基于nRF905和555的智能路燈照明控制系統(tǒng)

　　目前，國內(nèi)大部分城市的道路照明管理系統(tǒng)至今仍在沿用相對單一的光控、時控等傳統(tǒng)控制方式。這些系統(tǒng)普遍存在著難以反饋路燈運(yùn)行狀態(tài)信息、難以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等局限，節(jié)電效果不理想。另外我國大部分城市路燈采用“全夜燈”的方式進(jìn)行照明，普遍存在的問題有兩點(diǎn)：一方面，后半夜行人稀少，采用“全夜燈”的方式浪費(fèi)太大，因此，有的地方采取前半夜全亮，后半夜全滅的“半夜燈”照明方式;有的地方在后半夜采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的節(jié)電措施，此種方式雖然節(jié)約了電費(fèi)支出，卻帶來了社會治安和交通安全問題，不利于城市形象。

　　1 系統(tǒng)方案概述

　　該系統(tǒng)由照明區(qū)域控制器與智能節(jié)點(diǎn)組成，照明區(qū)域控制器負(fù)責(zé)所轄路段的智能化照明控制，而智能節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)單個路燈的控制和狀態(tài)檢測。智能節(jié)點(diǎn)和照明區(qū)域控制器之間采用無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　該系統(tǒng)是通過路況具體情況來設(shè)定輸出功率等級，以此改變路燈的光照來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。其基本思想是：路燈可以隨著馬路上車輛或行人的行進(jìn)速度以及數(shù)量來調(diào)節(jié)燈光的亮度，即動態(tài)調(diào)光策略。其工作框圖如圖1所示。

　　智能控制器1的工作過程：在智能控制器1的控制下，通過光敏元件來探測周圍環(huán)境的光線強(qiáng)度，并根據(jù)光敏元件的探測結(jié)果向功率調(diào)節(jié)單元發(fā)出指令來實(shí)現(xiàn)夜晚時燈光開啟及天亮?xí)r路燈熄滅的操作。在路燈開啟的情況下，對射檢測單元開始工作，當(dāng)車輛或行人通過馬路時，對射探測接收單元會產(chǎn)生相關(guān)的脈沖信號傳送給控制器1，控制器會根據(jù)脈沖信號以及時間間隔，通過軟件得到車輛或行人的數(shù)量及行進(jìn)速度等相關(guān)參數(shù)，并向功率調(diào)節(jié)單元發(fā)出相關(guān)指令，使其采取不同的燈光亮度等級并持續(xù)一段時間。與此同時，控制器1將相關(guān)參數(shù)通過無線通信單元傳遞給下一個或幾個單片機(jī)。

　　下一個接收到信號的單片機(jī)會在人未到達(dá)前改變亮度等級，而持續(xù)的時間可滿足車輛或行人通過此燈一定距離，此燈也實(shí)時檢測車輛或行人的通過，并把相關(guān)參數(shù)傳遞給以后的路燈。各個路燈節(jié)點(diǎn)與主控制室的計(jì)算機(jī)相互通信，可實(shí)時監(jiān)控路燈運(yùn)行狀況。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　2 系統(tǒng)主要單元硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2.1 移動物體監(jiān)測單元

　　信號發(fā)生電路由兩個555電路來實(shí)現(xiàn)。前一個555用來產(chǎn)生的1 kHz的調(diào)制信號，并由③引腳輸出至后一個的復(fù)位端④腳，后一個555用來產(chǎn)生38 kHz方波信號。由④腳作為調(diào)制端，即當(dāng)④腳為高電平時，555是常規(guī)的方波振蕩器;當(dāng)④腳為低電平時，555的③引腳處于低電平。此信號發(fā)生器和38 kHz紅外接管即可實(shí)現(xiàn)行人或車輛的檢測，其電路原理圖如圖3所示。

