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基于物联网嵌入式技术的LED路灯控制器设计
作者：RFID世界网 收编
来源：阿里巴巴
日期：2011-10-26 15:07:37
摘要：本文以路灯控制器为应用背景，设计了支持CDMA及ISM无线通信的智能路灯控制器，将物联网嵌入式技术应用其中，利用控制器提供的专用接口和CDMA网络平台，实现与各类传感器的连接，实现“人―物、“物―物、“物―人之间的信息交流。
目前，所使用的大功率LED路灯大部分都是简单的直接照明，缺少必要的智能控制，或者有些虽然具备有智能控制的功能，但是却不能自动检测路灯的照明状况，也不能方便地对路灯进行远程及本地调控。并且现有的照明管理系统大都采用有线电缆控制照明灯具，对LED路灯进行调控，通信协议比较复杂，建设成本和运营成本都比较高。本文将物联网嵌入式技术引入路灯控制器，实现LED路灯的智能控制。
物联网，是指将各种信息传感设备，如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，将沟通从任何时间任何地点任何人之间的沟通连接扩展到人与物(HumantoThing)和物与物(ThingtoThing)之间的沟通连接。发展物联网的关键在于射频标签、传感器、嵌入式系统及传输数据计算等领域。其中，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是物联网的“大脑“和“中枢神经，物联网内的所有个体都需要嵌入式系统来传输和处理处理信息，嵌入式系统的好坏将直接影响物联网的运做。
本文以路灯控制器为应用背景，设计了支持CDMA及ISM无线通信的智能路灯控制器，将物联网嵌入式技术应用其中，利用控制器提供的专用接口和CDMA网络平台，实现与各类传感器的连接，实现“人―物、“物―物、“物―人之间的信息交流。
1 路灯控制系统
本文设计的路灯控制系统由3个控制层、2个通信层组成。系统的结构如图1所示。操作人员通过监控软件或手机将需求数据发送到CDMA网络进而传送给路灯主控器；路灯主控器对接收数据分析、处理，并通过自组ISM无线网络将数据送给节点控制器；节点控制器做出响应并发出返回数据，数据按原路径返回给操作人员。本文设计了系统核心部分：智能路灯控制器，包含了主控器及节点控制器的设计。
主控器包括：ATmega128主控模块、CDMA通信模块、ISM通信模块、显示输入模块，结构图2所示。
在主控模块采用核心板设计，结构如图3所示。
2.2CDMA模块
CDMA模块内部封装了完善的TCP/IP等协议栈，可为远程无线传输提供透明的TCP/IP通道，主要完成主控器与远程控制中心通信，完成指令数据的双向传输。CDMA模块与主控器通过UART1双向传送数据。本系统选用电信公司提供的CDMA模块，通过MAX232电平转换芯片和ATmega128的UART1口相连，实现全双工的数据通信。模块采用5V供电，ATmega128的PD6口经MAX232电平转换芯片转换后接到模块的DTR。
DTR信号用来通知CDMA模块准备发送数据还是发送已经结束。
2.3ISM通信模块
ISM通信模块主要完成主控器与节点控制器通信，模块芯片及接口如图4所示。
2.4显示输入模块
本文选择TFT034触摸液晶模块用作显示及控制指令输入。TFT034采用四线电阻触摸屏作为输入，320x240像素的8位数据的256彩色LCD屏作为显示输出。
320x240像素的8位数据的256彩色LCD屏，显示一屏所需的显示缓存为320×240×8bit，即76800字节，在显示中每个字节，对应着屏上的一个像素点，因此，8位256彩色显示的显示缓存与LCD屏上的像素点是字节对应的。每个字节中又有RGB格式的区分，既有332位的RGB，又有233的格式。在彩色图象显示时，首先要给显示缓存区一个首地址，这个地址要在4字节对齐的边界上，而且，需要在SDRAM的4MB字节控制之内。它是通过配置相应的寄存器来实现的。之后，接下来的76800字节，就为显示缓存区，这里的数据会直接显示到LCD屏上去。屏上图像的变换是由于该显示缓存区数据的变换而产生的。触摸液晶屏通过26脚排线与主控器相连，主控器IO口数据可直接驱动触摸液晶屏模块。四线触摸屏坐标获取通过AD7843采集实现，程序代码如下：
