基于nRF905的智能照明節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計

林佳鋒+蒙啟恒+陳洪宇

由西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院“雙E”項目資助

摘要：本文針對路燈的控制現(xiàn)狀及用電大量浪費(fèi)的現(xiàn)象，調(diào)查并分析了小區(qū)路燈的實際情況，設(shè)計了基于nRF905和AT89S51單片機(jī)的智能照明節(jié)能系統(tǒng)。利用nRF905無線模塊實現(xiàn)路燈之間的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)行人或車輛被系統(tǒng)檢測到時，路燈亮起并通過nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)到下一個路燈控制器，直到車輛離開后自動熄燈，同時下一個路燈也會提前點亮路燈。

關(guān)鍵詞：nRF905；數(shù)據(jù)無線傳輸；節(jié)能

0引言

目前，多數(shù)城市對于路燈的有效管理和實時性水平都比較低，很多時候路燈工作狀態(tài)信息都不能及時反映以及不能及時解決問題，導(dǎo)致不必要的浪費(fèi)。本文介紹的城市照明無線控制系統(tǒng)可以解決這些局限性問題，我們無需到現(xiàn)場，只要在主控制室就能知道現(xiàn)場路燈工作狀態(tài)。并且本系統(tǒng)以“有人則亮，無人則滅”的方案設(shè)計，從而達(dá)到節(jié)能效果。

1整體設(shè)計方案

該系統(tǒng)主要由照明區(qū)域控制器與智能節(jié)點組成，智能化照明控制是由前者負(fù)責(zé)，而路燈的狀態(tài)檢測和控制由后者負(fù)責(zé)。它們之間的數(shù)據(jù)是通過nRF905無線模塊進(jìn)行傳輸。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

在智能控制器工作時，路燈四周環(huán)境的光線強(qiáng)弱的判斷由光敏元件實現(xiàn)，以此來實現(xiàn)當(dāng)前時段是否開啟路燈的功能。只要有行人通過，紅外檢測單元可產(chǎn)生脈沖信號并傳到控制器，控制器會將脈沖信號以及時間間隔等數(shù)據(jù)通過軟件計算出相關(guān)參數(shù)，使其路燈亮起來并持續(xù)一段時間。與此同時，下一個路燈的單片機(jī)會接收到由控制器通過nRF905無線模塊傳遞的相關(guān)數(shù)據(jù)。接收到數(shù)據(jù)的單片機(jī)會在人將要到達(dá)前打開路燈，而當(dāng)前路燈直到下一個路燈亮起才熄燈。與此同時，該燈也實時檢測路況，并把相關(guān)數(shù)據(jù)通過無線模塊傳遞給下一個路燈[1]。主控制室的計算機(jī)可通過nRF905無線模塊實時監(jiān)控路燈工作狀態(tài)。其系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

2系統(tǒng)主要單元硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1控制器模塊

眾所周知，AT89S51是一種能耗低，功能強(qiáng)大且易于操作的單片機(jī)。最重要的是，AT89S51所用的編程語言與我們?nèi)粘＝?jīng)常用的到的匯編語言和C語言相似，有時候比C語言更簡練和明確。因此， AT89S51單片機(jī)為本設(shè)計控制器的最佳選擇。在本設(shè)計中，完成降壓處理和采集電源電壓轉(zhuǎn)換是AT89S51單片機(jī)的主要工作，繼電器的通斷則由軟件負(fù)責(zé)控制；除此之外還要記錄當(dāng)前時間段內(nèi)的開關(guān)燈時間及狀態(tài)，以及負(fù)責(zé)與外部設(shè)備之間通信等作用[2]。

2.2無線傳輸單元

目前，433MHz和2.4GHz是我國可以使用的免費(fèi)ISM頻率。nRF905無線通信模塊的工作頻率也是433MHz，而且工作電壓只需2.7V。因此，我們選擇nRF905作為無線傳輸模塊。同時它的靈敏度高（-100dBm）且頻率穩(wěn)定性極好。最值得一提的是它的能耗低，安全性也非常好，這要歸功于高密鑰管理和跳頻技術(shù)。其電路如圖3所示。）

