基于AVR單片機(jī)和VC++ 6.0的路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黎瓊 溫泉徹 鐵新城

摘? 要： 為提高道路照明系統(tǒng)控制的可靠性、便捷性和靈活性，并達(dá)到節(jié)能降耗的效果，設(shè)計(jì)了一套路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)包括路燈控制終端和上位機(jī)軟件兩大部分。路燈智能控制終端基于AVR單片微處理器開發(fā)，集遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、定時(shí)開關(guān)控制和光感自動(dòng)開關(guān)控制于一體，增加了路燈遠(yuǎn)程控制方式的多樣性;采用定時(shí)-光感協(xié)調(diào)控制技術(shù)，彌補(bǔ)了獨(dú)立的光感自動(dòng)控制抗干擾（外界光源、遮擋等）能力差的不足。上位機(jī)軟件基于Visual C++ 6.0編程環(huán)境開發(fā)，具有控制模式切換、參數(shù)配置、接收信息顯示等功能。采用無(wú)線通信方式，減小了布線的難度，縮短了建設(shè)的周期。

關(guān)鍵詞： 路燈; AVR單片機(jī); 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng); 節(jié)能; 無(wú)線通信; 自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TP39? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2019）02-34-05

Design of street-lamp remote monitoring system with AVR microcontroller and VC++ 6.0

Li Qiong1， Wen Quanche2， Tie Xincheng1

（1. School of Information Engineering， Lingnan Normal University， Zhanjiang， Guangdong 524048， China;

2. School of mathematics and statistics， Lingnan Normal University）

Abstract： In order to improve the reliability， convenience and flexibility of road-lighting system， and save the electrical energy， a street-lamp remote monitoring system is designed in this paper. This system is consisted of a terminal controller and a monitoring program in host computer. The terminal controller is developed by using AVR microcontroller， and remote manual mode， timing mode and light-dependent mode are integrated， which improve the diversity of street-lamp remote controlling. Meanwhile， a coordination control method combined with the timing and light-dependent modes is presented， which overcomes the defects in resistance to interference （irradiated and sheltered conditions， etc.） of traditional light-dependent mode. The monitoring program is developed with Visual C++ 6.0. This program can switch the operating mode， set the parameters and display the receiving data. The wireless communication is adopted and as a result， the work of cabling can be saved and the construction cycle of system can be reduced.

Key words： street-lamp; AVR Microcontroller; remote monitoring system; power-saving wireless communication; automatic control

0 引言

道路照明系統(tǒng)是小區(qū)、學(xué)校、公園等場(chǎng)所的重要組成部分，對(duì)其開關(guān)時(shí)刻進(jìn)行可靠、有效的控制，將有助于人們出行方便和安全，同時(shí)提高能源的有效利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能照明?，F(xiàn)有的路燈照明大多采用人工手動(dòng)開關(guān)、定時(shí)自動(dòng)開關(guān)或光感自動(dòng)開關(guān)的控制方式[1-4]。手動(dòng)控制方式存在電能浪費(fèi)大、路燈使用壽命短、無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，人工作業(yè)量大等問(wèn)題;定時(shí)自動(dòng)控制存在無(wú)法適應(yīng)季節(jié)變化，或者陰雨天氣對(duì)路燈開關(guān)時(shí)間的動(dòng)態(tài)需求等問(wèn)題;光感自動(dòng)控制存在抵抗外界光源、遮擋等干擾的能力差等問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)了一種路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由路燈智能控制終端和主機(jī)軟件兩大部分組成。其中，路燈智能控制終端的主控芯片采用了AVR單片微處理器，集成了遠(yuǎn)程手動(dòng)開關(guān)控制、定時(shí)開關(guān)控制和光感自動(dòng)開關(guān)控制等功能，采用定時(shí)-光感協(xié)調(diào)控制技術(shù)，彌補(bǔ)了單純的光感自動(dòng)控制抗干擾能力差的不足，同時(shí)提高了路燈控制的靈活性。主機(jī)軟件與控制終端之間的數(shù)據(jù)交換采用的是無(wú)線通信技術(shù)，避開了RS485總線通信方式布線難度大[5]、布線要求高，以及電力載波通信中干擾的繁雜性和不確定性等問(wèn)題[6]，縮短了系統(tǒng)的建設(shè)周期，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，具有更好的適用性。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)基本組成如圖1所示。主機(jī)軟件通過(guò)串口/無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換器將配置、控制、查詢等指令，以無(wú)線通信的方式發(fā)送給路燈控制終端，路燈控制終端在接收到指令信息后將做出相應(yīng)的響應(yīng)，在滿足開關(guān)條件或接收到主機(jī)軟件發(fā)送的實(shí)時(shí)開關(guān)指令時(shí)，智能控制終端將控制交流接觸器，做出相應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的自動(dòng)開關(guān)或遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)開關(guān)控制。

