發(fā)布時間:2018/12/1 16:46:24 來源:本站
1.1 終端管控節(jié)點組成
智能路燈管控系統(tǒng)是一個典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng),從結(jié)構(gòu)層次上看包括感知層、傳輸層與表現(xiàn)層。構(gòu)造示意圖如圖1所示,這里,路燈端的終端管控節(jié)點作為感知層。
圖1 終端控制節(jié)點結(jié)構(gòu)
Fig.1 The structure of terminal control node
終端管控節(jié)點既能接收遠程控制中心的指令,解析這些指令控制路燈的運行,又要監(jiān)測路燈工作狀態(tài),周期性通過傳輸層向遠程控制中心發(fā)送采集到的路燈運行參數(shù),及時發(fā)現(xiàn)故障路燈并能夠自動識別故障燈地址以實現(xiàn)報警。終端管控節(jié)點包括ZigBee終端節(jié)點單片機、LED路燈控制器模塊、LED路燈監(jiān)測模塊3個部分。
1.2 各部件功能
1) 無線通信ZigBee終端:作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端組成,直接與實現(xiàn)最終路燈管控的單片機進行通信,同時由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點所采用的是TI公司的CC2530本身就是一款功能不錯的單片機,所以本設(shè)計方案中直接采用這個終端同時作為管控單片機。
2) 終端管控單片機:接收管控傳感器的信號,包括光照傳感器、溫度傳感器、電壓電流檢測。終端管控單片機一方面向遠程控制中心上傳本路燈地址數(shù)據(jù)和這些監(jiān)測數(shù)據(jù),一方面也可判斷本路燈是否故障,如判斷故障,啟動電源關(guān)閉等動作。
3) LED驅(qū)動模塊:對現(xiàn)場LED路燈進行開關(guān)、調(diào)功控制。
4) PWM:通過PWM控制電流變化從而控制LED燈的亮暗變化。
2.1 CC2530核心板電路模塊
主控芯片選用TI公司的ZigBee芯片CC2530,完成無線網(wǎng)絡(luò)的通信功能,芯片中的8051內(nèi)核作為控制系統(tǒng)的微控制器。CC2530只要外接少量的電阻、電容、電感等元器件,就可以進行工作。核心板的電路圖如圖2所示。
其中P1_0和P1_1分別作為控制路燈亮度的2個IO口,P1_2和P1_3作為連接光照傳感器的2個IO口,用來實現(xiàn)讀取當前光強、設(shè)置傳感器模式等功能。
圖2 CC2530核心板電路
Fig.2 The CC2530 core board circuit
2.2 ZigBee終端點控制與傳輸功能的介紹
無線網(wǎng)絡(luò)采用Zigbee技術(shù),使路燈工作現(xiàn)場與系統(tǒng)監(jiān)控中心可靠通信。這種技術(shù)主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸速率不高且短距離傳輸?shù)母鞣N電子設(shè)備之間,非常適合工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等場合,具有低功耗、低成本和低復(fù)雜度等特點。本系統(tǒng)Zigbee模塊采用CC2530片上系統(tǒng)作為控制電路的核心,具有256KBFLASH,在接收和發(fā)射模式下,電流損耗分別低于25 mA和34 mA。模塊電源由外部穩(wěn)壓電源提供5 V電壓,以確保各節(jié)點長時間穩(wěn)定工作。
根據(jù)路燈系統(tǒng)特點,網(wǎng)絡(luò)采用樹形連接,以便靈活擴展節(jié)點和自組網(wǎng)絡(luò)。與PC機串口RS232連接的Zigbee模塊為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,起著組織、管理網(wǎng)絡(luò)和發(fā)號施令的作用;當網(wǎng)絡(luò)有節(jié)點加入時,它分配地址給新節(jié)點,因此不能掉電也沒有低功耗狀態(tài)。
與路燈單元串口連接的Zigbee模塊為路由器,起著中繼器的作用,可以收發(fā)數(shù)據(jù)也可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),承擔著與上位機和相鄰節(jié)點通信的任務(wù)。
2.2.1 功率調(diào)控的設(shè)計
