港口高桿燈智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李巖，溫浩，常新華

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港口高桿燈智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李巖1，溫浩1，常新華2

（1. 五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020；2. 魯東大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264025）

設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的港口高桿燈智能控制系統(tǒng). 該系統(tǒng)能根據(jù)港口所在地的經(jīng)緯度和日期，自動(dòng)計(jì)算當(dāng)?shù)孛刻烊粘鋈章涞臅r(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)高桿燈自動(dòng)定時(shí)開關(guān)；應(yīng)用GSM模塊與單片機(jī)通信，通過短信實(shí)現(xiàn)對(duì)高桿燈的手動(dòng)控制. 實(shí)際運(yùn)行證明了系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠.

高桿燈；港口；日出日落時(shí)間；單片機(jī)

目前，國(guó)內(nèi)各港口的裝卸區(qū)域和大面積堆場(chǎng)多采用大功率高桿燈照明，每組高桿燈功率達(dá)數(shù)千瓦，光源總功率達(dá)數(shù)百千瓦，耗電量巨大[1]：因此對(duì)高桿燈進(jìn)行科學(xué)、合理的控制是很有必要的. 由于港口區(qū)域較大，靠工人對(duì)單個(gè)高桿燈開關(guān)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)合閘操作不僅效率低，而且存在安全隱患；在高桿燈上安裝定時(shí)器，可以實(shí)現(xiàn)高桿燈在預(yù)設(shè)時(shí)間的開關(guān)，但是國(guó)內(nèi)港口，特別是北方港口四季晝夜時(shí)間長(zhǎng)短變化較大，需要不斷地對(duì)預(yù)設(shè)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，控制起來比較麻煩[2]；如果選用光控開關(guān)，由于港口堆場(chǎng)粉塵較大，對(duì)光強(qiáng)度傳感器的干擾較大，控制效果也不好[2-3]. 本文應(yīng)用的單片機(jī)智能控制系統(tǒng)可根據(jù)港口所在地的經(jīng)緯度和日期計(jì)算出每天日出日落的時(shí)間，對(duì)高桿燈的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)；如果遇到陰雨等特殊情況天氣，可通過GSM網(wǎng)絡(luò)用手機(jī)短信控制高桿燈的開關(guān). 該系統(tǒng)已在北方某港口試用一年，具有操作簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn).

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

系統(tǒng)主要由GSM模塊、時(shí)鐘電路、單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成，具體如圖1所示.

圖1 高桿燈控制系統(tǒng)框圖

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心. 單片機(jī)從時(shí)鐘芯片讀取當(dāng)前日期，再根據(jù)港口所在地的經(jīng)緯度計(jì)算出每天日出日落的時(shí)間；單片機(jī)實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前時(shí)間，并與計(jì)算出的日出日落時(shí)間進(jìn)行比對(duì)，如果定時(shí)時(shí)間已到，單片機(jī)就根據(jù)定時(shí)控制高桿燈的閉或開. 同時(shí)，單片機(jī)通過串口與GSM模塊通信，可響應(yīng)工作人員以短信形式發(fā)送來的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)高桿燈開關(guān)的手動(dòng)控制以及系統(tǒng)時(shí)間的校準(zhǔn)等功能.

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 單片機(jī)及時(shí)鐘電路

本設(shè)計(jì)主控單元采用宏晶STC12C5A60系列單片機(jī). 該系列單片機(jī)具有較大的程存和數(shù)存空間，自帶E2PROM，芯片工作電壓3.3~5.5 V. 具體電路如圖2所示，其中，U1為時(shí)鐘芯片PCF8563，該芯片通過數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行I2C總線，與單片機(jī)之間雙向傳送數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間、日期等數(shù)據(jù)的讀??；U2為看門狗芯片MAX813L，在單片機(jī)程序跑飛或者系統(tǒng)電壓低于門限值（4.65 V）時(shí)，該芯片可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，保證單片機(jī)的正常工作；U3為安森美的LDO，實(shí)現(xiàn)電壓從12 V到5 V的轉(zhuǎn)換，同時(shí)增加TVS管對(duì)LDO的保護(hù).