　　2.2 無線傳輸單元

　　本系統(tǒng)的主控制器采用了Atmel公司的ATmegal6，它是真正的RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，內(nèi)部資源非常豐富，并在片內(nèi)集成了各種功能強(qiáng)大的外圍接口和通信接口。在本次設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的任務(wù)主要是完成對經(jīng)過降壓處理而采集到的市電電壓進(jìn)行變換，通過軟件完成對節(jié)電等級的判斷，并控制相應(yīng)的繼電器進(jìn)行相應(yīng)的通斷動作;還要對一段時間內(nèi)的開關(guān)燈時間及狀態(tài)進(jìn)行記錄，以及完成和外部設(shè)備的通信等功能。

　　該系統(tǒng)的無線通信模塊是Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)芯片nRF905，工作電壓為1.9～3.6 V，體積小，可工作于333/868/915 MHz三個ISM頻道，輸出增益范圍為-10～+10 dE，最大無線數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)50 Kb/s，適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報(bào)警及安全系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。該芯片通過單片機(jī)的簡單控制即可方便實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)，它通過SPI口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，工作于從方式時，時鐘由單片機(jī)的SPI時鐘確定。

　　3 系統(tǒng)工作模式與軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)工作模式

　　照明區(qū)域控制器與智能節(jié)點(diǎn)之間通過nRF905模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，依然采用主/從結(jié)構(gòu)，即照明區(qū)域控制器給出控制指令，在指令中包含目標(biāo)智能節(jié)點(diǎn)地址信息，以廣播的方式下傳，智能節(jié)點(diǎn)接到指令后根據(jù)指令中的節(jié)點(diǎn)地址信息判斷是否執(zhí)行操作。對于需要作為中繼的節(jié)點(diǎn)，接到指令后首先判斷控制字和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址信息，當(dāng)為單點(diǎn)控制或查詢指令時，如果自身地址等于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址，則執(zhí)行該操作，否則判斷該目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址是否處于自己中繼的有效范圍，是則中繼該指令，反之不做任何操作。

　　3.1.1 智能化照明控制策略設(shè)計(jì)

　　在沒有人為或管理中心干預(yù)的情況下，照明區(qū)域控制器按照預(yù)設(shè)的照明控制策略完成自主的現(xiàn)場照明控制。本設(shè)計(jì)中采用了時間控制(時控)、環(huán)境參數(shù)輔助控制和手動控制相結(jié)合的照明控制策略。環(huán)境參數(shù)輔助控制為可選功能，禁止使用時，為時控和手控相結(jié)合。三種控制方式的優(yōu)先級遵循以下原則：

　　(1)手動控制優(yōu)先級最高，手動控制時，時控和環(huán)境參數(shù)輔助控制被屏蔽。

　　(2)當(dāng)手動控制取消后，環(huán)境參數(shù)輔助控制、時間控制恢復(fù)正常使用，如果處于時控有效期內(nèi)，系統(tǒng)按照時間控制策略維持/更新運(yùn)行狀態(tài);如果處于時控有效期外，則根據(jù)環(huán)境狀況進(jìn)行控制。

　　(3)系統(tǒng)退出手動控制模式時，由照明區(qū)域控制器判斷當(dāng)前所屬時段，決定各交流接觸器是否打開或關(guān)閉。

　　3.1.2 環(huán)境參數(shù)與流量控制策略

　　智能化的道路照明控制系統(tǒng)還應(yīng)該能夠根據(jù)天氣、交通流量等實(shí)際的環(huán)境參數(shù)調(diào)整照明控制措施，以獲得更好的照明質(zhì)量和節(jié)電效果。

　　(1)照度輔助控制考慮到天氣異常變化的影響，需綜合考慮自然環(huán)境照度和當(dāng)前時間，執(zhí)行相應(yīng)的開燈或關(guān)燈操作。需要注意的是，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在進(jìn)行環(huán)境照度采集時必須采取延時或者軟件濾波等措施消除環(huán)境照度尖峰干擾(如閃電)。此外，還應(yīng)該限定根據(jù)照度進(jìn)行控制的作用時間段或者采用模糊控制手段區(qū)分干擾和正常情況，避免因突變持續(xù)性干擾造成的誤動作。

