基于物聯(lián)網(wǎng)的廠區(qū)路燈模擬控制系統(tǒng) - 全文

　　廠區(qū)路燈控制系統(tǒng)設(shè)計的目的，一是能夠滿足正常使用的需要，在夜間車輛、行人通過廠區(qū)道路時提供必需的照度，確保安全； 二是節(jié)約電能，安裝、使用可靠方便，能夠延長用電設(shè)備及燈具的使用壽命，減少維護費用。

　　傳統(tǒng)的廠區(qū)照明路燈控制系統(tǒng)一般采用時間控制、光照控制等方式，存在路燈使用壽命短、管理開銷大、無法遠程監(jiān)控以及故障維修反應(yīng)效率低等現(xiàn)象。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并結(jié)合微控制器技術(shù)，設(shè)計了一種無線路燈控制模塊，使每一盞路燈都能遙控、遙測和遙信，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的路燈智能控制。同時在設(shè)計系統(tǒng)時簡化了對城市照明路燈的多樣化、多色彩等復(fù)合功能要求，既能滿足廠區(qū)夜間照明安全和降低運行費用的要求，又考慮了節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)成本、現(xiàn)場易于安裝。

　　1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　系統(tǒng)由集中控制器和單元控制器兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。集中控制器安裝于廠區(qū)路燈控制室，包括無線通信模塊、MCU 模塊、時鐘模塊、聲光報警模塊、顯示模塊及鍵盤等部分。

　　單元控制器安裝在每個路燈的燈柱上，分為信號檢測模塊、MCU 模塊、遠程通信模塊和故障檢測模塊四個部分。

　　圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

　　集中控制器向單元控制器發(fā)送時鐘控制的開/關(guān)燈信號、自動/手動控制信號等信息，并能收到來自單元控制器的路燈開關(guān)狀態(tài)、消耗功率及故障診斷等信息。單元控制器作為控制終端接收集中控制器通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的控制路燈開關(guān)時間段設(shè)定的指令，也可以采集廠區(qū)是否有人或車輛通過、環(huán)境光亮度以及路燈故障等信息，以此作出路燈打開/關(guān)閉、路燈點亮的程度以及路燈故障報警等指令，實現(xiàn)按需而控。

　　2.通信網(wǎng)絡(luò)及MCU 模塊的選擇

　　2.1. 通信網(wǎng)絡(luò)

　　無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便、布局容易并且維護簡單，已逐步應(yīng)用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域?？梢圆捎米约航M建無線專網(wǎng)的通信方式，也可以選擇利用已有無線網(wǎng)絡(luò)的通信方式。

　　對于廠區(qū)路燈控制而言，自己組網(wǎng)建設(shè)費用過高。移動無線網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸可靠，利用其現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的閑置能力就可以滿足廠區(qū)路燈控制系統(tǒng)信息傳輸?shù)囊蟆?/p>

　　GSM 和GPRS 是無線通信的兩種方式。GSM 短信通信實時性差、信息量受限； GPRS 是基于GSM 系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，具有傳輸速率高、實時性好及永遠在線的特點，而且GPRS 通信按流量計費，廠區(qū)路燈與城市路燈不同，照明燈具節(jié)點數(shù)量不多，結(jié)合經(jīng)濟效益考慮以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢，選用GPRS通信方式。

　　2.2. MCU 模塊

　　微處理器（ Micro Controller Unit，MCU） 實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行運算、處理、存儲及通信等功能，是系統(tǒng)的大腦。選擇芯片時主要是從微處理器的基本性能參數(shù)、增強功能、存儲介質(zhì)和適用環(huán)境等方面進行考慮。本次設(shè)計中選擇ATMEL 公司的ATmega64 作為集中控制器和單元控制器中的MCU 模塊。

　　ATmega64 是一款高性能低功耗的8 位微處理器，數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS /MHz，具有64 KB 的Flash、2 KB 的E2PROM，擦寫次數(shù)可達10 萬次，可用來存儲路燈的各種設(shè)定參數(shù)和狀態(tài)信息，直接驅(qū)動液晶顯示模塊，并帶有多路輸入輸出口，方便與鍵盤、報警器等輸入輸出裝置連接，且編程簡單。

