中心議題:

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

解決方案:

• 學(xué)習主控器的設計

• 采用DN0112 芯片設計了PWM 調光模塊

目前，所使用的大功率LED 路燈大部分都是簡(jiǎn)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)行遠程及本地調控。 并且現有的照明管理系統大都采用有線(xiàn)電纜控制照明燈具，對LED 路燈進(jìn)行調控，通信協(xié)議比較復雜，建設成本和運營(yíng)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LED 路燈的智能控制。

物聯(lián)網(wǎng)，是指將各種信息傳感設備，如射頻識別( RFID) 裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結合起來(lái)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)鍵在于射頻標簽、傳感器、嵌入式系統及傳輸數據計算等領(lǐng)域。 其中，嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。 嵌入式系統是物聯(lián)網(wǎng)的“大腦“和“中樞神經(jīng)”，物聯(lián)網(wǎng)內的所有個(gè)體都需要嵌入式系統來(lái)傳輸和處理處理信息，嵌入式系統的好壞將直接影響物聯(lián)網(wǎng)的運做。

本文以路燈控制器為應用背景，設計了支持CDMA 及ISM 無(wú)線(xiàn)通信的智能路燈控制器，將物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)應用其中，利用控制器提供的專(zhuān)用接口和CDMA 網(wǎng)絡(luò )平臺，實(shí)現與各類(lèi)傳感器的連接，實(shí)現“人—物”、“物—物”、“物—人”之間的信息交流。

1 路燈控制系統

本文設計的路燈控制系統由3 個(gè)控制層、2個(gè)通信層組成。 系統的結構如圖1 所示。 操作人員通過(guò)監控軟件或手機將需求數據發(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據分析、處理，并通過(guò)自組ISM 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將數據送給節點(diǎn)控制器; 節點(diǎn)控制器做出響應并發(fā)出返回數據，數據按原路徑返回給操作人員。 本文設計了系統核心部分： 智能路燈控制器，包含了主控器及節點(diǎn)控制器的設計。

2 主控器設計

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，結構圖2所示。

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2. 1 主控模塊

在主控模塊采用核心板設計，結構如圖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，它的運行速度快，大多數指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內完成; 壽命： 10， 000 次寫(xiě)/擦除周期; 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區; 通過(guò)片內的啟動(dòng)程序實(shí)現系統內編程; 真正的讀- 修改- 寫(xiě)操作硬件乘法器只需兩個(gè)時(shí)鐘周期; 具有128K 字節的系統內可編程Flash; 4K 字節的內部SRAM; 可以對鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現軟件加密; 具有JTAG 接口，方便程序在線(xiàn)調試、下載; 兩個(gè)可編程的串行USART; 可工作于主機/從機模式的SPI 串行接口。

2. 2 CDMA 模塊

CDMA 模塊內部封裝了完善的TCP /IP 等協(xié)議棧，可為遠程無(wú)線(xiàn)傳輸提供透明的TCP /IP 通道，主要完成主控器與遠程控制中心通信，完成指令數據的雙向傳輸。 CDMA 模塊與主控器通過(guò)UART1 雙向傳送數據。 本系統選用電信公司提供的CDMA 模塊，通過(guò)MAX232 電平轉換芯片和ATmega128 的UART1 口相連，實(shí)現全雙工的數據通信。 模塊采用5V 供電，ATmega128 的PD6 口經(jīng)MAX232 電平轉換芯片轉換后接到模塊的DTR.

DTR 信號用來(lái)通知CDMA 模塊準備發(fā)送數據還是發(fā)送已經(jīng)結束。

2. 3 ISM 通信模塊

ISM 通信模塊主要完成主控器與節點(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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片，無(wú)線(xiàn)收發(fā)器包括： 頻率發(fā)生器、增強型SchockBurstTM 模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器解調器、輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過(guò)SPI 接口進(jìn)行設置。 它具有內置鏈路層，自動(dòng)應答及自動(dòng)重發(fā)功能、地址及CRC 檢驗功能、數據傳輸率1 或2Mbps、SPI 接口數據速率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(xiàn)電阻觸摸屏作為輸入，320x240 像素的8 位數據的256 彩色LCD屏作為顯示輸出。