智能路燈的主要目的是節(jié)能,根據(jù)采集的光照與電流電壓信號進行路燈的開關(guān)和功率控制。路燈控制分為2種方式:智能控制和應(yīng)用電腦終端或手機、平板進行手動控制,其中智能控制是按照季節(jié)的不同設(shè)計路燈不同的工作策略,包括開關(guān)燈的時間,調(diào)功時間等,系統(tǒng)自動按照相應(yīng)的工作策略完成功能。
路燈的開關(guān)可以通過向單個路燈控制節(jié)點中的單片機(這里直接采用CC2530)傳輸開關(guān)命令,后者控制繼電器進行開關(guān);而路燈點亮后的功率調(diào)節(jié)(可改變路燈亮暗程度)可選擇的方案通常包括PWM調(diào)功或D/A轉(zhuǎn)換調(diào)功,這里采用前者,PWM頻率一般經(jīng)驗取值500~1 000 Hz,占空比一般在20%~100%調(diào)節(jié)。
2.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取與傳輸
檢測每盞路燈的工作狀態(tài),準確定位故障路燈并及時報警是提高效率、節(jié)約成本的重要功能。智力采用一種簡單實現(xiàn)方案,在確定路燈處于開燈狀態(tài),檢測路燈照射區(qū)的光照強度,并同背光區(qū)檢測的光照強度作比較,如果相同,表示路燈該工作而沒有工作,即判斷為故障燈,傳輸該路燈ZigBee終端節(jié)點的地址(如固定的IP地址或MAC地址或預(yù)定義的邏輯編號)到控制中心,控制中心進行該地址地邏輯地址(如某某路某某號路燈)的轉(zhuǎn)換。
路燈上的光照傳感器采集光照數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)為模擬量,需經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。CC2530集成有A/D轉(zhuǎn)換電路,但由于CC2530供電電壓為是3.3 V,所以采集到的光照信號最好處理為大于0 V,小于3.3 V的電壓,以利于單片機的A/D轉(zhuǎn)換。
與路燈相連的是終端節(jié)點,采集的數(shù)據(jù)由終端節(jié)點向上通過路由器、協(xié)調(diào)器、遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸(如GPRS或WIFI)模塊向控制中心傳送。
圖3 BH1750FVI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Fig.3 The structure of BH1750FVI system
光照傳感器是一種將環(huán)境光照度,轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的傳感器,常用的光照度為勒克斯(Lx)。BH1750FVI是基于I2C總線的光照度集成電路,其具有感光的范圍與人眼相近,功耗少,測量的角度大,外圍電路簡單等特點。其內(nèi)部工作原理是,流過光感二極管的電流隨著光照度增大而增大,芯片中的ADC將電壓值采樣,轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,通過總線發(fā)送出去,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
BH1750FVI只需少量的外部單元,即可使用,在本設(shè)計中P1_2連接SCL,P1_3連接SCA,電路如圖4所示。
圖4 BH1750FVI電路
Fig.4 The BH1750FVI circuit
4.1 LED驅(qū)動需實現(xiàn)的功能
LED路燈可采用低壓直流供電、通過外殼散熱,可充分保證50 000 h的使用壽命。按照每天工作12 h計算,其壽命也在10年以上,維護費用極低;而且與傳統(tǒng)的鈉燈相比,可節(jié)電60%以上。
圖5 HV99911引腳
Fig.5 The HV99911 pin
LED路燈的發(fā)光主體實質(zhì)上是眾多相同發(fā)光二極管構(gòu)成的燈珠,先串聯(lián)形成燈帶,再由這些串聯(lián)燈帶并聯(lián)形成燈珠矩陣。以一個次干道120 W LED路燈為例,假定120顆燈珠,以10串12并組成,則每顆燈珠瓦數(shù)為1 W,每串燈帶功率10 W,以100 V直流電壓為并聯(lián)燈帶供電,則每條燈帶需要電流為0.1 A。終端管控節(jié)點要實現(xiàn)對LED路燈控制,需要滿足如下要求:為保證各個燈珠發(fā)光效果相同,串聯(lián)的燈帶采用恒流源供電;支持對LED路燈的開關(guān)控制;支持PWM調(diào)功控制,PWM的頻率要與路燈燈珠響應(yīng)速度相互適應(yīng)。所以為滿足這些要求,一個完整的LED驅(qū)動電路是必須的。