　　(2)交通流量輔助控制在智能化的照明控制系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)人性化的照明控制，還必須考慮同一照明季節(jié)內(nèi)交通流量變化規(guī)律的異常情況，尤其是在一些比較重要的節(jié)假日，人們的作息習(xí)慣會和平時出現(xiàn)差異，因此道路交通流量曲線與平時相比會出現(xiàn)較大波動，這時就不能再按照正常的時間段劃分進(jìn)行控制，而必須借助于交通流量輔助控制?？紤]到這種波動主要集中在較集中的時段內(nèi)，因此在軟件設(shè)計(jì)時就只限定在特定的時段內(nèi)有效。

　　3.1.3 區(qū)域控制策略

　　無線通信技術(shù)的發(fā)展使得低成本的單燈控制和檢測成為可能，也使路燈的控制變得更加靈活。同一路段的不同路燈，由于其所處位置的不同，對其照明控制的要求可能也不相同。比如某個路段處于十字路口的路燈，由于位置的重要特殊性，就不能和其他路燈同時進(jìn)行相同的場景控制。另外對于一桿多燈的情況，需要考慮在交通流量減小時部分關(guān)閉以節(jié)約電能。區(qū)域控制可以通過配置控制系統(tǒng)底層(照明區(qū)域控制器智能節(jié)點(diǎn))之間的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)。區(qū)域控制數(shù)據(jù)幀格式如下：

　　控制類型聲明單燈智能控制器應(yīng)該執(zhí)行何種控制操作，起始地址、終止地址和作用范圍一起聲明了對受控路燈節(jié)點(diǎn)的地址編號要求，這樣就相當(dāng)于將符合相同條件的路燈節(jié)點(diǎn)綁定在了一起，從而可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制。作用范圍根據(jù)單燈智能控制器地址編號的數(shù)學(xué)特征可以分為奇數(shù)有效、偶數(shù)有效等多種情況，因此可以實(shí)現(xiàn)多樣化的控制區(qū)域組合。

　　3.1.4 時間控制策略

　　時間控制主要包括每天的開關(guān)燈控制和夜間按照道路交通流量分時段進(jìn)行的調(diào)光控制。這些控制操作不僅應(yīng)該能夠取得明顯的節(jié)電效果，還應(yīng)該能夠提高道路照明質(zhì)量。

　　(1)開關(guān)燈時間可以一個月為時間段將一年分為12個時間段。每個月的起止時間應(yīng)以當(dāng)?shù)鼐唧w日照情況為準(zhǔn)，可采用多次測量后的平均值得到，并將得到的數(shù)據(jù)保存在單片機(jī)中供軟件查詢用。

　　(2)夜間分時段多樣化控制。夜間的路燈照明控制主要是根據(jù)道路夜間交通流量變化規(guī)律進(jìn)行分時段控制，盡管在一條道路上每天夜間不同時刻的交通流量會略有差異，但在一段時間(一個月或幾個月)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來看，這種變化的波動并不很大，所以完全可以按照平均交通流量變化規(guī)律把一年的照明周期劃分成若干照明季節(jié)。由于每個照明季節(jié)的開關(guān)燈時間有所差別，又將每天的整個時段分為三個小時段，每個小時段可以配合行人檢測對路燈進(jìn)行調(diào)光、部分開關(guān)或者全部開關(guān)等。

