一組新型智能路燈控制器設(shè)計(jì)

馬彬焱

(南京地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210008)

0 引 言

隨著國內(nèi)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，城市外延不斷擴(kuò)大，城市道路照明和景觀照明設(shè)施大量增加[1]。傳統(tǒng)的人工管理方式弊端日趨明顯[2]，包括耗費(fèi)大量的人力物力進(jìn)行維護(hù)巡檢、不能實(shí)時(shí)監(jiān)控路燈設(shè)施的運(yùn)行狀況和智能化水平低等，已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前智慧城市建設(shè)和管理的要求。本文設(shè)計(jì)的一組智能路燈控制器，包含路燈網(wǎng)關(guān)和燈具控制器，配合路燈主站管理系統(tǒng)使用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控、路燈回路和任意燈具的亮燈、滅燈和調(diào)光操作，有效提高城市路燈的綜合管理水平和信息化程度，降低維護(hù)成本和工作量。

節(jié)能方面，利用人體視覺對(duì)光線適應(yīng)的理論，可適當(dāng)降低光照節(jié)能而不影響人的視覺[3]。因此，根據(jù)城市道路的具體情況，在不同時(shí)段調(diào)整燈具的亮度值，并結(jié)合隔一亮一、隔二亮一等措施，在不影響城市道路照明的情況下，和全夜燈相比較，一般可實(shí)現(xiàn)15%～30%的節(jié)電量。

1 城市照明管理系統(tǒng)構(gòu)成

城市照明管理系統(tǒng)如圖1所示，由位于照明管理中心的監(jiān)控主站、安裝在綜合控制柜中的路燈網(wǎng)關(guān)和安裝在燈桿中的燈具控制器組成。城市照明管理系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和路燈網(wǎng)關(guān)通信，數(shù)據(jù)傳輸不受距離的限制，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)有效管理和維護(hù)[4]。路燈網(wǎng)關(guān)通過電力載波的方式與燈具控制器進(jìn)行通信，和其他通信方式相比電力線載波通信以現(xiàn)有的非常發(fā)達(dá)的電力線為載體，傳輸數(shù)據(jù)信息可靠，無需再鋪設(shè)信號(hào)線[5]。

圖1 城市照明管理系統(tǒng)示意圖

2 控制器硬件接口設(shè)計(jì)

控制器硬件接口如圖2所示。路燈網(wǎng)關(guān)使用Stm32F429作為主控芯片，外擴(kuò)包括：Fram存儲(chǔ)器、Flash存儲(chǔ)器、GPRS通信模塊、電力載波通信模塊、三相電表芯片采集模塊、藍(lán)牙通信模塊和DI/DO模塊等。燈具控制器使用Stm32F407作為控制芯片，外接單相電表采集模塊、電力載波通信模塊和DI/DO模塊。

圖2 控制器硬件接口結(jié)構(gòu)圖

路燈網(wǎng)關(guān)部分：外擴(kuò)FRAM模塊用于存儲(chǔ)集中器的配置參數(shù)，如路燈網(wǎng)關(guān)的序列號(hào)、管理的燈具數(shù)目等；外擴(kuò)FLASH存儲(chǔ)器用于保存主站下發(fā)的網(wǎng)關(guān)升級(jí)程序；GPRS通信模塊用于和主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；集中器和單燈控制器之間的通信，選用鼎信公司成熟的電力載波通信模塊，具備通信中繼功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)路由組網(wǎng)和通信功能；電表芯片采集模塊，選用高精度三相電能專用計(jì)量芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、功率、功率因數(shù)和電能等數(shù)據(jù)的采集；藍(lán)牙通信模塊用于在GPRS未連接狀態(tài)下，由本地PC機(jī)通過藍(lán)牙方式對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置和控制。

燈具控制器部分:電表芯片采集模塊用于采集燈頭的工作電壓、電流、功率等用電信息；DAC模擬量輸出模塊用于調(diào)節(jié)燈頭的亮度；DO輸出用于控制燈頭的供電。

3 路燈控制器軟件設(shè)計(jì)

路燈網(wǎng)關(guān)和燈具控制器軟件部分均采用UC/OS作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，通過對(duì)系統(tǒng)需求的分解和細(xì)化，將要實(shí)現(xiàn)的軟件功能劃分為多個(gè)任務(wù)。任務(wù)之間通過信號(hào)量來實(shí)現(xiàn)同步，通過消息郵箱和消息隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的通信。進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，為每個(gè)任務(wù)分配合理的優(yōu)先級(jí)，通過內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)軟件功能合理及可靠運(yùn)行。

3.1 路燈網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)

鑒于路燈網(wǎng)關(guān)、燈具控制器使用ST公司同一系列的控制器，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用相同的架構(gòu)，僅應(yīng)用層不同。下面以路燈網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行說明，如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖

