基于无线模块NRF905的节能路灯控制系统设计

张江伟，尹 慧

（徐州工业职业技术学院 江苏 徐州 221140）

道路照明，各类厂区及高端住宅和商业亮化工程越来越多，也越来越重要，路灯作为这种工程不可缺少的重要组成部个小时（从晚上7点到第二天早上7点），那么一盏路灯就要消耗200×12/1 000＝2.4度电能。假设路灯之间的间距是20米，一条长2公里的街道就有2×2000/20＝200盏路灯（道路两边各有一盏路灯，所以要乘2），那么这条街道一晚上消耗的电能就有200×2.4＝480度[1]，1年消耗的电能是480×365分，对节能减排有着重要的影响。为了达到节能的目的，可设计这样一种路灯控制器系统，使它具有以下功能：1）路灯支路控制系统有时钟功能，能设定、显示开关灯时间，并控制整条支路按时开灯和关灯。2）路灯支路控制系统应能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。3）路灯支路控制系统应能根据交通情况自动调节亮灯状态：当有人或车经过当前路灯的监控区域时，路灯打开，离开时路灯关闭。4）当路灯出现故障时（灯不亮），支路控制器应发出声光报警信号，并显示有故障路灯的地址编号。还可以人为的设定一段时间让路灯的亮度自动的降低或增加，这些功能可以很大的节约电能，达到节能的目的同时也达到了智能的要求。

1 系统总体设计及电路工作原理

系统设计方案总体描述：本系统设计是以单片机作为为控制系统核心，以NRF905作为单片机与控制模块之间的数据采集通道。通过支路单片机输出控制指令给无线发射模块NRF905，经NRF905无线发送给单元电路。无线接收模块NRF905实现对单元电路的路灯进行定时开、关太故障报警等自动控制，该控制系统既智能又节能。

图1 系统设计框图Fig.1 Structure diagram of the overall system

2 系统主要模块方案的选择

2.1 控制器模块

本系统对单片机的要求不是太高，AT89S51单片机足以满足系统的各项要求，各引脚也可以充分的被利用，同时AT89S51单片机价格低廉，其功能和指令对于大家也是比较熟悉的，编写程序也相对简单。因此综合考虑后，选择了AT89S51单片机作系统设计的控制芯片。

2.2 无线收发模块

对于数据的无线传送模块，系统采用了NRF905无线收发的集成模块。NRF905单片无线收发器工作在433/868/915 MHz的ISM频段。由一个完成集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。电流消耗很少，在发射功率为-10 dBm时，发射电流为11 mA，接收电流为125 mA。进入POWERDOWN模式可以很容易实现节电[2]。此外NRF905模块性价比高，使用方便，通信距离远，编程方法简单，购买也比较方便也是本系统采用其作为数据采集模块的重要依据。

2.3 显示模块

显示模块选用74hc595移位寄存器构成的静态显示。经过分析考虑选择的是LED数码管显示。LED数码管显示主要用来显示数据，价格低廉，减少了对I/O口的浪费，而且能够同时驱动多个数码管。其驱动程序容易编写和理解。

2.4 电源模块

电源模块可采用开关电源或12 V蓄电池供电。开关电源好处虽然多，但价格昂贵。采用12 V蓄电池供电。电源较容易携带，具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能，且所输出的电源电压比较稳定，能适用不同场合的供电要求。

LED恒流源驱动模块选用LM358运放为驱动芯片，用它构成射极跟随器控制LED灯光的亮与灭及功率的降低。

3 主要硬件电路的设计

3.1 单片机的最小系统、键盘与显示与电路

单片机的最小系统、键盘与显示电路[3]如图2所示。本系统所采用的单片机型号为AT89C51。输入键盘采用了4×4的键盘作为控制，一共用了16个按钮开关。采用串行的74HC595构成八位静态显示，只用了单片机3个端口，不用进行外围端口的扩展，大大节约了资源，提高了单片机的工作效率。C语言编程可以实现对键盘和显示器的自动扫描、识别闭合键的键号、完成显示器的静态显示。

图2 单片机的最小系统、键盘与显示电路Fig.2 MCU minimum system，keyboard and display circuit

16个按钮的作用如表1所示。

表1 按钮的作用Tab.1 Role of the button

3.2 无线发射与接收电路

无线装置的功能[4]是用来对单片机的指令进行发送与接收，它是由无线收发器NRF905来构成。NRF905单片无线收发器工作在433/868/915MHZ的ISM频段。它是由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调制器组成。该电路天线部分使用的是50 Ω单端天线。在NRF905的电路板设计中，也可以使用环形天线，把天线布在PCB板上，这可减小系统的体积。无线发射与接收电路图如图3所示。

3.3 LED的驱动电路

LED的驱动电路[5]由D/A转换器TLC5615、集成运放LM358高功三极管8050构成，如图4所示。数控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。驱动电路采用单片机控制的方式，利用单片机输出数字量，经过D/A转换转变成模拟信号，再送到运算放大器和大功率三极管进行放大输出电流。该设计通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能的实现，便于操作。