　　3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本文采用了ICCAVR編輯器，結(jié)合Atmel公司的AVR Studio集成開發(fā)平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　系統(tǒng)的工作流程如圖4所示，系統(tǒng)在外界光線達(dá)到照明需求時開始初始化，并進(jìn)入工作狀態(tài)，此時紅外探測器將不斷監(jiān)測路段行人或車輛，將檢測到的數(shù)據(jù)傳送給AVR主控制器，主控制器將根據(jù)數(shù)據(jù)量來點(diǎn)亮路燈，并開始利用nRF905向后一組路燈傳送消息，后一組在接收到消息后在主控制器中處理信息，提前點(diǎn)亮路燈，等待著再次監(jiān)測到物體，如此循環(huán)。其中軟件記錄開啟時間，進(jìn)入相應(yīng)劃分的時段時開啟相應(yīng)調(diào)光程序。

　　單片機(jī)芯片和無線收發(fā)芯片在開始工作前都要進(jìn)行初始化配置，本系統(tǒng)中的包含了以下兩個部分的配置：

　　(1)ATmegal6L的SPI接口初始化。ATmegal6L的異步串行接口和SPI接口用同一個USART模塊，且要選擇SPI的主/從機(jī)方式，還要保證系統(tǒng)中只有一個主機(jī)，對于此系統(tǒng)應(yīng)將AVR單片機(jī)設(shè)置為主機(jī)，nRF905模塊設(shè)置為從機(jī)。

　　(2)nRF905的初始化配置。對無線收發(fā)芯片的初始化參數(shù)的配置是通過nRF905的配置寄存器進(jìn)行設(shè)置的。nRF905中有一個144 b的配置字，該配置字規(guī)定了無線收發(fā)器的無線收發(fā)工作模式、收發(fā)頻率、發(fā)射頻率、收發(fā)地址寬度、接收地址、無線傳輸速率、晶振頻率以及CRC校驗(yàn)和的長度及有效數(shù)據(jù)長度等。在同一時刻，nRF905無線收發(fā)只能處于工作模式之一。不管模式想發(fā)送還是要接收數(shù)據(jù)，模塊上電后都要進(jìn)行初始化配置。

　　nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)通過軟件設(shè)置TRX_CE，并使得TX_EN和PWR_UP為高電位來激活nRF905的Shock Burst TM發(fā)送模式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。通過Shock Burst TM可以使收發(fā)芯片自動上電，且完成數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗(yàn)碼)并發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備(DR)引腳被置高，若AUTO_RETRAN被置高，那么，nRF905將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到檢測到TRX_CE為低電平;而當(dāng)TRX_CE被置為低電平時，表明nRF905數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)結(jié)束，并且會自動進(jìn)入節(jié)電模式。

　　當(dāng)TR_CE為高TX_EN為低時，nRF905進(jìn)入Shock Burst TM接收模式;再650μs后，nRF905不斷檢測，等待數(shù)據(jù)接收;當(dāng)nRF905檢測到同一頻段的載波時，載波檢測(CD)引腳被置高;但檢測到一個相匹配的地址后，地址匹配(AM)引腳被置高;之后就開始接收數(shù)據(jù)包，接收完成后，nRF905自動移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)位，然后把DR引腳置高。在此之后，單片機(jī)會將TRX_CE置低，使nRF905處于空閑模式;然后單片機(jī)會通過SPI接口將數(shù)據(jù)以一定的速率傳送到單片機(jī)內(nèi);當(dāng)所有的數(shù)據(jù)都接收完畢后，nRF905會把DR引腳和AM引腳置低。至此已完成整個接收流程。

　　單片機(jī)接收到信息后，會對和已存信息進(jìn)行分析比較，并發(fā)出相關(guān)指令，之后開始進(jìn)入下一個發(fā)送周期。

　　4 結(jié)語

　　該智能路燈照明控制系統(tǒng)運(yùn)用多種控制方法，配合當(dāng)?shù)鼐唧w時段來管理路燈開關(guān)狀況及亮度等級，并運(yùn)用無線射頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)路段的區(qū)域控制和實(shí)時信息交換，實(shí)現(xiàn)“追光”照明。配有自動故障報(bào)警功能，同時它降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，該系統(tǒng)使用方便，制造成本合理，維護(hù)較容易，綜合來看，有廣闊的前景。