驅(qū)動(dòng)層完成對(duì)所有硬件接口的封裝，包括載波通信驅(qū)動(dòng)、RTC驅(qū)動(dòng)、定時(shí)器驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)、FRAM驅(qū)動(dòng)、AD采集驅(qū)動(dòng)、FLASH驅(qū)動(dòng)、GPRS通信模塊驅(qū)動(dòng)和DI/DO驅(qū)動(dòng)等，可以方便地被上層應(yīng)用程序調(diào)用，完成相應(yīng)的硬件操作。對(duì)設(shè)置為中斷工作方式的驅(qū)動(dòng)，當(dāng)中斷條件觸發(fā)時(shí)，通過發(fā)送信號(hào)量或消息來喚醒任務(wù)并完成相應(yīng)的功能。

系統(tǒng)層包含UC/OS內(nèi)核。內(nèi)核完成對(duì)多個(gè)任務(wù)的調(diào)度管理，保證各個(gè)任務(wù)有序執(zhí)行。

系統(tǒng)應(yīng)用層包含6個(gè)任務(wù)。起始任務(wù)用來完成對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和硬件的初始化，并創(chuàng)建其他任務(wù)。GPRS通信連接任務(wù)完成集中器和主站通信鏈路的建立。GPRS通信處理任務(wù)完成集中器和主站的通信。載波通信處理任務(wù)完成網(wǎng)關(guān)和燈具控制器間的通信。藍(lán)牙通信處理任務(wù)用于對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行參數(shù)配置和調(diào)試。周期任務(wù)完成對(duì)采集值的更新、故障檢測(cè)和本地?zé)艟呖刂迫蝿?wù)執(zhí)行等功能。

3.2 路燈網(wǎng)關(guān)任務(wù)功能設(shè)計(jì)

下面將對(duì)系統(tǒng)的各任務(wù)要完成的功能進(jìn)行詳細(xì)介紹，包括任務(wù)觸發(fā)條件和執(zhí)行流程等。

3.2.1GPRS通信連接任務(wù)

該任務(wù)用于實(shí)現(xiàn)路燈網(wǎng)關(guān)和主站的GPRS通信鏈路連接。在起始任務(wù)完成硬件初始化和創(chuàng)建其他任務(wù)，并將自身刪除后，GPRS通信連接任務(wù)具有最高的優(yōu)先級(jí)。任務(wù)調(diào)用AT指令，發(fā)起和主站的連接，通信連接建立后將自身掛起，釋放對(duì)CPU的占用。若超過設(shè)定時(shí)間，網(wǎng)關(guān)未接收到來自主站的心跳命令，則認(rèn)為網(wǎng)關(guān)和主站間的鏈接已斷開。此時(shí)，由系統(tǒng)心跳嘀嗒的鉤子函數(shù)發(fā)送信號(hào)量，喚醒GPRS通信連接任務(wù)的執(zhí)行。

3.2.2GPRS通信處理任務(wù)

本任務(wù)的執(zhí)行流程如圖4所示。當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到主站下發(fā)的數(shù)據(jù)觸發(fā)DMA中斷，或在周期任務(wù)中檢測(cè)到報(bào)警時(shí)，會(huì)發(fā)送信號(hào)量喚醒任務(wù)執(zhí)行。任務(wù)啟動(dòng)執(zhí)行后，首先判斷GPRS通信鏈路是否建立，若鏈路斷開，則將自身掛起，等待鏈路恢復(fù)。若鏈路正常，則開始處理和主站之間的數(shù)據(jù)交互。設(shè)計(jì)時(shí)，將數(shù)據(jù)交互內(nèi)容劃分為三個(gè)優(yōu)先級(jí)：①主站發(fā)起的所有命令，包括參數(shù)配置、維護(hù)操作、實(shí)時(shí)控制和查詢命令等;②網(wǎng)關(guān)發(fā)起的報(bào)警上送，包括檢測(cè)到的所有網(wǎng)關(guān)和燈具故障等信息;③網(wǎng)關(guān)發(fā)起的事件上送，包括網(wǎng)關(guān)和燈具的所有遙測(cè)、遙信等數(shù)據(jù)。其中，命令優(yōu)先級(jí)>報(bào)警優(yōu)先級(jí)>事件優(yōu)先級(jí)。任務(wù)執(zhí)行時(shí)，按照設(shè)計(jì)的優(yōu)先級(jí)順序，依次處理命令、報(bào)警和事件等通信內(nèi)容。

通過以上設(shè)計(jì)，主站可以實(shí)時(shí)、可靠的對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)亮燈、滅燈、調(diào)光等控制，并支持對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查詢、監(jiān)控與報(bào)警[6]。主站還可以通過下發(fā)亮燈控制策略，由網(wǎng)關(guān)按照設(shè)定的時(shí)控、經(jīng)緯度控制、光控等工作模式自動(dòng)對(duì)燈具的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。此外，網(wǎng)關(guān)提供的遠(yuǎn)程升級(jí)功能，也大大降低了系統(tǒng)維護(hù)的難度。