圖2 單片機(jī)及時(shí)鐘電路原理圖

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

實(shí)際中，每個(gè)高桿燈有3組高壓鈉燈，每組工作電流為10.3 A. 選用額定電壓380 V下額定電流37 A的接觸器來控制，每一路驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，單片機(jī)I/O口與驅(qū)動(dòng)電路之間增加了光耦進(jìn)行隔離. 設(shè)計(jì)采用2個(gè)松樂SRS-12VDC型和1個(gè)歐姆龍G2R型功率繼電器構(gòu)成帶自鎖功能的繼電器電路.

需要開燈時(shí)，可控制P1.1口輸出一個(gè)100 ms的低電平脈沖，驅(qū)動(dòng)Q2導(dǎo)通給繼電器K2線圈供電，K2吸合后將K1提供的12 V電壓提供給K3線圈，繼電器K3吸合，接觸器控制端子與220 V交流電接通，進(jìn)而控制380 V電源點(diǎn)亮高桿燈. 由于繼電器K3的線圈也與其端子4相連，在脈沖結(jié)束后，通過端子4可繼續(xù)給線圈供電，使其保持吸合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的自鎖. 需要關(guān)燈時(shí)，可控制P1.0口輸出一個(gè)100 ms的低電平，驅(qū)動(dòng)Q1給繼電器K1供電，K1吸合后端子6不再給K3供電，K3不再吸合，高桿燈關(guān)閉.

2.3 TC35i模塊與單片機(jī)接口電路

TC35i模塊是一款支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊. 使用RS232串口與MCU連接實(shí)現(xiàn)串口通信，通信速率為9 600 kbit/s，采用8位異步通訊方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位. 采用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令集[5]方便開發(fā)與設(shè)計(jì). 本文采用PDU編碼將控制指令和反饋信息以Unicode字符的形式發(fā)送.

TC35i 有40 個(gè)引腳，通過1個(gè)ZIF連接器引出. 設(shè)計(jì)中，將其第1～5引腳與VCC相連，第6～10引腳與地相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)其供電. 第15引腳與單片機(jī)INT0引腳相連，通過一個(gè)大于100 ms的低電平脈沖實(shí)現(xiàn)模塊的啟動(dòng). 第18、19引腳與單片機(jī)RXD和TXD引腳相連，實(shí)現(xiàn)串口通信. 第24～29引腳依次與SIM卡的CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC和CCGND相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理[4].

圖3 高桿燈驅(qū)動(dòng)電路

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程圖

初始化過程將完成對(duì)定時(shí)器、中斷、串口、GSM模塊以及時(shí)鐘芯片的初始化，將默認(rèn)手機(jī)號(hào)碼和港口經(jīng)緯度信息依次寫入E2PROM的第一、二扇區(qū). 在每次完成開燈動(dòng)作600 s后，程序?qū)⒆x取日期和經(jīng)緯度信息，由此計(jì)算出第2天關(guān)燈和開燈的時(shí)間，并存入E2PROM第3扇區(qū). 主程序?qū)⒉粩啾容^當(dāng)前時(shí)間與存放在E2PROM中的定時(shí)時(shí)間. 如果定時(shí)時(shí)間到了，程序執(zhí)行相應(yīng)的開關(guān)燈動(dòng)作. 如果接收到短信命令，且手機(jī)號(hào)碼合法，則響應(yīng)該短信命令.

例如，春、秋分前后，煙臺(tái)市的日落時(shí)間為18:00. 當(dāng)前時(shí)間為17:50，此時(shí)為白天，不需要開燈. 程序?qū)⒉煌z測(cè)定時(shí)時(shí)間是否已到. 如果時(shí)間到了18:00，程序執(zhí)行開燈動(dòng)作，600 s后計(jì)算明天的關(guān)燈和開燈時(shí)間. 之后將檢測(cè)是否到了新的關(guān)燈時(shí)間，當(dāng)檢測(cè)到第2天6:00左右時(shí)，定時(shí)時(shí)間到，執(zhí)行相應(yīng)的關(guān)燈操作. 而后繼續(xù)檢測(cè)是否到達(dá)第2天18:00左右的開燈時(shí)間，如此循環(huán)執(zhí)行.