节点控制器包括：MCU控制模块、调光模块、无线通信模块，结构如图5所示：
MCU控制模块采用STC89C52芯片。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，因此满足节点控制芯片的要求。模块结构如图6所示。
调光模块实现感光与调光功能。因为光敏电阻在黑暗环境里电阻值很高，当受到光照时，光敏电阻阻值下降，光照愈强，阻值愈低，入射光消失后，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。因此采用光敏电阻作为感光传感器，由ADC0832芯片将光敏电阻接收的光强模拟信号转换为数字信号输入到MCU控制器中；MCU控制器内部经过编程对输入的灯具工作参数进行分析判断，然后发出控制信号，控制恒流驱动电路输出电流的大小，从而控制LED灯的亮度，进而达到智能调控LED灯具的目的。
考虑到设计选用的为直流LED路灯，参数为：功率28瓦；电压AC100-280V；功率因数>0.95；LED颜色正白，暖白；光通量2800-12600LM；色温3000―7000K；灯具效率90%；驱动电源恒流驱动45V1.5A直流；命50000小时以上；防护等级IP65；工作温度-35oC-80oC；工作湿度10%-90%，因此需设计符合参数要求的直流调光电路。
直流调光方法常用的有：调节正向电流的方法；脉宽调制(PWM)来调光。调节正向电流的方法具有以下缺点：调正向电流会使色谱偏移；有时会出现使恒流源无法工作的问题；长时间工作于低亮度有可能会使降压型恒流源效率降低温升增高而无法工作；无法得到精确调光。因而本文采用PWM调光方法。
本文采用DN0112芯片设计了PWM调光模块。
DN0112芯片是用于直流LED灯的连续触摸IC芯片，它通过输出PWM可使灯光亮度在3%～100%间无级调节，可使LED路灯实现平滑的亮暗调节。本文设计单片机P0.3输出调光控制信号，实现对DN0112调光芯片的控制，使调光芯片可根据单片机输出的控制信号实现LED灯开关、调光。
4、结论
本文设计了路灯主控制器及节点控制器，通过CDMA通信实现了远程指令数据有效传输，通过自组无线传感网实现了主控制器与节点控制器指令数据的传输，给出了触摸液晶屏坐标点采集程序，通过对光强信号的采集设计了调光电路，完成了物联网的传感数据采集、嵌入式数据传输及处理，将物联网嵌入式技术引入到LED路灯控制器中。实验证明，本文设计的路灯控制器能有效实现智能控制，取得了较好的节能、降耗效果。
物联网，是指将各种信息传感设备，如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，将沟通从任何时间任何地点任何人之间的沟通连接扩展到人与物(HumantoThing)和物与物(ThingtoThing)之间的沟通连接。发展物联网的关键在于射频标签、传感器、嵌入式系统及传输数据计算等领域。其中，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是物联网的“大脑“和“中枢神经，物联网内的所有个体都需要嵌入式系统来传输和处理处理信息，嵌入式系统的好坏将直接影响物联网的运做。
本文以路灯控制器为应用背景，设计了支持CDMA及ISM无线通信的智能路灯控制器，将物联网嵌入式技术应用其中，利用控制器提供的专用接口和CDMA网络平台，实现与各类传感器的连接，实现“人―物、“物―物、“物―人之间的信息交流。
1 路灯控制系统
本文设计的路灯控制系统由3个控制层、2个通信层组成。系统的结构如图1所示。操作人员通过监控软件或手机将需求数据发送到CDMA网络进而传送给路灯主控器；路灯主控器对接收数据分析、处理，并通过自组ISM无线网络将数据送给节点控制器；节点控制器做出响应并发出返回数据，数据按原路径返回给操作人员。本文设计了系统核心部分：智能路灯控制器，包含了主控器及节点控制器的设计。
主控器包括：ATmega128主控模块、CDMA通信模块、ISM通信模块、显示输入模块，结构图2所示。
在主控模块采用核心板设计，结构如图3所示。
2.2CDMA模块
