基于通訊技術(shù)與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控和智能化的道路照明路燈設(shè)計(jì)

引言

隨著城市夜景照明設(shè)施的迅猛發(fā)展和人們生活品味的提高，對(duì)于城市的燈光設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。道路照明路燈，裝飾彩燈、燈光噴泉、彩燈草坪、大廈射燈等各種各樣的特色燈光構(gòu)成了美麗的城市燈光夜景系統(tǒng)。但是，在這些美麗的燈光后面，我們的路燈管理部門擔(dān)負(fù)著沉重的燈光設(shè)備維護(hù)管理工作。隨著亮化工程腳步的進(jìn)一步加快，這種沉重的負(fù)擔(dān)已經(jīng)成為困擾路燈管理部門的難題。

為了解決這個(gè)難題，提出了開發(fā)路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)，用于管理城市照明，目的是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)對(duì)日益快速發(fā)展的城市道路照明路燈實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控和智能化的科學(xué)管理，進(jìn)一步提高道路照明質(zhì)量，從而提高服務(wù)質(zhì)量；進(jìn)一步提高維護(hù)、檢修效率，從而保證城市整體亮燈率和設(shè)備完好率；進(jìn)一步降低能耗、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，從而避免無畏的電能和人力物力的浪費(fèi)。

路燈監(jiān)控管理信息系統(tǒng)

路燈監(jiān)控管理信息系統(tǒng)是由通信服務(wù)器和若干路燈監(jiān)控器組成，如圖1所示。

圖1 路燈監(jiān)控管理信息系統(tǒng)

通信服務(wù)器通過局域網(wǎng)可以連接多個(gè)查詢終端，通信服務(wù)器和若干路燈監(jiān)控器采用ADSL與GPRS通訊方式。使用者可以在通信服務(wù)器上完成對(duì)整個(gè)城市內(nèi)任一區(qū)域、任一路燈監(jiān)控器的控制；可隨時(shí)向路燈監(jiān)控器發(fā)出查詢指令，對(duì)各路燈監(jiān)控器的運(yùn)行狀態(tài)、電流、電壓、門開狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

路燈監(jiān)控器硬件設(shè)計(jì)

路燈監(jiān)控器在硬件電路設(shè)計(jì)上，根據(jù)其功能劃分，由六部分組成（見圖2）。

圖2 路燈監(jiān)控器功能結(jié)構(gòu)圖

電路圖如圖3所示。

圖3 路燈監(jiān)控器電路

時(shí)鐘存儲(chǔ)單元

時(shí)鐘芯片選擇了高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片－SD2000BPI 。該芯片具有內(nèi)置晶振、I2C總線接口、定時(shí)中斷輸出 、高精度、免調(diào)校的特點(diǎn)。同時(shí)該時(shí)鐘芯片內(nèi)部含有EEPROM，用于存儲(chǔ)開關(guān)燈時(shí)間表等信息：

每組開/關(guān)燈時(shí)間包括2個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)由2位BCD碼組成，由高到低分別為時(shí)、分。

每組報(bào)警時(shí)間包括4個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)由2位BCD碼組成，由高到低分別為年、月、日、時(shí)、分、秒。默認(rèn)值為00H。

路燈監(jiān)控器編號(hào)2個(gè)字節(jié)，可以表示00~65536數(shù)值。

路燈監(jiān)控器的工作狀態(tài)包括：報(bào)警狀態(tài)（ZT0）、門開狀態(tài)（ZT1）、手動(dòng)/三遙狀態(tài)（ZT2）、全夜燈狀態(tài)（ZT3）、半夜燈狀態(tài)（ZT4）、景觀燈狀態(tài)（ZT5）。用連續(xù)的7個(gè)字節(jié)表示。

監(jiān)控器可以監(jiān)測(cè)9路工作電流，利用二個(gè)存儲(chǔ)單元的9個(gè)存儲(chǔ)位，分別存儲(chǔ)被監(jiān)測(cè)的電流的監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

電壓電流采集

電壓及電流采集部分采用山東力創(chuàng)的EDA9016模擬量測(cè)量模塊，它可以采集12路電壓輸入信號(hào)，測(cè)量信號(hào)的輸入范圍0～10V，測(cè)量精度0.2級(jí)，其輸出采用RS-485總線。

將欲監(jiān)測(cè)的電壓、電流通過電壓互感器、電流互感器感應(yīng)出0～10V的電壓，輸出給EDA9016的模擬量輸入端，EDA9016通過RS-485總線與監(jiān)控器的單片機(jī)連接，路燈監(jiān)控器可以按照EDA9016的通訊協(xié)議，采集各路的電壓及電流，通過通訊服務(wù)器的查詢命令發(fā)送給客戶端軟件，實(shí)現(xiàn)路燈工作參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)電壓欠壓、電壓過壓、欠流、過流及時(shí)作出報(bào)警。

串口擴(kuò)展

由于CPU采用PHILIPS的P89C51RD+芯片，該CPU只有一個(gè)串口，在本設(shè)計(jì)中用于同GPRS模塊通信。而多功能表和EDA9033均采用RS-485接口，所以要利用CPU普通IO口模擬SPI接口與MAX3100通信，MAX3100的串口再和MAX485相連，從而產(chǎn)生EDA9033和多功能電表需要的RS-485接口。