圖4 GPRS通信處理任務(wù)流程圖

3.2.3載波通信處理任務(wù)

當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到主站下發(fā)的燈具操作命令，或在串口中斷中接收到燈具發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)發(fā)送信號(hào)量喚醒載波通信處理任務(wù)執(zhí)行。網(wǎng)關(guān)和燈具間的載波通信主要包括以下三個(gè)方面：

(1)配置類命令。由網(wǎng)關(guān)下發(fā)命令，配置燈具的序列號(hào)和燈具所在的組號(hào)，燈具最大支持32個(gè)編組，即同一個(gè)燈具最多可被32個(gè)組包含。

(2)控制命令。以廣播、組播和單播的形式對(duì)燈頭的亮燈、滅燈及調(diào)光進(jìn)行控制，并支持多燈頭分別控制。

(3)讀命令。網(wǎng)關(guān)讀取燈具的電壓、電流、功率和功率因數(shù)等采集數(shù)據(jù)。

3.2.4周期任務(wù)

該任務(wù)周期性的執(zhí)行。首先，更新8路DI輸入信號(hào)的狀態(tài)和電表采集數(shù)據(jù)的測(cè)量值。然后，根據(jù)更新的狀態(tài)值和測(cè)量值，進(jìn)行故障判斷。若檢測(cè)到報(bào)警，將報(bào)警號(hào)寫入發(fā)送緩存，并發(fā)送信號(hào)量，喚醒GPRS通信處理任務(wù)執(zhí)行，將報(bào)警信息及時(shí)上報(bào)給主站，便于路燈管理人員快速定位和解決故障。

3.2.5藍(lán)牙通信處理任務(wù)

任務(wù)使用和GPRS通信相同的協(xié)議，在網(wǎng)關(guān)外殼的串口2上插上藍(lán)牙模塊，便可以使用PC機(jī)的藍(lán)牙接口對(duì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行配

置和調(diào)試。和藍(lán)牙模塊相連的接收中斷觸發(fā)后，會(huì)喚醒任務(wù)的執(zhí)行，完成對(duì)主站命令的協(xié)議解析和處理。前期開發(fā)過程中，用于對(duì)主站和集中器的通信協(xié)議功能進(jìn)行測(cè)試，效率較GPRS通信高出很多，節(jié)省大量的開發(fā)時(shí)間。待協(xié)議測(cè)試完成后，再引入對(duì)GPRS通信的測(cè)試。設(shè)備生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)，通過該任務(wù)，在不使用SIM卡的情況下，可以方便地實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和初步功能驗(yàn)證。

3.3 燈具控制器任務(wù)功能設(shè)計(jì)(周期采集和載波通信任務(wù))

燈具控制器的軟件設(shè)計(jì)采用和網(wǎng)關(guān)相同的架構(gòu)，應(yīng)用層劃分為載波通信處理和周期采集兩個(gè)任務(wù)。燈具控制器作為通信的從設(shè)備，在接收到網(wǎng)關(guān)下發(fā)的命令時(shí)，喚醒載波通信處理任務(wù)執(zhí)行，解析網(wǎng)關(guān)下發(fā)的控制命令，對(duì)燈頭進(jìn)行相應(yīng)的亮燈、滅燈和調(diào)光操作；接收到查詢命令時(shí)，將測(cè)量值上傳給網(wǎng)關(guān)。周期采集任務(wù)用于定時(shí)更新電表芯片的采集值，如電壓、電流、有功和無功等。

4 測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證路燈網(wǎng)關(guān)和燈具控制器的性能，對(duì)公司園區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的照明設(shè)施進(jìn)行了改造，對(duì)主站和網(wǎng)關(guān)間的GPRS通信、網(wǎng)關(guān)和燈具控制器間的載波通信性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1、表2所示。測(cè)試結(jié)果表明，GPRS通信和載波通信功能穩(wěn)定可靠，可以較好地實(shí)現(xiàn)主站和網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)關(guān)和燈具之間的數(shù)據(jù)交互。

表1 GPRS通信性能測(cè)試結(jié)果

表2 載波通信性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的一組新型智能路燈控制器，集智能控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為一體，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控主站對(duì)燈具的智能化管理。工作人員通過主站系統(tǒng)可以方便地實(shí)現(xiàn)亮燈、滅燈和調(diào)光等操作,并可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)艟叩墓ぷ鳡顟B(tài)，及時(shí)定位故障原因和故障位置，為照明設(shè)施的維護(hù)管理工作帶來了極大的便利。隨著全國范圍內(nèi)照明設(shè)施智能化程度的不斷提高，新型智能路燈控制器將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。