中心議題:

• 基于物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)的LED路燈控制器設(shè)計(jì)

解決方案:

• 學(xué)習(xí)主控器的設(shè)計(jì)

• 采用DN0112 芯片設(shè)計(jì)了PWM 調(diào)光模塊

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(dòng)檢測路燈的照明狀況，也不能方便地對路燈進(jìn)行遠(yuǎn)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(jìn)行調(diào)控，通信協(xié)議比較復(fù)雜，建設(shè)成本和運(yùn)營成本都比較高。 本文將物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)引入路燈控制器，實(shí)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(shè)備，如射頻識(shí)別( RFID) 裝置、紅外感應(yīng)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(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，將溝通從任何時(shí)間任何地點(diǎn)任何人之間的溝通連接擴(kuò)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(guān)鍵在于射頻標(biāo)簽、傳感器、嵌入式系統(tǒng)及傳輸數(shù)據(jù)計(jì)算等領(lǐng)域。 其中，嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)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(gè)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(yùn)做。

本文以路燈控制器為應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)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(shù)應(yīng)用其中，利用控制器提供的專用接口和CDMA 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與各類傳感器的連接，實(shí)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(shè)計(jì)的路燈控制系統(tǒng)由3 個(gè)控制層、2個(gè)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(jī)將需求數(shù)據(jù)發(fā)送到CDMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(luò)將數(shù)據(jù)送給節(jié)點(diǎn)控制器; 節(jié)點(diǎn)控制器做出響應(yīng)并發(fā)出返回?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按原路徑返回給操作人員。 本文設(shè)計(jì)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(diǎn)控制器的設(shè)計(jì)。

2 主控器設(shè)計(jì)

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。

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2. 1 主控模塊

在主控模塊采用核心板設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

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(yùn)行速度快，大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成; 壽命： 10， 000 次寫/擦除周期; 具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū); 通過片內(nèi)的啟動(dòng)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(gè)時(shí)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(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)軟件加密; 具有JTAG 接口，方便程序在線調(diào)試、下載; 兩個(gè)可編程的串行USART; 可工作于主機(jī)/從機(jī)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(yuǎn)程無線傳輸提供透明的TCP /IP 通道，主要完成主控器與遠(yuǎn)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(shí)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(zhǔn)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(diǎn)控制器通信，模塊芯片及接口如圖4 所示。

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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(qiáng)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(shè)置可以通過SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。 它具有內(nèi)置鏈路層，自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能、地址及CRC 檢驗(yàn)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(gè)可選工作頻道。 芯片具有極低的電流消耗，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為- 6dBm 時(shí)電流消耗為9. 0mA，接收模式時(shí)為12. 3mA.

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(gè)字節(jié)，對應(yīng)著屏上的一個(gè)像素點(diǎn)，因此，8 位256 彩色顯示的顯示緩存與LCD 屏上的像素點(diǎn)是字節(jié)對應(yīng)的。 每個(gè)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(shí)，首先要給顯示緩存區(qū)一個(gè)首地址，這個(gè)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(yīng)的寄存器來實(shí)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(huì)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(dòng)觸摸液晶屏模塊。 四線觸摸屏坐標(biāo)獲取通過AD7843 采集實(shí)現(xiàn)，程序代碼如下：

3 節(jié)點(diǎn)控制器設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)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：

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(chǔ)器。 使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)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(chǔ)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(diǎn)控制芯片的要求。 模塊結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

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3. 2 調(diào)光模塊

調(diào)光模塊實(shí)現(xiàn)感光與調(diào)光功能。 因?yàn)楣饷綦娮柙诤诎淡h(huán)境里電阻值很高，當(dāng)受到光照時(shí)，光敏電阻阻值下降，光照愈強(qiáng)，阻值愈低，入射光消失后，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復(fù)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(qiáng)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(jìn)行分析判斷，然后發(fā)出控制信號，控制恒流驅(qū)動(dòng)電路輸出電流的大小，從而控制LED 燈的亮度，進(jìn)而達(dá)到智能調(diào)控LED 燈具的目的。

考慮到設(shè)計(jì)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(dòng)電源恒流驅(qū)動(dòng)45V 1. 5A 直流; 命50000 小時(shí)以上; 防護(hù)等級IP65 ; 工作溫度- 35oC - 80oC ;工作濕度10% - 90%，因此需設(shè)計(jì)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(diǎn)： 調(diào)正向電流會(huì)使色譜偏移; 有時(shí)會(huì)出現(xiàn)使恒流源無法工作的問題; 長時(shí)間工作于低亮度有可能會(huì)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)平滑的亮暗調(diào)節(jié)。 本文設(shè)計(jì)單片機(jī)P0. 3 輸出調(diào)光控制信號，實(shí)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(jī)輸出的控制信號實(shí)現(xiàn)LED 燈開關(guān)、調(diào)光。

4、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了路燈主控制器及節(jié)點(diǎn)控制器，通過CDMA 通信實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程指令數(shù)據(jù)有效傳輸，通過自組無線傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了主控制器與節(jié)點(diǎn)控制器指令數(shù)據(jù)的傳輸，給出了觸摸液晶屏坐標(biāo)點(diǎn)采集程序，通過對光強(qiáng)信號的采集設(shè)計(jì)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(shù)引入到LED路燈控制器中。 實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的路燈控制器能有效實(shí)現(xiàn)智能控制，取得了較好的節(jié)能、降耗效果。