2 路燈控制終端的硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU及外圍電路

控制終端的主控制器采用ATMEL公司的AVR單片機(jī)，型號(hào)為Atmega8。Atmega8內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富的硬件接口電路，并且在軟件上能有效的支持C語(yǔ)言及匯編語(yǔ)言。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，Atmega8可獲得高達(dá)1MIPS/MHz的數(shù)據(jù)吞吐速率[7-9]。其主要特點(diǎn)如下。

⑴ 高性能、低功耗。采用先進(jìn)的RISC指令集結(jié)構(gòu);有130條功能強(qiáng)大的指令，大多數(shù)為單周期指令;內(nèi)有32個(gè)8位通用工作寄存器。

⑵ 大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器，編程方便。8K字節(jié)的Flash和512個(gè)字節(jié)的EEPROM;支持在線編程ISP和在應(yīng)用編程IAP。

⑶ 豐富強(qiáng)大的片內(nèi)外設(shè)。兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其中一個(gè)具有比較功能;另一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕獲功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;3通道PWM;多路通道10/8位A/D轉(zhuǎn)換;面向字節(jié)的兩線接口;可編程的串行USART;可工作于主機(jī)從模式的SPI接口;具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器;片內(nèi)模擬比較器。

⑷ 特殊的微控制器性能。上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè);片內(nèi)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的RC振蕩器;5種休眠模式（空閑、ADC噪聲抑制、省電、掉電和Standby模式）。

Atmega8單片機(jī)的上述技術(shù)特點(diǎn)，使其能很好地滿足路燈控制終端的設(shè)計(jì)要求。

2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

控制終端和主機(jī)軟件之間的無(wú)線通信采用SM43型低功率ISM（Industrial Scientific Medical）波段無(wú)線通信模塊。其主要特點(diǎn)如下：

⑴ 低發(fā)射功率。發(fā)射功率僅為150mW。

⑵ 符合ISM頻段通信標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)需申請(qǐng)頻點(diǎn)。載頻頻率在300-365MHz，400-480MHz，800-960，2400-

2500MHz范圍內(nèi)可選。

⑶ 多信道，多速率。提供多個(gè)通信信道，有1200、2400、4800、9600、19200Bit/s等11種通信速率可選。

⑷ 傳輸距離遠(yuǎn)。天線高度大于1.5米，增益為3dBi的情況下，傳輸距離可達(dá)1500m。

⑸ 高抗干擾能力和低誤碼率。GFSK調(diào)制方式，采用高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力，在信道誤碼率為10-3時(shí)，可得到10-5～10-6的實(shí)際誤碼率。

因此，該型無(wú)線通信模塊已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)遙控、無(wú)線數(shù)據(jù)采集和傳輸、政府路燈節(jié)能設(shè)備、智能家居、樓宇自動(dòng)化等方面，滿足路燈控制終端的設(shè)計(jì)要求。

2.3 光感模塊設(shè)計(jì)

光敏元件采用光敏電阻器。光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強(qiáng)弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達(dá)1-10M歐，在強(qiáng)光條件（100LX）下，阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻器對(duì)光的敏感性（即光譜特性）與人眼對(duì)可見光的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會(huì)引起它的阻值變化。

利用Atmega8提供的10位逐次比較的ADC實(shí)時(shí)采集光敏電阻的阻值變化，以此判斷環(huán)境亮度的變化情況。光控電路如圖2所示。

在圖2中，由于10K電阻和光敏電阻RG1串聯(lián)分壓，可得PC0端的電壓VPC0：

則轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為：

其中，VPC0表示選定的輸入引腳上的電壓，VAREF表示選定的參考電源的電壓（本設(shè)計(jì)選為VCC）。

2.4 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

采用固態(tài)繼電器來(lái)控制交流接觸器的開通與判斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的遠(yuǎn)程開關(guān)控制。繼電器型號(hào)為SSR-S203ZA[10]，該型繼電器需要大于5mA的驅(qū)動(dòng)電流。因此，為了提供充足的驅(qū)動(dòng)力，保證繼電器的可靠工作，采用三極管驅(qū)動(dòng)方式，如圖3所示。當(dāng)PB0引腳輸出高電平時(shí)，繼電器輸出端閉合，從而控制交流接觸器主觸點(diǎn)閉合為路燈送電;反之，則斷開路燈的工作電源。

