LED路灯智能控制系统的设计与实现

2013-05-12赵向南

山西电子技术 2013年2期

赵向南

(中北大学信息与通信工程学院，山西太原030051)

0 引言

随着“十二五”节能减排计划的推进及全球能源消耗与日俱增并引起了能源短缺已经影响到了我们的生活，因而节能是当下社会面临的急切问题。但是，目前我国大部分城市的路灯照明都采用“全夜灯恒照度”的方式，这大大地增加了城市的用电量，造成资源的浪费。因此设计LED路灯智能控制系统成为城市照明节能的关键一步。

LED灯不仅具有体积小而坚固耐用、耗电量低、使用寿命长、环保等优点，而且LED的工作范围较大，能够通过脉冲宽度调节的方法，即通过调节电压的占空比和工作频率，有效调节LED的发光强度。因此，结合LED灯的这些优点，采用单片机控制技术对路灯的亮度进行智能化控制以实现整个控制系统对任一盏、一路或某自定义组路灯的开关、定时开关和调光、分时段调光及路灯状态、电流电压的查询等功能。

1 系统硬件设计

1.1 系统总体设计

结合实际应用设计LED路灯的控制系统主要由以下三部分构成［1］:上位机监控软件、基站及控制节点。控制系统的结构框图如图1所示。基站与节点间采用短距离的双向无线通信技术;基站与上位机监控软件通过以太网进行通信。上位机软件可同时管理多个控制基站，而每个基站又可以同时控制数个节点。其工作过程是上位机下发控制命令给基站，然后，基站经过无线广播给它所控制的所有节点，节点分析执行上位机命令开关路灯或输出PWM电压控制路灯的明亮［2］。同时，节点也将采集信号经过无线模块主动上传给基站，基站再经以太网上传至上位机软件。

1.2 控制节点设计［3］

其中，控制节点由信号采集传输模块、数据处理MCU和外围电路构成，它是 LED路灯智能控制系统设计的重点。在每一盏LED路灯上都需要安装控制节点，当系统需要对LED路灯进行控制时，负责完成路灯的开关、定时调光、数据采集等任务，是整个系统的执行机构，其硬件电路的框图如图2所示。

图1 控制系统的结构框图

图2 控制节点的结构框图

主要以MSP430f2132单片机为核心控制器;以CC1100芯片为信号传输模块;采用光敏电阻对外部光线强弱信号进行检测，将采集到的模拟信号传输至单片机的ADC中进行处理，然后将数据传送至基站，用于上位机判断是否执行开关路灯;继电器用于开关电源，进而控制LED路灯的开关;PWM模块主要通过控制供给驱动电路的电压占空比，有效地调节LED路灯的发光强度［4］。

光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强度变化而改变的电阻器，入射光强时电阻值减小。可将其与另外一个分压电阻串联来控制输入三极管的开关，三极管的集电极输出电压输入到单片机的ADC中。当白天光照强度比较强时光敏电阻阻值减小，三极管处于截止状态，其集电极输出低电平。当弱光或无光照射时光敏电阻的阻值增大，三极管处于导通状态，其集电极输出高电平。当高于预先设定值时，上位机软件控制继电器打开LED路灯的电源开关。

LED路灯的定时开关主要由继电器控制，当MSP430单片机电路引脚输出高电平时，三极管Q1截止，继电器处于断开状态;当引脚输出低电平时，三极管Q1导通，继电器吸合，驱动电路上电，LED路灯点亮［5］。其电路图如图3所示。

采用PWM对LED路灯进行调光实际上是控制驱动电路的直流电压的开关以一定频率打开与闭合，其控制原理与继电器控制电路相同，从而改变LED路灯上的电压。由于加在驱动电路上的电压持续时间随PWM的占空比变化，进而改变了加在LED上的平均电流。假设某一固定直流电压产生的最大电流是Imax，而开关频率为f且闭合的周期为t，则流经LED路灯的平均电流I为:I=Imax*f*t;因此只要改变闭合的周期t就能改变平均电流，进而改变LED路灯的亮度。最终实现LED路灯的调光。其硬件电路如图3所示。

图3 继电器和PWM输出控制电路

1.3 基站控制设计

基站控制器主要由两个信号的传输模块、一个单片机、一个存储芯片及外围电路构成，其中一个无线信号传输模块负责与控制节点上的信号传输模块通信，另一个负责通过以太网与上位机监控软件通信;存储芯片用来存储一些重要数据;单片机负责处理两个信号间通信协议的转换。

2 通信协议设计

本协议适用于LED路灯智能控制系统基站与路灯节点之间，以及基站与上位机软件之间的数据通信。其中基站与路灯节点之间的通信内容主要包括:路灯数据上传帧(路灯主动发送给基站):路灯ID、包序号、环境亮度、路灯电流、路灯电压、采集时间;状态设置帧(基站发送给路灯):基站ID，路灯ID，包序号，路灯工作参数;状态设定确认帧(路灯发送给基站):路灯ID、包序号、路灯工作参数。且LED路灯一直处于侦听状态，随时接收基站数据。基站与上位机间的通信内容主要包括:设置命令帧:设置命令帧包括设置路灯的模式、设置路灯的ID列表信息;数据采集(服务器发送给基站):基站ID、路灯ID、包序号、采集参数;数据采集应答:基站ID、路灯ID、包序号、路灯工作参数［6］。其基本格式如表1:

表1 协议格式

3 系统软件设计

根据硬件各个模块的需求和功能，设计了控制节点的软件。系统上电工作以后，节点、基站、上位机进行初始化。然后根据要求设定系统的配置参数，包括开灯时间、基站ID号、路灯状态、亮度等等。节点定时上传数据上传帧，当开灯时间来到或环境光强度低于设定值时，监控软件下发设置命令帧给基站，然后基站下发设置状态帧，节点接收成功后执行，打开路灯;调光设置时，根据设定的调光等级改变PWM占空比［7］。图4是程序流程图。