CDMA模块内部封装了完善的TCP/IP等协议栈，可为远程无线传输提供透明的TCP/IP通道，主要完成主控器与远程控制中心通信，完成指令数据的双向传输。CDMA模块与主控器通过UART1双向传送数据。本系统选用电信公司提供的CDMA模块，通过MAX232电平转换芯片和ATmega128的UART1口相连，实现全双工的数据通信。模块采用5V供电，ATmega128的PD6口经MAX232电平转换芯片转换后接到模块的DTR。
DTR信号用来通知CDMA模块准备发送数据还是发送已经结束。
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2.3ISM通信模块
ISM通信模块主要完成主控器与节点控制器通信，模块芯片及接口如图4所示。
2.4显示输入模块
本文选择TFT034触摸液晶模块用作显示及控制指令输入。TFT034采用四线电阻触摸屏作为输入，320x240像素的8位数据的256彩色LCD屏作为显示输出。
320x240像素的8位数据的256彩色LCD屏，显示一屏所需的显示缓存为320×240×8bit，即76800字节，在显示中每个字节，对应着屏上的一个像素点，因此，8位256彩色显示的显示缓存与LCD屏上的像素点是字节对应的。每个字节中又有RGB格式的区分，既有332位的RGB，又有233的格式。在彩色图象显示时，首先要给显示缓存区一个首地址，这个地址要在4字节对齐的边界上，而且，需要在SDRAM的4MB字节控制之内。它是通过配置相应的寄存器来实现的。之后，接下来的76800字节，就为显示缓存区，这里的数据会直接显示到LCD屏上去。屏上图像的变换是由于该显示缓存区数据的变换而产生的。触摸液晶屏通过26脚排线与主控器相连，主控器IO口数据可直接驱动触摸液晶屏模块。四线触摸屏坐标获取通过AD7843采集实现，程序代码如下：
节点控制器包括：MCU控制模块、调光模块、无线通信模块，结构如图5所示：
MCU控制模块采用STC89C52芯片。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，因此满足节点控制芯片的要求。模块结构如图6所示。
调光模块实现感光与调光功能。因为光敏电阻在黑暗环境里电阻值很高，当受到光照时，光敏电阻阻值下降，光照愈强，阻值愈低，入射光消失后，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。因此采用光敏电阻作为感光传感器，由ADC0832芯片将光敏电阻接收的光强模拟信号转换为数字信号输入到MCU控制器中；MCU控制器内部经过编程对输入的灯具工作参数进行分析判断，然后发出控制信号，控制恒流驱动电路输出电流的大小，从而控制LED灯的亮度，进而达到智能调控LED灯具的目的。
考虑到设计选用的为直流LED路灯，参数为：功率28瓦；电压AC100-280V；功率因数>0.95；LED颜色正白，暖白；光通量2800-12600LM；色温3000―7000K；灯具效率90%；驱动电源恒流驱动45V1.5A直流；命50000小时以上；防护等级IP65；工作温度-35oC-80oC；工作湿度10%-90%，因此需设计符合参数要求的直流调光电路。
直流调光方法常用的有：调节正向电流的方法；脉宽调制(PWM)来调光。调节正向电流的方法具有以下缺点：调正向电流会使色谱偏移；有时会出现使恒流源无法工作的问题；长时间工作于低亮度有可能会使降压型恒流源效率降低温升增高而无法工作；无法得到精确调光。因而本文采用PWM调光方法。
本文采用DN0112芯片设计了PWM调光模块。
DN0112芯片是用于直流LED灯的连续触摸IC芯片，它通过输出PWM可使灯光亮度在3%～100%间无级调节，可使LED路灯实现平滑的亮暗调节。本文设计单片机P0.3输出调光控制信号，实现对DN0112调光芯片的控制，使调光芯片可根据单片机输出的控制信号实现LED灯开关、调光。
4、结论
本文设计了路灯主控制器及节点控制器，通过CDMA通信实现了远程指令数据有效传输，通过自组无线传感网实现了主控制器与节点控制器指令数据的传输，给出了触摸液晶屏坐标点采集程序，通过对光强信号的采集设计了调光电路，完成了物联网的传感数据采集、嵌入式数据传输及处理，将物联网嵌入式技术引入到LED路灯控制器中。实验证明，本文设计的路灯控制器能有效实现智能控制，取得了较好的节能、降耗效果。
