基于物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術的LED路燈控制器設計

目前，所使用的大功率LED 路燈大部分都是簡單的直接照明，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，但是卻不能自動檢測路燈的照明狀況，也不能方便地對路燈進行遠程及本地調(diào)控。 并且現(xiàn)有的照明管理系統(tǒng)大都采用有線電纜控制照明燈具，對LED 路燈進行調(diào)控，通信協(xié)議比較復雜，建設成本和運營成本都比較高。 本文將物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術引入路燈控制器，實現(xiàn)LED 路燈的智能控制。

　　物聯(lián)網(wǎng)，是指將各種信息傳感設備，如射頻識別( RFID) 裝置、紅外感應器、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)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡，將溝通從任何時間任何地點任何人之間的溝通連接擴展到人與物( 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)的關鍵在于射頻標簽、傳感器、嵌入式系統(tǒng)及傳輸數(shù)據(jù)計算等領域。 其中，嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(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)的所有個體都需要嵌入式系統(tǒng)來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)的運做。

　　本文以路燈控制器為應用背景，設計了支持CDMA 及ISM 無線通信的智能路燈控制器，將物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術應用其中，利用控制器提供的專用接口和CDMA 網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)與各類傳感器的連接，實現(xiàn)“人—物”、“物—物”、“物—人”之間的信息交流。

　　1 路燈控制系統(tǒng)

　　本文設計的路燈控制系統(tǒng)由3 個控制層、2個通信層組成。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 操作人員通過監(jiān)控軟件或手機將需求數(shù)據(jù)發(fā)送到CDMA網(wǎng)絡進而傳送給路燈主控器; 路燈主控器對接收數(shù)據(jù)分析、處理，并通過自組ISM 無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)送給節(jié)點控制器; 節(jié)點控制器做出響應并發(fā)出返回數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按原路徑返回給操作人員。 本文設計了系統(tǒng)核心部分： 智能路燈控制器，包含了主控器及節(jié)點控制器的設計。

圖1 路燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2 主控器設計

　　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計，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，它的運行速度快，大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成; 壽命： 10， 000 次寫/擦除周期; 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區(qū); 通過片內(nèi)的啟動程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程; 真正的讀- 修改- 寫操作硬件乘法器只需兩個時鐘周期; 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; 可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)軟件加密; 具有JTAG 接口，方便程序在線調(diào)試、下載; 兩個可編程的串行USART; 可工作于主機/從機模式的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，可為遠程無線傳輸提供透明的TCP /IP 通道，主要完成主控器與遠程控制中心通信，完成指令數(shù)據(jù)的雙向傳輸。 CDMA 模塊與主控器通過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MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片和ATmega128 的UART1 口相連，實現(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 信號用來通知CDMA 模塊準備發(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 模塊芯片及接口設計

　　本文選用nRF24l01 作為ISM 通信模塊無線收發(fā)芯片。 nRF24l01 芯片是工作在2. 4 ～ 2. 5GHz 世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片，無線收發(fā)器包括： 頻率發(fā)生器、增強型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)議的設置可以通過SPI 接口進行設置。 它具有內(nèi)置鏈路層，自動應答及自動重發(fā)功能、地址及CRC 檢驗功能、數(shù)據(jù)傳輸率1 或2Mbps、SPI 接口數(shù)據(jù)速率0 ～ 8Mbps、125 個可選工作頻道。 芯片具有極低的電流消耗，當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為- 6dBm 時電流消耗為9. 0mA，接收模式時為12. 3mA.[!--empirenews.page--]

　　2. 4 顯示輸入模塊

　　本文選擇TFT034 觸摸液晶模塊用作顯示及控制指令輸入。 TFT034 采用四線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)，在顯示中每個字節(jié)，對應著屏上的一個像素點，因此，8 位256 彩色顯示的顯示緩存與LCD 屏上的像素點是字節(jié)對應的。 每個字節(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，首先要給顯示緩存區(qū)一個首地址，這個地址要在4 字節(jié)對齊的邊界上，而且，需要在SDRAM 的4MB 字節(jié)控制之內(nèi)。 它是通過配置相應的寄存器來實現(xiàn)的。 之后，接下來的76800 字節(jié)，就為顯示緩存區(qū)，這里的數(shù)據(jù)會直接顯示到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26腳排線與主控器相連，主控器IO 口數(shù)據(jù)可直接驅(qū)動觸摸液晶屏模塊。 四線觸摸屏坐標獲取通過AD7843 采集實現(xiàn)，程序代碼如下：

　　3 節(jié)點控制器設計

　　節(jié)點控制器包括： MCU 控制模塊、調(diào)光模塊、無線通信模塊，結(jié)構(gòu)如圖5 所示：

圖5 節(jié)點控制器結(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，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。 使用高密度非易失性存儲器技術制造，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 和在線系統(tǒng)可編程Flash，因此滿足節(jié)點控制芯片的要求。 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)光模塊實現(xiàn)感光與調(diào)光功能。 因為光敏電阻在黑暗環(huán)境里電阻值很高，當受到光照時，光敏電阻阻值下降，光照愈強，阻值愈低，入射光消失后，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復原值。 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模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到MCU 控制器中; MCU 控制器內(nèi)部經(jīng)過編程對輸入的燈具工作參數(shù)進行分析判斷，然后發(fā)出控制信號，控制恒流驅(qū)動電路輸出電流的大小，從而控制LED 燈的亮度，進而達到智能調(diào)控LED 燈具的目的。

　　考慮到設計選用的為直流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3000—7000K ; 燈具效率90% ; 驅(qū)動電源恒流驅(qū)動45V 1. 5A 直流; 命50000 小時以上; 防護等級IP65 ; 工作溫度- 35oC - 80oC ;工作濕度10% - 90%，因此需設計符合參數(shù)要求的直流調(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) 來調(diào)光。 調(diào)節(jié)正向電流的方法具有以下缺點： 調(diào)正向電流會使色譜偏移; 有時會出現(xiàn)使恒流源無法工作的問題; 長時間工作于低亮度有可能會使降壓型恒流源效率降低溫升增高而無法工作; 無法得到精確調(diào)光。 因而本文采用PWM 調(diào)光方法。

　　本文采用DN0112 芯片設計了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，它通過輸出PWM 可使燈光亮度在3% ～100%間無級調(diào)節(jié)，可使LED 路燈實現(xiàn)平滑的亮暗調(diào)節(jié)。 本文設計單片機P0. 3 輸出調(diào)光控制信號，實現(xiàn)對DN0112 調(diào)光芯片的控制，使調(diào)光芯片可根據(jù)單片機輸出的控制信號實現(xiàn)LED 燈開關、調(diào)光。

　　4、結(jié)論

　　本文設計了路燈主控制器及節(jié)點控制器，通過CDMA 通信實現(xiàn)了遠程指令數(shù)據(jù)有效傳輸，通過自組無線傳感網(wǎng)實現(xiàn)了主控制器與節(jié)點控制器指令數(shù)據(jù)的傳輸，給出了觸摸液晶屏坐標點采集程序，通過對光強信號的采集設計了調(diào)光電路，完成了物聯(lián)網(wǎng)的傳感數(shù)據(jù)采集、嵌入式數(shù)據(jù)傳輸及處理，將物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術引入到LED路燈控制器中。 實驗證明，本文設計的路燈控制器能有效實現(xiàn)智能控制，取得了較好的節(jié)能、降耗效果。