发布时间：2018/12/1 16:46:24 来源：本站
1.1 终端管控节点组成
智能路灯管控系统是一个典型的物联网应用系统,从结构层次上看包括感知层、传输层与表现层。构造示意图如图1所示,这里,路灯端的终端管控节点作为感知层。
图1 终端控制节点结构
Fig.1 The structure of terminal control node
终端管控节点既能接收远程控制中心的指令,解析这些指令控制路灯的运行,又要监测路灯工作状态,周期性通过传输层向远程控制中心发送采集到的路灯运行参数,及时发现故障路灯并能够自动识别故障灯地址以实现报警。终端管控节点包括ZigBee终端节点单片机、LED路灯控制器模块、LED路灯监测模块3个部分。
1.2 各部件功能
1) 无线通信ZigBee终端:作为ZigBee网络的终端组成,直接与实现最终路灯管控的单片机进行通信,同时由于ZigBee网络的终端节点所采用的是TI公司的CC2530本身就是一款功能不错的单片机,所以本设计方案中直接采用这个终端同时作为管控单片机。
2) 终端管控单片机:接收管控传感器的信号,包括光照传感器、温度传感器、电压电流检测。终端管控单片机一方面向远程控制中心上传本路灯地址数据和这些监测数据,一方面也可判断本路灯是否故障,如判断故障,启动电源关闭等动作。
3) LED驱动模块:对现场LED路灯进行开关、调功控制。
4) PWM:通过PWM控制电流变化从而控制LED灯的亮暗变化。
2.1 CC2530核心板电路模块
主控芯片选用TI公司的ZigBee芯片CC2530,完成无线网络的通信功能,芯片中的8051内核作为控制系统的微控制器。CC2530只要外接少量的电阻、电容、电感等元器件,就可以进行工作。核心板的电路图如图2所示。
其中P1_0和P1_1分别作为控制路灯亮度的2个IO口,P1_2和P1_3作为连接光照传感器的2个IO口,用来实现读取当前光强、设置传感器模式等功能。
图2 CC2530核心板电路
Fig.2 The CC2530 core board circuit
2.2 ZigBee终端点控制与传输功能的介绍
无线网络采用Zigbee技术,使路灯工作现场与系统监控中心可靠通信。这种技术主要应用在数据传输速率不高且短距离传输的各种电子设备之间,非常适合工业控制、环境监测等场合,具有低功耗、低成本和低复杂度等特点。本系统Zigbee模块采用CC2530片上系统作为控制电路的核心,具有256KBFLASH,在接收和发射模式下,电流损耗分别低于25 mA和34 mA。模块电源由外部稳压电源提供5 V电压,以确保各节点长时间稳定工作。
根据路灯系统特点,网络采用树形连接,以便灵活扩展节点和自组网络。与PC机串口RS232连接的Zigbee模块为网络协调器,起着组织、管理网络和发号施令的作用;当网络有节点加入时,它分配地址给新节点,因此不能掉电也没有低功耗状态。
与路灯单元串口连接的Zigbee模块为路由器,起着中继器的作用,可以收发数据也可以转发数据,承担着与上位机和相邻节点通信的任务。
2.2.1 功率调控的设计
智能路灯的主要目的是节能,根据采集的光照与电流电压信号进行路灯的开关和功率控制。路灯控制分为2种方式:智能控制和应用电脑终端或手机、平板进行手动控制,其中智能控制是按照季节的不同设计路灯不同的工作策略,包括开关灯的时间,调功时间等,系统自动按照相应的工作策略完成功能。
路灯的开关可以通过向单个路灯控制节点中的单片机(这里直接采用CC2530)传输开关命令,后者控制继电器进行开关;而路灯点亮后的功率调节(可改变路灯亮暗程度)可选择的方案通常包括PWM调功或D/A转换调功,这里采用前者,PWM频率一般经验取值500～1 000 Hz,占空比一般在20%～100%调节。
2.2.2 监测数据的获取与传输