　　3.電路設(shè)計

　　3.1. 信號采集電路

　　單元控制器需要對廠區(qū)路燈環(huán)境實時檢測以做出控制決策。選用光敏電阻實現(xiàn)廠區(qū)光線明暗變化檢測，接口電路設(shè)計如圖2 所示。光敏電阻與普通電阻串聯(lián)分壓后電壓信號傳送至單片機進行A/D 轉(zhuǎn)換。隨著光線明暗的變化，光敏電阻的阻值也在變化，從而改變PF0 腳的電壓，該電壓經(jīng)過單片機片內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并被分析處理，從而實現(xiàn)對路燈照明照度的控制。

　　電路設(shè)計如圖3 所示，BISS0001 的1 腳信號接高電平，使芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式。將熱釋電傳感器的輸出信號送入BISS0001 的14 腳，經(jīng)內(nèi)部第一級運算放大器放大，然后由C24耦合給內(nèi)部第二級運算放大器進行放大，再經(jīng)由內(nèi)部的電壓比較器構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號去啟動內(nèi)部延遲時間定時器，最后由芯片的2 腳輸出信號V0直接傳輸至單片機的PD7 腳進行處理，并執(zhí)行相應(yīng)的動作。4 腳的輸出延遲時間Tx由外部的R35和C28的大小調(diào)整，6 腳的觸發(fā)封鎖時間Ti由外部的R34和C29的大小調(diào)整。

　　單元控制器通過光敏電阻自動控制路燈的開關(guān)狀態(tài)及燈光的強弱，并與熱釋電傳感器配合，將光照度調(diào)節(jié)到合適值，使系統(tǒng)運行達到節(jié)能、安全的效果。

　　2.2. 通信電路設(shè)計

　　系統(tǒng)中集中控制器向單元控制器發(fā)送開/關(guān)燈、控制方式等信號； 單元控制器向集中控制器發(fā)送故障路燈位置等信息，雙方通信通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。GPRS 模塊采用Simcom 公司的SIM300D 無線通信模塊，該模塊外形小巧，內(nèi)部集成了TCP /IP 協(xié)議，具有射頻天線、本地SIM卡連接及RS232 串口等接口，可采用內(nèi)部擴展的AT 指令進行操作，功能強大且開發(fā)簡單。

　　SIM300D 模塊與單片機接口電路如圖4 所示，74LS573 邏輯芯片主要用于電壓變換。ATmega64輸出的是標準TTL 電平，而SIM300D 模塊兼容的高電平范圍為2. 05 ~ 3. 23 V，若要實現(xiàn)兩種芯片之間的數(shù)據(jù)交換，需要經(jīng)過電壓變換。

　　SIM300D 模塊需要借助SIM 卡才能連接到網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，SIM300D 模塊通過SPI 通信方式對SIM 卡進行讀寫操作，通過GSM 或GPRS 通信方式實現(xiàn)與移動網(wǎng)絡(luò)的無縫連接。SIM 卡也稱為智能卡、用戶身份識別卡，通過此卡鑒別每一路燈的地址、代號和實際地理位置等信息。SIM卡與SIM300D 無線通信模塊接口電路設(shè)計如圖5所示。

　　圖5 SIM 卡與SIM300D 無線通信模塊連接圖

　　3.3. 故障檢測電路設(shè)計

　　單元控制器設(shè)有電流檢測功能，通過電流檢測可以判斷路燈是否故障。如果路燈故障，通過路燈的電流會極小甚至為零，不足以驅(qū)動LED 發(fā)光，則故障檢測點的電壓會低于給定的基準電壓，通過電壓比較電路給單片機送入一個報警信號。

　　故障檢測模塊與單片機接口電路設(shè)計如圖6所示，基準電壓可通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R2的阻值來改變。當路燈正常工作時，故障檢測點電壓大于基準電壓，則運放LM358 輸出+ 12 V 的正向飽和電壓，該電壓經(jīng)限流電阻和穩(wěn)壓管構(gòu)成回路，這時穩(wěn)壓管給單片機送入一高電平電壓。當路燈出現(xiàn)故障時，檢測點電壓低于基準電壓，運放電路輸出為零，為單片機送入一低電平電壓，實現(xiàn)故障報警功能。