4.2 LED驅(qū)動電路的設(shè)計
HV9911是電流模式LED驅(qū)動芯片,以—恒定的工作頻率或以—恒定的脈寬關(guān)斷時間來實現(xiàn)PWM模式轉(zhuǎn)換器控制(降壓,升壓或升降壓),可高精度輸出電流。HV9911可控制MOSFET 提供一個0.25 A~0.5 A 柵極驅(qū)動以適合—些大功率的應(yīng)用,可內(nèi)置9~250 V線性穩(wěn)壓器提供芯片工作電壓,也可外接電源實現(xiàn)相同功能。
參照圖5與表1,PWM調(diào)光可通過施加一個TTL方波源到PWMD引腳來實現(xiàn)。當PWMD信號是高電位時,GATE腳和FAULT腳作為輸出,使能,同時,芯片內(nèi)部放大器的輸出被連接到外部的補償網(wǎng)絡(luò),因此內(nèi)部放大器控制著輸出電流。當PWMD信號變低時,斷開了內(nèi)部放大器的輸出與外部補償網(wǎng)絡(luò)的連接,GATE失效,轉(zhuǎn)換器停止開關(guān),FAULT腳電位變低,斷開開關(guān)。轉(zhuǎn)換器要接輸出電容以決定著換器PWM調(diào)光的響應(yīng),該電容在PWMD降壓電路中,由于電感電流連續(xù)性的抵消,對轉(zhuǎn)換器的PWM調(diào)光效應(yīng)影響最小化;但是在升壓時則需一個非常大的電容以降低LED電流上紋波,所以,該電容對PWM調(diào)光有重要的作用。
表1 HV99911實現(xiàn)PWM控制引腳說明
Tab.1 HV99911 impcements PWM control poins
PWMD信號由單片機的Timer控件可以很容易地編程產(chǎn)生。基于上面表述,本方案所設(shè)計的LED驅(qū)動電路如圖6所示。
圖6 LED驅(qū)動電路
Fig.6 The drive circuit of LED
4.3 實現(xiàn)特點
1) 電壓調(diào)整率非常好,可與線性穩(wěn)壓電源相媲美。這是因為輸入電壓變化可以立即反映為電感電流的變化,它不經(jīng)過任何誤差放大器就能在脈沖比較器中改變輸出脈沖寬度,實質(zhì)上起到了前饋控制作用,即輸入電壓變化尚未導(dǎo)致輸出電壓變化時,就由電流內(nèi)環(huán)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。
2) 回路穩(wěn)定性好,負載響應(yīng)快。因為電感中電流脈沖的幅值與輸出電流的平均值成正比。
3) 固有的逐個脈沖幅值檢測及限流,簡化了過載保護和短路,大大提高了工作可靠性。由于內(nèi)環(huán)采用了直接的電感電流峰值檢測技術(shù),可以及時、靈敏和準確地檢測輸出或變壓器或開關(guān)管中的瞬態(tài)電流值,形成逐個脈沖檢測電路,從而在電路導(dǎo)致過載或短路時保護開關(guān)管和變壓器,所以電感的延遲作用沒有了。
本節(jié)點電源電路的設(shè)計采用電池供電,采用ASM1117電壓轉(zhuǎn)換芯片,提供需要的電壓?刂乒(jié)點的電源電路,如圖7所示。原理圖中AMS117有固定和可調(diào)兩個版本,輸出電壓可以是1.2 V~5.0 V之間。CC2530芯片和單片機工作電壓均為3.3 V,繼電器驅(qū)動電壓為5 V,設(shè)計相應(yīng)驅(qū)動電路。使用電池組供電,就可以控制CC2530底板進行組網(wǎng)的測試,而且電池組供電可以滿足芯片工作需要。
圖7 控制節(jié)點的電源電路
Fig.7 Control the power circuit of the node
通過使用無線通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸功能,利用Zigbee技術(shù)可以為路燈工作現(xiàn)場與系統(tǒng)監(jiān)控中心提供可靠信息交換;利用單片機ATMEGA16監(jiān)控溫度傳感器、電壓電流檢測等元器件,并將相關(guān)信號上傳至中心控制節(jié)點,從而實現(xiàn)在中央控制中心實時觀測各個節(jié)點功率,各個節(jié)點的溫度變化;利用傳感器對相關(guān)信息的收集功能及生成的模擬信號,通過DA實現(xiàn)對路燈的有效控制。
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