遠程智能監(jiān)控終端時，采用美國TI公司的16位單片機MSP430F149工業(yè)級芯片為主的測控系統(tǒng)，MSP430F149內含 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、啟動迅速、抗干擾能力強、低電壓供電等特點，尋址空間達64KB、中斷與子程序調用層次無限制、I/O口具有中斷能力，這樣大大減少和方便了外圍電路設計。滿足了系統(tǒng)對監(jiān)控終端的要求。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的結構原理與工作過程

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、飾燈擴展終端與路燈單燈控制終端是部分，其系統(tǒng)結構如圖1所示。虛線筐內為監(jiān)控終端。圖中虛線表示無線通訊，實線表示有線通訊。

中央控制室與路燈、飾燈監(jiān)控終端之間的通信采用VHF/UHF無線電臺進行數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕿?200Bps, 調制方式為FSK，工作在異頻雙工方式。由于外圍站點較分散，因此通信體制采用大區(qū)制，其結構為星形拓撲，一點對多點。飾燈擴展終端與飾燈監(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實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

3監(jiān)控終端的硬件設計

由于該監(jiān)控系統(tǒng)終端用來控制路燈與飾燈，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)控終端在硬件設計上有所不同。

圖1  監(jiān)控系統(tǒng)硬件結構圖

3.1 飾燈監(jiān)控終端及其擴展終端

飾燈監(jiān)控終端既是系統(tǒng)的遠程測控單元，又具有自我運行的能力。硬件主要包括無線通訊電路、數(shù)據(jù)采樣及A/D轉換電路、控制輸出電路、鍵盤與顯示電路等，其結構如圖2所示。

圖2 飾燈監(jiān)控終端硬件結構圖

采樣回路實時采集總電路電流和電壓量以及所有支路的電流量。信號經(jīng)V/I變送器、多路轉換開關、信號調理電路送入MSP430的A/D轉換口。每個終端可輸出四種不同的控制方式（如時段燈、半夜燈等）。無線通訊電路的核心部分是調制/解調芯片和Motorol的GM950i電臺。另外，設計兩個RS- 485口分別用系統(tǒng)擴展與遠程抄表。

飾燈擴展終端適用于兩個站點距離較近，且鋪設電纜比較容易，或無線通信信號不能到達的情況（如地下室等），其結構與飾燈監(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，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)控終端的結構基礎上再增加一個單燈管理單元。單燈管理單元采用AT89C51單片機，與MSP430之間通過串行通訊進行數(shù)據(jù)交換。

單燈控制終端實現(xiàn)對路燈的單燈控制，其結構見圖3。電流電壓信號經(jīng)電流電壓互感器到信號調理電路，通過A/D轉換器轉換成數(shù)字信號。開關量電路主要采集各種開關量，如燈桿傾斜，開關合閘等。地址編碼單元主要用于設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。

圖3 單燈控制終端結構圖

4監(jiān)控終端的軟件設計

4.1 通訊的數(shù)據(jù)格式

飾燈監(jiān)控終端與其擴展終端之間是主站與從站的關系，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前狀態(tài)；主站發(fā)送命令后，２秒內為收到從站應答則認為通訊超時。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)控終端與其擴展終端之間格式有所不同，這主要由路燈自身的特點決定。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志包括單燈控制器查詢、開關操作與地址配置等。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)控終端的軟件設計

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，用戶可完成設計編碼、模擬操作、應用測試等工作，由PC環(huán)境下的JIAG控制實現(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）、實時顯示與鍵盤處理模塊等。通訊采用中斷方式。主站與從站的站點地址存于主站的存儲器內，當主站接收到中央控制室的廣播時，主站不需要應答，只需執(zhí)行命令。當中央控制室以點名方式時，主站必須應答中央控制室，向中央控制室發(fā)送數(shù)據(jù)。其主程序流程如圖4所示。實時顯示與鍵盤處理程序（程序流程圖略）用于處理人機交換，如終端地址設置等。

飾燈擴展終端與飾燈擴展終端分別接收主站的命令并執(zhí)行，同時將從站的狀態(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結束語

基于MSP430開發(fā)的路燈／飾燈遠程監(jiān)控終端，充分利用單片機內部資源，具有電路簡單，體積小、抗干擾能力強及低功耗等優(yōu)點。在張家港市投入運行一年多，實踐證明該系統(tǒng)能夠對城市路燈飾燈進行有效的控制，成本低、穩(wěn)定可靠，取得了良好的社會經(jīng)濟效益。同時，該終端經(jīng)少量修改也可用于電力系統(tǒng)遠程負荷監(jiān)控，對其它智能RTU的設計也有一定的參考價值。

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