2.3移動物體監(jiān)測單元

該系統(tǒng)由兩個555電路來實現(xiàn)信號發(fā)生電路。調(diào)制信號（1kHz）由左邊555電路提供，并由Q端口輸出至右邊555電路的R端口（復(fù)位端）， 方波信號（38kHz）由右邊555電路來提供。當(dāng)R端口被置高時，R端口為調(diào)制端，555電路為常規(guī)的方波振蕩器；當(dāng)R端口為低電平，555電路的Q端口處于低電平。此時移動物體監(jiān)測單元就處于工作狀態(tài)，即可以對過往的行人或車輛進(jìn)行監(jiān)測，其電路原理圖如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1無線通信程序設(shè)計

3.1.1發(fā)送模式編程要點[4]

當(dāng)單片機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)時：1）將nRF905和寄存器分別進(jìn)行初始化；2）接收機(jī)的地址和將要發(fā)送的數(shù)據(jù)由SPI口傳給NRF905。3）只有TRX_CE和TX_CE同時為高電平時，才能進(jìn)入NRF905的Shock Burst TX發(fā)送模式，然后才能發(fā)送數(shù)據(jù)。4）若TRX_CE為高電平，AUTO_RETRAN也為高電平，則nRF905將繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包，反之停止發(fā)送數(shù)據(jù)并進(jìn)入節(jié)電模式。根據(jù)要點發(fā)送模式程序流程圖如圖5所示。

3.1.2接收模式編程要點[4]

1）只有當(dāng)TRX_CE為高電平、TX_EN為低電平時，nRF905才能進(jìn)入Shock Burst RX接收模式，進(jìn)入該模式后650μs，nRF905將進(jìn)行載波檢測并準(zhǔn)備數(shù)據(jù)接收。2）當(dāng)接收完一個正確的數(shù)據(jù)包，然后將引腳DR置高，TRX_CE置低，nRF905進(jìn)入節(jié)電模式。3）數(shù)據(jù)以一定的速率通過SPI口移到單片機(jī)內(nèi)。4）當(dāng)數(shù)據(jù)都接收完畢之后nRF905把引腳DR和引腳AM置低并進(jìn)入空閑模式。至此已完成整個接收流程。根據(jù)要點接收模式程序流程圖如圖6所示。

3.2物體位移感應(yīng)的編程

本系統(tǒng)中支路控制器應(yīng)滿足亮燈狀態(tài)根據(jù)交通情況自動調(diào)節(jié)：當(dāng)行人或車輛將要到達(dá)1號路燈時1號路燈亮，當(dāng)行人或車輛離開1號路燈向2號路燈行去，將要到達(dá)2號路燈時，1號路燈滅，2號路燈亮，以此類推；反之亦然。為滿足要求設(shè)計出流程圖如圖7所示。

4結(jié)語

隨著人類無線技術(shù)正不斷地進(jìn)步與發(fā)展，無線技術(shù)帶給我們許多便捷。因此，本設(shè)計運(yùn)用nRF905無線模塊來實現(xiàn)無線智能控制，這將會更方便人們對路燈的工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。而且該系統(tǒng)具有低功耗、低成本、抗干擾性好，安全性高，信號穩(wěn)定等優(yōu)點，非常適合運(yùn)用于實際中的路燈。綜合來看，有廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉曉勝，戚佳金，牟英峰，等.網(wǎng)絡(luò)化實時路燈精確監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計[J].電氣傳動，2004，23（8）：3-6.

[2]孫志凱.基于ATmega16和nRF905的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用，2008（10）：4-7.

[3]Nordic官方網(wǎng)站對于nRF905的介紹

[4]張潔.nRF24E1無線單片機(jī)限位測控系統(tǒng)設(shè)計[J].中國測試技術(shù)，2008：52-53.