GPRS模塊

GPRS?？焯峁㏑S-232接口與外界通信，透明傳輸模式，應(yīng)用十分方便。在本設(shè)計(jì)中采用一片MAX232芯片，通過CPU和GPRS模塊進(jìn)行通信。

控制執(zhí)行單元

控制執(zhí)行部分采用三級(jí)管驅(qū)動(dòng)繼電器，繼電器控制交流接觸器的辦法。在三級(jí)管和CPU IO口之間采用光耦隔離，防止繼電器吸合對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。

其他設(shè)計(jì)

由于路燈監(jiān)控器工作在無人職守的地方，為了路燈監(jiān)控器的安全防盜，設(shè)計(jì)時(shí)在路燈監(jiān)控器的門上，安裝了磁控開關(guān)，當(dāng)門開時(shí)開關(guān)斷開，路燈監(jiān)控器判斷這個(gè)開關(guān)的狀態(tài)，當(dāng)門開時(shí)，路燈監(jiān)控器路燈監(jiān)控器先將報(bào)警類型、報(bào)警時(shí)間存儲(chǔ)在路燈監(jiān)控器的存儲(chǔ)器內(nèi)，然后通過GPRS無線通訊終端將門開信息發(fā)送給通訊服務(wù)器，通訊服務(wù)器在轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端，以便及時(shí)通知檢修人員對(duì)門開進(jìn)行處理。

路燈監(jiān)控器軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用keil C作為開發(fā)工具。除CPU程序外，還要開發(fā)一個(gè)對(duì)時(shí)鐘芯片進(jìn)行時(shí)間預(yù)置的程序，以便于批量生產(chǎn)。

路燈監(jiān)控器的工作流程如下：首先進(jìn)入上電初始化程序，對(duì)路燈監(jiān)控器的狀態(tài)進(jìn)行初始化，包括全夜燈、半夜燈狀態(tài)、手動(dòng)三遙狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)等變量進(jìn)行初始化。然后初始化MAX3100和時(shí)鐘芯片，讀取設(shè)備的編號(hào)，初始化串口，讀取當(dāng)前的電壓電流，然后進(jìn)入主循環(huán)程序。

系統(tǒng)采用中斷方式接收GPRS串口數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式判斷接收的數(shù)據(jù)是否正確，并能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)接收不到數(shù)據(jù)后自動(dòng)返回主程序，串口中斷子程序?yàn)椋?/p>

一幀數(shù)據(jù)接收完畢后，給串口中斷標(biāo)志置位，然后在主程序中判斷傳口中斷標(biāo)志，如果該標(biāo)志被置位，則開始判斷控制位，并進(jìn)入相應(yīng)的子程序，如設(shè)置開關(guān)燈時(shí)間，查詢工作參數(shù)，查詢工作狀態(tài)，實(shí)時(shí)開燈，實(shí)時(shí)關(guān)燈等，在執(zhí)行完相應(yīng)的子程序后將中斷標(biāo)志復(fù)位。

控制位判斷程序?yàn)椋?/p>

在主循環(huán)中同時(shí)執(zhí)行自動(dòng)開關(guān)燈的處理和門開報(bào)警的判斷。

為了實(shí)現(xiàn)路燈監(jiān)控器與通訊服務(wù)器的可靠通訊，制定合理的通訊協(xié)議，具有非常重要的意義。在制定協(xié)議時(shí)，充分考慮協(xié)議的格式，使之規(guī)范化，使之具有良好的擴(kuò)展性，規(guī)定好協(xié)議的起始標(biāo)志、設(shè)備的編號(hào)、設(shè)備類型、控制碼、控制類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)域、結(jié)束標(biāo)志及如何進(jìn)行校驗(yàn)等，達(dá)到預(yù)期的功能，又最精簡(jiǎn)。

現(xiàn)舉例如下：

實(shí)時(shí)開燈幀（C = 01H）

功能：通信服務(wù)器請(qǐng)求路燈監(jiān)控器立即開燈。

幀格式：

F （回應(yīng)標(biāo)志）：默認(rèn)值；

C （控制碼）： 01H；

CT （控制類型）：01H表示全夜燈負(fù)載，02H表示半夜燈負(fù)載，03H表示景觀燈負(fù)載， 04H表示全夜燈和半夜燈負(fù)載，05H全夜燈和景觀燈負(fù)載，06H半夜燈和景觀燈負(fù)載，

FFH表示所有路燈負(fù)載；

I （后續(xù)幀標(biāo)志）：默認(rèn)值；

L （數(shù)據(jù)長(zhǎng)度）： L=00H；

D （數(shù)據(jù)域）：無數(shù)據(jù)域；

結(jié)語

本系統(tǒng)采用51單片機(jī)作為主CPU，成本低，實(shí)時(shí)性高，已經(jīng)完成樣機(jī)試制，通過相關(guān)測(cè)試，并投入小批量生產(chǎn)。本產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。