320x240 像素的8 位數據的256 彩色LCD 屏，顯示一屏所需的顯示緩存為320 × 240 × 8bit，即76800 字節，在顯示中每個(gè)字節，對應著(zhù)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)是字節對應的。 每個(gè)字節中又有RGB 格式的區分，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一個(gè)首地址，這個(gè)地址要在4 字節對齊的邊界上，而且，需要在SDRAM 的4MB 字節控制之內。 它是通過(guò)配置相應的寄存器來(lái)實(shí)現的。 之后，接下來(lái)的76800 字節，就為顯示緩存區，這里的數據會(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數據的變換而產(chǎn)生的。 觸摸液晶屏通過(guò)26腳排線(xiàn)與主控器相連，主控器IO 口數據可直接驅動(dòng)觸摸液晶屏模塊。 四線(xiàn)觸摸屏坐標獲取通過(guò)AD7843 采集實(shí)現，程序代碼如下：

3 節點(diǎn)控制器設計

節點(diǎn)控制器包括： MCU 控制模塊、調光模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊，結構如圖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 在系統可編程Flash 存儲器。 使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。 片上Flash 允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。 在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線(xiàn)系統可編程Flash，因此滿(mǎn)足節點(diǎn)控制芯片的要求。 模塊結構如圖6 所示。

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3. 2 調光模塊

調光模塊實(shí)現感光與調光功能。 因為光敏電阻在黑暗環(huán)境里電阻值很高，當受到光照時(shí)，光敏電阻阻值下降，光照愈強，阻值愈低，入射光消失后，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復原值。 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模擬信號轉換為數字信號輸入到MCU 控制器中; MCU 控制器內部經(jīng)過(guò)編程對輸入的燈具工作參數進(jìn)行分析判斷，然后發(fā)出控制信號，控制恒流驅動(dòng)電路輸出電流的大小，從而控制LED 燈的亮度，進(jìn)而達到智能調控LED 燈具的目的。

考慮到設計選用的為直流LED 路燈，參數為： 功率28 瓦; 電壓AC100 - 280V; 功率因數> 0. 95 ; LED 顏色正白，暖白; 光通量2800 -12600LM; 色溫3000—7000K ; 燈具效率90% ; 驅動(dòng)電源恒流驅動(dòng)45V 1. 5A 直流; 命50000 小時(shí)以上; 防護等級IP65 ; 工作溫度- 35oC - 80oC ;工作濕度10% - 90%，因此需設計符合參數要求的直流調光電路。

直流調光方法常用的有： 調節正向電流的方法; 脈寬調制( PWM) 來(lái)調光。 調節正向電流的方法具有以下缺點(diǎn)： 調正向電流會(huì )使色譜偏移; 有時(shí)會(huì )出現使恒流源無(wú)法工作的問(wèn)題; 長(cháng)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(wú)法工作; 無(wú)法得到精確調光。 因而本文采用PWM 調光方法。

本文采用DN0112 芯片設計了PWM 調光模塊。

DN0112 芯片是用于直流LED 燈的連續觸摸IC 芯片，它通過(guò)輸出PWM 可使燈光亮度在3% ～100%間無(wú)級調節，可使LED 路燈實(shí)現平滑的亮暗調節。 本文設計單片機P0. 3 輸出調光控制信號，實(shí)現對DN0112 調光芯片的控制，使調光芯片可根據單片機輸出的控制信號實(shí)現LED 燈開(kāi)關(guān)、調光。

4、結論

本文設計了路燈主控制器及節點(diǎn)控制器，通過(guò)CDMA 通信實(shí)現了遠程指令數據有效傳輸，通過(guò)自組無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)實(shí)現了主控制器與節點(diǎn)控制器指令數據的傳輸，給出了觸摸液晶屏坐標點(diǎn)采集程序，通過(guò)對光強信號的采集設計了調光電路，完成了物聯(lián)網(wǎng)的傳感數據采集、嵌入式數據傳輸及處理，將物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)引入到LED路燈控制器中。 實(shí)驗證明，本文設計的路燈控制器能有效實(shí)現智能控制，取得了較好的節能、降耗效果。