2.5 時(shí)鐘芯片電路

定時(shí)芯片為DS1302，它是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分和秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，并具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。DS1302與單片機(jī)之間能簡(jiǎn)單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅需用到RST（復(fù)位）、I/O（數(shù)據(jù)線）和SCLK（串行時(shí)鐘）三個(gè)引腳[11-12]，分別連接到Atmega8的PD7、PD6和PD6引腳。DS1302的引腳和連接方法如圖4所示。X1和X2是振蕩源，必須外接32.768kHz晶振。VCC1為后備電源，VCC2為主電源，當(dāng)VCC2大于VCC1+0.2V時(shí)，VCC2給DS1302供電;當(dāng)VCC2小于VCC1時(shí)，DS1302由VCC1供電。因此，將VCC2連接系統(tǒng)的+5V供電電源，VCC1接3.3V鋰電池，這樣能夠保證芯片不間斷計(jì)時(shí)。

3 路燈控制終端的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序架構(gòu)

定時(shí)-光感協(xié)調(diào)控制模式下的主程序流程如圖5所示。

圖5中，開燈時(shí)間段1的值可設(shè)定為冬季的天黑時(shí)刻;開燈時(shí)間段2的值可設(shè)定為夏季的天黑時(shí)刻;關(guān)燈時(shí)間段1的值可設(shè)定為夏季的天黑時(shí)刻;關(guān)燈時(shí)間段2的值可設(shè)定為冬季的天黑時(shí)刻。下面舉例說(shuō)明這樣設(shè)置的好處（假設(shè)開燈時(shí)間1和2分別設(shè)為17：30和19：00，關(guān)燈時(shí)間1和2分別設(shè)為5：30和7：00）。

情況1：假設(shè)自17：00起，光敏探頭被長(zhǎng)時(shí)遮擋，此時(shí)雖然根據(jù)亮度值判斷已滿足開燈條件，但是由于時(shí)間未到開燈時(shí)間1，系統(tǒng)將不會(huì)做出開燈動(dòng)作，直到17：30。

情況2：假設(shè)自17：00起，光敏探頭被外界光源長(zhǎng)時(shí)照射，直到19：00，此時(shí)雖然根據(jù)亮度值判斷不滿足開燈條件，但是由于時(shí)間已到開燈時(shí)間2，系統(tǒng)將做出開燈動(dòng)作。

從上述案例的分析可知，定時(shí)-光感協(xié)調(diào)控制模式可以有效的防止外界強(qiáng)光源、遮擋等干擾條件下系統(tǒng)的誤動(dòng)作，保證系統(tǒng)的可靠工作。對(duì)于關(guān)燈控制的分析不再贅述。

3.2 MCU的端口及串口初始化

Atmega8有23個(gè)I/O引腳，分成3個(gè)8位的端口B、C和D，其中C口只有7位。I/O端口作為通用數(shù)字輸入/輸出口使用時(shí)，都具備真正的讀-修改-寫特性[7]。Atmega8采用方向寄存器DDRx、數(shù)據(jù)寄存器PORTx和輸入引腳寄存器PINx（x為B、C或D，分別代表B口、C口或D口）3個(gè)8位寄存器來(lái)控制I/O端口。DDRx的每一位用于控制一個(gè)I/O引腳的輸入輸出方向。當(dāng)DDRx.n=1時(shí)，I/O的Pxn引腳處于輸出模式。此時(shí)，如果PORTx.n=1，I/O引腳將呈高電平，可提供20mA的輸出電流;當(dāng)PORTx.n=0時(shí)，I/O引腳呈低電平，可吸收20mA的輸入電流。當(dāng)DDRx.n=0時(shí)，I/O的Pxn引腳處于輸入模式。此時(shí)引腳寄存器PINx.n中的數(shù)據(jù)就是外部引腳的實(shí)際電平。此時(shí)可以通過(guò)PORTx.n的設(shè)置來(lái)控制內(nèi)部的上拉電阻的使用與否。本文的Atmega8引腳初始化函數(shù)如下：

void port_init （void）

{ PORTB=0x00;

DDRB=0x01;

PORTC=0x00;

DDRC=0x00;

