基于GPRS 的智能照明系統(tǒng)控制終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

溫兆奇，徐軍明，秦會(huì)斌

(杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所，杭州310018)

傳統(tǒng)的路燈控制方法，如手動(dòng)控制、定時(shí)器控制、光敏控制器控制等，已經(jīng)無法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理的要求，也很難適應(yīng)現(xiàn)代城市對(duì)路燈控制的要求，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，對(duì)路燈實(shí)時(shí)開關(guān)、路燈電壓調(diào)節(jié)、路燈亮度調(diào)節(jié)等指標(biāo)都有了更高的要求［1］。現(xiàn)代城市照明監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋了城市道路、城市夜景、城市景觀等城市照明管理單位實(shí)現(xiàn)城市照明集中控制的應(yīng)用系統(tǒng)，其主要通過無線方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程檢測、故障報(bào)警以及實(shí)時(shí)管理［2］。解決城市照明管理部門對(duì)整個(gè)城市照明的設(shè)備、維護(hù)維修以及不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)照明系統(tǒng)損壞等眾多問題。該系統(tǒng)不僅能夠很好實(shí)現(xiàn)集中控制問題，同時(shí)能夠檢測公共照明的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況［3］。

1 控制終端的組成

照明系統(tǒng)的控制終端作為亮燈系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)路燈終端的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和控制，把采集到的信息和監(jiān)控的數(shù)據(jù)及時(shí)可靠地傳送到監(jiān)控中心，同時(shí)從監(jiān)控中心接收控制、設(shè)置命令，保證監(jiān)控中心對(duì)路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制［7］。

控制終端的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它由微控制器STM32、GPRS 模塊、遠(yuǎn)程抄表模塊、電源模塊、模擬量采集模塊和人機(jī)接口幾部分組成。微控制器STM32實(shí)現(xiàn)控制終端的所有信息處理，它與GPRS 模塊之間進(jìn)行RS232 通信，控制GPRS 信息的接收和發(fā)送。遠(yuǎn)程抄表模塊能夠?qū)崟r(shí)獲取路燈的供電信息，與STM32之間進(jìn)行RS485 通信。電源模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控終端的電源管理，模擬量采集模塊可以采集路燈回路的電流信息，他們與主控制模塊之間進(jìn)行SPI 通信［9］。

圖1 控制終端總體結(jié)構(gòu)

2 控制終端的硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制模塊

由于控制終端需要2 個(gè)SPI 總線，2 個(gè)UART，需要普通I/O 二十多個(gè)，實(shí)時(shí)性能要求較高，結(jié)合實(shí)際需求，在芯片選擇之時(shí)采用了意法半導(dǎo)體公司的的STM32F103RB 芯片［10］。它是STM32 增強(qiáng)型系列中的一款芯片。它是32 bit 基于采用ARM 公司具有突破性的Cortex-M3 內(nèi)核的MCU，自身帶有128 kbyte 閃存，支持USB，CAN，IIC SPI 等通信協(xié)議，多達(dá)51 個(gè)快讀I/O 端口，功能十分強(qiáng)大，圖2 為主控制芯片STM32F103RB 的引腳分布圖。

圖2 主控制模塊引腳分布圖

2.2 GPRS 模塊

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業(yè)務(wù)的英文簡稱，是在GSM 全球移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之上發(fā)展起來的一種新的承載業(yè)務(wù)，為用戶提供高速的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的一種新的網(wǎng)絡(luò)。GPRS 技術(shù)是當(dāng)今GSM 網(wǎng)向3G 移動(dòng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)過渡的關(guān)鍵技術(shù)，與原有的GSM 相比，GPRS 在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢:資源利用率高、傳輸速率快、接入時(shí)間短、支持IP 協(xié)議和X.25 協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全性搞、計(jì)費(fèi)方式靈活。

GPRS 模塊采用SIEMENS 公司推出的當(dāng)今世界上尺寸最小的雙頻模塊MC52iR3。其適用于亞洲的頻段長的900 MHz/1 800 MHz，支持GSM/GPRS功能，內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議棧。MC52iR3 提供了標(biāo)準(zhǔn)的UART 接口，可以直接和STM32F103RB 控制器的UART 接口直接連接，硬件電路實(shí)現(xiàn)簡單［11］。圖3 為GPRS 模塊的主要部分原理圖。

微控制器通過AT(Attention)指令對(duì)MC52iR3進(jìn)行控制。AT 指令一般用于終端設(shè)備與計(jì)算機(jī)或者微處理器之間的連接與通信，從數(shù)據(jù)終端設(shè)備(Data Terminal Equipment)發(fā)送到電路終端設(shè)備(Data Circuit Terminal Equipment)，從而控制電路終端設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置或數(shù)據(jù)處理。

圖3 GPRS 模塊主要部分原理圖

2.3 模擬量采集模塊

模擬量采集模塊的框圖如圖4 所示，將模擬量采集模塊也設(shè)計(jì)成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，專門用來路燈電流的采集，它與主控制模塊之間構(gòu)成主從關(guān)系。模擬量采集模塊內(nèi)部也有個(gè)微處理器，采用Microchip 公司的PIC16F886 芯片，該芯片是8 bit 處理器當(dāng)中的中低檔芯片，采集到的實(shí)時(shí)模擬數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在模塊芯片中，當(dāng)主控制器請求模擬量參數(shù)時(shí)，通過SPI 總線將參數(shù)傳遞給主控制器。