圖4 主程序流程圖

3.2 日出日落時(shí)間算法

假設(shè)地球?yàn)榍蛐?，圓形太陽的上沿剛好到達(dá)地平線的時(shí)刻，即為太陽升起落下的時(shí)刻. 以觀察者所處的地平面為參考平面，考慮到大氣折射的影響，當(dāng)太陽處在-0.833°的位置就是日出日落時(shí)的位置. 為了方便計(jì)算，把時(shí)間按角度換算，即12 h=180°. 計(jì)算時(shí)，先假設(shè)一個(gè)太陽位置，再采用這個(gè)假設(shè)的位置計(jì)算日出位置，采用迭代法不斷地用計(jì)算出的新位置重新計(jì)算太陽的位置. 當(dāng)兩次位置之差足夠小時(shí)，輸出日出日落時(shí)間，具體算法參見文獻(xiàn)[6].

4 應(yīng)用實(shí)例

本設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用在煙臺(tái)港大面積堆場(chǎng)的照明系統(tǒng)中，選擇每個(gè)月的1日、11日、21日對(duì)開關(guān)燈的時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體結(jié)果如表1所示. 具體的開關(guān)燈時(shí)間與中科院國(guó)家授時(shí)中心提供的日出日落時(shí)間相比，誤差前后不超過3 min. 在陰、雨、霧天，還可通過手機(jī)短信進(jìn)行控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)能力.

表1 國(guó)家授時(shí)中心日出日落時(shí)間與開關(guān)燈時(shí)間對(duì)比表

5 結(jié)論

經(jīng)過一年的觀測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定. 由于大氣散射的原因，天亮和天黑時(shí)間會(huì)相應(yīng)提前和延后，故系統(tǒng)誤差并未帶來實(shí)質(zhì)的影響. 在滿足港口裝卸對(duì)燈光要求的前提下，較大程度地節(jié)省了電力資源. 但系統(tǒng)缺少對(duì)高桿燈狀態(tài)及故障的檢測(cè)功能，仍需要人工確認(rèn). 如果能夠利用電腦作為多個(gè)高桿燈從機(jī)的服務(wù)器，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)對(duì)高桿燈狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，應(yīng)該會(huì)取得更加方便、直觀的效果，這也是今后改進(jìn)的一個(gè)方向.

[1] 張國(guó)忠. 碼頭高桿燈照明節(jié)電的應(yīng)用與研究[J]. 世界海運(yùn)，2010, 33(5): 51-52.

[2] 李宗生. 高桿燈照明的無線遙控[J]. 港口裝卸，2008(4): 32.

[3] 景春國(guó). 異常天氣城市路燈照明控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006, 30(20): 81-82.

[4] SIEMENS. SIEMENS mobile TC35i hardware interface description[EB/OL]. http://www.SIEMENS.com. 1 2009-05-25.

[5]GSM AT命令手冊(cè)[Z]. 南京:南京傲屹電子有限公司，2006.

[6] 景春國(guó)，舒冬梅. 燈監(jiān)控系統(tǒng)中日出日落時(shí)間算法的實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：專業(yè)版，2003(5): 84-85.

Design of a Control System for Tall-pole Lamps Used at Ports

LIYan1, WENHao1, CHANGXin-Hua2

(1. School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China; 2. School of Electronic and Electrical Engineering, Ludong University, Yantai 264025, China)

An intelligent control system for tall-pole lamps at ports is designed based on MCU. This system can automatically calculate the local daily sunrise and sunset times based on local longitude, latitude and achieve automatic switch-on and switch-off of high-pole lamps. The system also applies the communication between the GSM module and the MCU to achieve the manual control of tall-pole lamps through SMS. Actual operation shows that the system is stable and reliable.

tall-pole lamp; port; the times of sunrise and sunset; MCU

1006-7302（2012）01-0058-05

TP273.5

A

2011-05-20

李巖（1986—），男，山東濟(jì)南人，在讀碩士生，研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別及智能控制.