PORTD=0x00;

DDRD=0xE0;

}

Atmega8帶有一個(gè)全雙工通用同步/異步串行收發(fā)模塊USART，其可以分為三部分：時(shí)鐘發(fā)生器、數(shù)據(jù)發(fā)送器和接收器。USART涉及到寄存器有：

USART控制和狀態(tài)寄存器A：UCSRA

USART控制和狀態(tài)寄存器B：UCSRB

USART控制和狀態(tài)寄存器C：UCSRC

波特率寄存器：UBRRL和UBRRH

本文中，串口的配置參數(shù)為：波特率9600 bit/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。程序代碼如下：

void uart0_init（void）

{ UCSRB=0x00;

UCSRA=0x00;

UCSRC=BIT（URSEL） | 0x06;

UBRRL=0x2F;? //設(shè)置波特率為9600

UBRRH=0x00;

UCSRB=0x98;

}

3.3 無(wú)線通信程序設(shè)計(jì)

DS1302控制字節(jié)的最高有效位（位7）必須是邏輯1才能寫入數(shù)據(jù);位6為0，則表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù);位5至位1指示操作單元的地址;最低有效位（位0）如為0表示要進(jìn)行寫操作，若為1表示進(jìn)行讀操作[11]。讀寫流程如圖6所示。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件基于Visual C++ 6.0編程環(huán)境開發(fā)[13-15]。通過(guò)上位機(jī)軟件，監(jiān)控中心可以發(fā)送配置、查詢、控制等指令給路燈控制終端，并接收控制終端返回的數(shù)據(jù)信息;根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息，分析路燈的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)、配置情況等，并以良好的界面將接收到的重要參數(shù)顯示出來(lái)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于查詢和管理。上位機(jī)軟件界面如圖7所示。在軟件界面中，可以完成串口的參數(shù)配置，路燈控制模式（手動(dòng)、定時(shí)、光控和定時(shí)/光控混合控制四種模式）的選擇和相關(guān)參數(shù)的配置（開關(guān)時(shí)間、開燈亮度值、關(guān)燈亮度值等），路燈控制終端時(shí)鐘芯片的校時(shí)，路燈實(shí)時(shí)狀態(tài)的查詢等功能;同時(shí)提供了接收信息代碼的顯示功能，便于系統(tǒng)的調(diào)試。

下面以定時(shí)控制為例，簡(jiǎn)要介紹上位機(jī)軟件的操作方法：在路燈編號(hào)下拉框中選擇或填入正確的路燈控制器編號(hào)（以08為例），選中“定時(shí)”，如圖7，如果信息接收框中接收到信息，且BE位后的第1-4位依次為“08 83 01 01”（FE為前導(dǎo)碼，BE為起始碼，ED為結(jié)束碼，最后一個(gè)字節(jié)為和校驗(yàn)碼），則表示通訊成功，此時(shí)路燈控制器即被設(shè)置為定時(shí)控制狀態(tài);繼續(xù)在定時(shí)開關(guān)時(shí)刻編輯框中輸入相應(yīng)的時(shí)間值，并選擇相應(yīng)的星期值（0-6分別代表星期日-星期六，如果選擇9則表示每天都采用相同的時(shí)間配置）如圖8，點(diǎn)擊“設(shè)定”，如果信息接收框中接收到信息，且BE位后的第1-4位依次為“08 83 01 01”，則表示參數(shù)設(shè)置成功。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有路燈控制系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計(jì)了一種路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)?；贏VR單片機(jī)開發(fā)了控制終端，該終端集遠(yuǎn)程手動(dòng)開關(guān)控制、定時(shí)開關(guān)控制和光感自動(dòng)開關(guān)控制功能于一體，并采用定時(shí)-光感協(xié)調(diào)控制技術(shù)，彌補(bǔ)了單純的光感自動(dòng)控制抗干擾能力差的不足?；赩isual C++ 6.0編程環(huán)境開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控軟件。監(jiān)控軟件中可以完成路燈控制模式（手動(dòng)、定時(shí)、光控和定時(shí)/光控混合控制四種模式）的選擇和相關(guān)參數(shù)的配置（開關(guān)時(shí)間、開燈亮度值、關(guān)燈亮度值等），路燈控制終端時(shí)鐘芯片的校時(shí)，路燈實(shí)時(shí)狀態(tài)的查詢等功能;同時(shí)提供了接收信息代碼的顯示功能，便于系統(tǒng)的調(diào)試。

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