圖4 模擬量采集模塊框圖

每個(gè)模擬量采集模塊可以采集12 路回路電流值。單個(gè)回路中，通過電流互感器感應(yīng)回路電流信號(hào)，再經(jīng)過峰值檢波電路，將信號(hào)濾波，放大變成穩(wěn)定信號(hào)后，將數(shù)據(jù)傳送到處理器，判別電流值的大小。

圖5 為峰值檢波電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)的采樣?？紤]到微控制器的供電電壓為3.3 V，AD 采樣的參考電壓為3.0 V，電路中采用的北京新創(chuàng)四方電子有限公司的bingzi 系列互感器TA1005-1M，它的額定輸入電流達(dá)到5 A，額定輸出電流為5 mA。交流互感器的二級(jí)繞組一端接地，一端連接在CurrentN端口，通過高精度1‰的采樣電阻R68，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)Vi。再通過由U10B，R65，R69，R62構(gòu)成的同向放大電路，7 腳輸出電壓Vo1公式如下:

圖5 峰值檢波電路圖

監(jiān)控終端的一個(gè)重要任務(wù)就是“遙控”功能，從監(jiān)控軟件端發(fā)來的控制命令在監(jiān)控終端能夠?qū)崟r(shí)輸出控制，監(jiān)控終端支持12 路的繼電器輸出控制。輸出模塊電路主要包括光電隔離電路和繼電器驅(qū)動(dòng)電路。

2.4 開關(guān)量控制模塊

圖6 為光電隔離電路，圖中采用的芯片是東芝的TLP521-4，每塊芯片有4 個(gè)獨(dú)立的光耦。從圖中可以看出當(dāng)Relay 信號(hào)輸出高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的Opt信號(hào)也輸出高電平。

繼電器驅(qū)動(dòng)電路由達(dá)林頓復(fù)合管ULN2803A 及其外圍電路構(gòu)成。達(dá)林頓管通常用于驅(qū)動(dòng)電路中，具有電流放大作用，主要用于大功率開關(guān)電路、電機(jī)調(diào)速，逆變電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。圖7 右邊電路為第6路繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖，繼電器為12 V 直流繼電器，它的左端連接達(dá)林頓管，觸頭兩端連接路燈控制柜的交流接觸器。

圖6 光耦隔離電路

圖7 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

2.5 電源模塊設(shè)計(jì)

由LM2576 開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器及其外圍電路構(gòu)成了DC 5 V 產(chǎn)生電路。LM2576 系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能夠提供降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的各種功能，能夠驅(qū)動(dòng)3 A 的負(fù)載，具有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力，輸入電壓Vin范圍8.0 V＜Vin＜40 V。5 V 產(chǎn)生電路如圖8 所示，其中3.3 V 產(chǎn)生電路采用的芯片是AMS1117-3.3，它能提供電源DC 3.3 V，電流能夠達(dá)到800 mA。

圖8 5 V/3.3 V 電源電路

2.6 控制終端實(shí)物設(shè)計(jì)

整個(gè)控制終端密封在壁掛式箱子中，在控制箱的底部提供電氣連接端子，人機(jī)操作安放在壁掛式箱子的表面，方便管理人員操作，它的實(shí)物如圖9 所示。

圖9 控制終端的整體模型

3 控制終端的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分從功能模塊來看，它可以分為幾個(gè)部分:初始化配置、模塊檢測、人機(jī)操作(包括設(shè)置和查看功能)、GPRS 接收與發(fā)送消息、ZIGBEE 接收與發(fā)送消息、回路繼電器控制和獲取模塊數(shù)據(jù)。每個(gè)功能模塊都有自己的源文件和頭文件，源文件用于軟件功能的實(shí)現(xiàn)，頭文件用于定義聲明及接口。主控制模塊的軟件簡略框圖如圖10 所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先檢測各個(gè)模塊的連接情況，當(dāng)模塊沒有連接好或者未連接時(shí)，監(jiān)控終端會(huì)提示模塊連接錯(cuò)誤。模塊檢測正常后需要操作人員手動(dòng)配置所連接的服務(wù)器IP 地址，進(jìn)而將監(jiān)控終端連接至網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)系統(tǒng)終端連接至網(wǎng)絡(luò)后，就能夠?qū)崿F(xiàn)信息的交互，系統(tǒng)終端可以接受處理從服務(wù)器發(fā)送過來的信息，也能夠?qū)IGBEE 路燈節(jié)點(diǎn)返回的消息通過GPRS 上傳至服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)。

圖10 主控制器程序流程圖

4 結(jié)束語

本文介紹的智能照明系統(tǒng)的控制終端不僅能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的遙控、遙測和遙信要求，而且實(shí)時(shí)性好、可靠性高，是一個(gè)典型的分布式監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集成計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)于一體［12］。采用前沿的無線通信控制方式，實(shí)現(xiàn)集中智能化管理。通過設(shè)置照明燈的開關(guān)燈時(shí)間、報(bào)警電流閾值，監(jiān)控中心能夠自動(dòng)巡測各個(gè)站點(diǎn)信息。各個(gè)站點(diǎn)的電參數(shù)、燈狀態(tài)、故障報(bào)警消息能夠及時(shí)匯總到監(jiān)控中心，極大降低了人工成本和維護(hù)費(fèi)用，對(duì)城市照明的管理能力有很大提高，具有很大的應(yīng)用前景。

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