图3 无线发送与接收电路Fig.3 Wireless transmitter and receiver circuit

图4 LED驱动电路Fig.4 LED driver circuit

3.4 声光报警电路

系统要求在LED灯损坏时具有报警功能，声光报警电路图如图5所示。利用LM358可以作为电压比较，开关的敏感元件采用光敏电阻RD。提供给LM358的3端为一个固定的电压值，作为一个比较电压值U3。当无光线照射到光敏电阻上时，RD呈高阻值，所以U2>U3，1端给单片机一个高电平，使单片机发送声光报警指令。当有光线照射到光敏电阻上时，RD呈低阻值，因此U2

4 主要电路软件的设计

4.1 4×4键盘子程序

所谓“4×4”是指4行与4列所构成的按键数组，相当于16个按钮，此键盘可以节省很多的单片机I/O资源，它与单片机只有8个I/O的连接，为了说明方便起见，由上而下各列编制为 Y0、Y1、Y2、Y3，由左到右各行编制为 X0、X1、X2、X3，而每个按键按照顺序编制为1―16。其键盘连接方式如图6所示。

图5 声光报警电路Fig.5 Sound and light alarm circuit

图6 4×4键盘接线原理Fig.6 4×4 keypad wiring principle

根据键盘扫描原理可得到16个键的特征编码。将16个键的特征编码按顺序排成一张表（前述表1），然后用当前读得的特征编码来查表，当表中有该特征编码时，它的位置就是对应的顺序编码。键盘扫描程序流程图如图7所示。

图7 4×4键盘程序流程图Fig.7 The program flow chart of 4×4 keyboard

4.2 4×4键盘与显示部分的编程

键盘功能[6]如前述表1所示，其中：0-9按键为数字输入键；10按键为校时确定键，用来校准和设定系统时间；11、12按键为左右移键，主要用来选取需要设定的显示位；13、14按键为加减键，用来对数进行加减操作；15按键为功能键，主要用来设定系统各个功能的模式，如校时模式、定时开关机模式、自动降低功率模式等。这样根据键盘设定表，可得到键盘与显示部分的流程图如图8所示。

图8 键盘与显示程序流程图Fig.8 Flow chart of keyboard and display program

4.3 物体位移感应（光电开关）的编程

本系统要求支路控制器应能根据交通情况自动调节亮灯状态：当可移动物体M（在物体前端标出定位点，由定位点确定物体位置）由左至右到达S点时（见图2），灯1亮；当物体M到达B点时，灯1灭，灯2亮；若物体M由右至左移动时，则亮灯次序与上相反。根据此要求设计出流程图如图9所示。

图9 光电开关流程图Fig.9 Flow chart of photoelectric switch

4.4 无线发送模块NRF905

发送模式编程要点[7]：1）当微控制器（单片机）有数据要发送时，通过SPI口按时序把接收机的地址和要发送的数据传给NRF905。2）微控制器置高 TRX_CE和 TX_CE触发NRF905的ShockBurst TX发送模式并发送数据。3）如果AUTO_RETRAN被置高，NRF905将不断重发，直到TRX_CE被置低，否则只发送一次。4）当TRX_CE被置低，NRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。据此得到发送模式程序流程图如图10所示。

4.5 无线接收模块NRF905

接收模式编程要点[7]：1）当 TRX_CE为高、TX_EN为低时，NRF905进入ShockBurst RX接收模式 650 μs后，NRF905不断监测，等待接收数据。2）当一个正确的数据包接收完毕，NRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把数据准备引脚DR置高，TRX_CE置低，NRF905进入空闲模式。3）微控制器通过SPI口以一定的速率把数据移到微控制器内。4）当所有的数据接收完毕，NRF905把数据准备引脚DR和地址匹配引脚AM置低。此时，NRF905可以进入ShockBurst RX接收模式，ShockBurst TX发送模式或关机模式。NRF905接收模式程序流程图如图11所示。

图10 NRF905发送数据流程图Fig.10 Flow chart of NRF905 send data

图11 NRF905接收模式流程Fig.11 Mode process of NRF905 receive

4.6 支路控制总设计

根据以上各个模块程序的编写，最终设计出支路控制总流程图12与单元电路控制总流程图13，分别如下所示。

5 结 论

本系统设计通过无线装置NRF905来实现设计要求，如果应用在实际路灯中，设备维护方便，成本较低，并且容易控制，不易受到干扰，信号稳定。所以使用无线模块的电路设计简单，应该是将来路灯控制发展的方向。无线控制模块的应用在实际路灯的控制中已经成为一种主流，并且也是将来发展的趋势，值得进一步研究。

图12 单元电路流程图Fig.12 Flow chart of cell circuit

图13 支路电路流程图Fig.13 Flow chart of slip circuit flow

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