　　圖6 故障檢測模塊與單片機接口電路

　　3.4. 高亮LED 驅(qū)動模塊

　　單元控制器的高亮LED 驅(qū)動模塊采用自制恒流驅(qū)動電源，利用運算放大器組成電壓跟隨器、電流負反饋電路，結(jié)合單片機組合成恒流源，方法簡潔，容易實現(xiàn)，電路設(shè)計如圖7 所示。

　　圖7 恒流驅(qū)動電源電路圖

　　圖7 中電源的輸出電流與UPB5 成正比，當UPB5 保持恒定時，可保證該電源的輸出電流恒定。同時，UPB5 可以通過單片機的PWM 輸出進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)輸出電流的可控，調(diào)節(jié)LED亮度。

　　4.系統(tǒng)功能

　　集中控制器的顯示模塊采用常用的字符型液晶模塊12864; 時鐘模塊采用具有萬年歷功能的實時時鐘專用芯片DS1302; 聲光報警模塊采用了普通的發(fā)光二極管和蜂鳴器。

　　程序采用AVR Studio 軟件編寫，并經(jīng)GCC 編譯器編譯通過。每個帶有地址的單元控制器能通過GPRS 模塊可靠地接入移動網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與集中控制器的實時通信。該廠區(qū)路燈模擬控制系統(tǒng)能實現(xiàn)以下功能：

　　1） 廠區(qū)路燈夜間無行人及車輛通行時，路燈微亮； 當檢測到遠方有物體接近時，路燈由微亮轉(zhuǎn)為全亮，保證照明需要； 車輛、行人通過后，路燈自動切換為微亮。

　　2） 在清晨、傍晚時，路燈可以根據(jù)環(huán)境明暗變化，實現(xiàn)自動開關(guān)； 并可以根據(jù)環(huán)境亮度調(diào)整燈具照度，保證使用需要。

　　3） 系統(tǒng)在白天不使用時，能夠自動轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài)，降低系統(tǒng)功耗。

　　4） 有手動功能，可以分別控制每個路燈的開/關(guān)狀態(tài)。

　　5） 可進行路燈的電能消耗統(tǒng)計。

　　6） 具有路燈故障檢測功能。當有路燈損壞時，可以進行聲光報警，并指示故障路燈的具體位置。

　　5.結(jié)束語

　　采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的廠區(qū)路燈模擬系統(tǒng)，能實現(xiàn)對廠區(qū)路燈科學(xué)的管理和智能化的監(jiān)控，同時系統(tǒng)的無線路燈控制模塊體積小、價格低，便于現(xiàn)場安裝與維護。經(jīng)過實驗調(diào)試，系統(tǒng)運行安全可靠，運行成本低，監(jiān)控方便，能滿足廠區(qū)路燈的智能化控制要求。

　　隨著移動無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和日益完善及其在物聯(lián)網(wǎng)方面的投入，相信這種控制方案在路燈的管理與控制上將會有廣闊的應(yīng)用前景。

　　圖2 光敏電阻與單片機接口電路

　　廠區(qū)過往行人與車輛檢測選用D203S 型熱釋電紅外人體傳感器來實現(xiàn)，其測試范圍在0. 5 m 內(nèi)，若要應(yīng)用于廠區(qū)路燈的真實場景，需要選擇專業(yè)廠家生產(chǎn)的熱釋電紅外人體探測器，測試范圍在30 ~300 m 不等。當廠區(qū)有車輛或行人通過時，熱釋電紅外人體傳感器就能檢測到人體的遠紅外輻射從而產(chǎn)生電信號，由于該信號變化緩慢、幅值小于1 mV，因此需要經(jīng)過一個專門的信號處理電路，使得傳感器輸出信號的不規(guī)則波形轉(zhuǎn)變成適合于單片機處理的數(shù)字信號，選用BISS0001 為熱釋電紅外人體傳感器的專用處理芯片，它主要由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成。