检测每盏路灯的工作状态,准确定位故障路灯并及时报警是提高效率、节约成本的重要功能。智力采用一种简单实现方案,在确定路灯处于开灯状态,检测路灯照射区的光照强度,并同背光区检测的光照强度作比较,如果相同,表示路灯该工作而没有工作,即判断为故障灯,传输该路灯ZigBee终端节点的地址(如固定的IP地址或MAC地址或预定义的逻辑编号)到控制中心,控制中心进行该地址地逻辑地址(如某某路某某号路灯)的转换。
路灯上的光照传感器采集光照数据,该数据为模拟量,需经过A/D转换成数字量。CC2530集成有A/D转换电路,但由于CC2530供电电压为是3.3 V,所以采集到的光照信号最好处理为大于0 V,小于3.3 V的电压,以利于单片机的A/D转换。
与路灯相连的是终端节点,采集的数据由终端节点向上通过路由器、协调器、远程网络传输(如GPRS或WIFI)模块向控制中心传送。
图3 BH1750FVI系统结构
Fig.3 The structure of BH1750FVI system
光照传感器是一种将环境光照度,转化为数字量的传感器,常用的光照度为勒克斯(Lx)。BH1750FVI是基于I2C总线的光照度集成电路,其具有感光的范围与人眼相近,功耗少,测量的角度大,外围电路简单等特点。其内部工作原理是,流过光感二极管的电流随着光照度增大而增大,芯片中的ADC将电压值采样,转化为数字量,通过总线发送出去,系统结构如图3所示。
BH1750FVI只需少量的外部单元,即可使用,在本设计中P1_2连接SCL,P1_3连接SCA,电路如图4所示。
图4 BH1750FVI电路
Fig.4 The BH1750FVI circuit
4.1 LED驱动需实现的功能
LED路灯可采用低压直流供电、通过外壳散热,可充分保证50 000 h的使用寿命。按照每天工作12 h计算,其寿命也在10年以上,维护费用极低;而且与传统的钠灯相比,可节电60%以上。
图5 HV99911引脚
Fig.5 The HV99911 pin
LED路灯的发光主体实质上是众多相同发光二极管构成的灯珠,先串联形成灯带,再由这些串联灯带并联形成灯珠矩阵。以一个次干道120 W LED路灯为例,假定120颗灯珠,以10串12并组成,则每颗灯珠瓦数为1 W,每串灯带功率10 W,以100 V直流电压为并联灯带供电,则每条灯带需要电流为0.1 A。终端管控节点要实现对LED路灯控制,需要满足如下要求:为保证各个灯珠发光效果相同,串联的灯带采用恒流源供电;支持对LED路灯的开关控制;支持PWM调功控制,PWM的频率要与路灯灯珠响应速度相互适应。所以为满足这些要求,一个完整的LED驱动电路是必须的。
4.2 LED驱动电路的设计
HV9911是电流模式LED驱动芯片,以—恒定的工作频率或以—恒定的脉宽关断时间来实现PWM模式转换器控制(降压,升压或升降压),可高精度输出电流。HV9911可控制MOSFET 提供一个0.25 A～0.5 A 栅极驱动以适合—些大功率的应用,可内置9～250 V线性稳压器提供芯片工作电压,也可外接电源实现相同功能。
参照图5与表1,PWM调光可通过施加一个TTL方波源到PWMD引脚来实现。当PWMD信号是高电位时,GATE脚和FAULT脚作为输出,使能,同时,芯片内部放大器的输出被连接到外部的补偿网络,因此内部放大器控制着输出电流。当PWMD信号变低时,断开了内部放大器的输出与外部补偿网络的连接,GATE失效,转换器停止开关,FAULT脚电位变低,断开开关。转换器要接输出电容以决定着换器PWM调光的响应,该电容在PWMD降压电路中,由于电感电流连续性的抵消,对转换器的PWM调光效应影响最小化;但是在升压时则需一个非常大的电容以降低LED电流上纹波,所以,该电容对PWM调光有重要的作用。
表1 HV99911实现PWM控制引脚说明
Tab.1 HV99911 impcements PWM control poins
PWMD信号由单片机的Timer控件可以很容易地编程产生。基于上面表述,本方案所设计的LED驱动电路如图6所示。
图6 LED驱动电路
Fig.6 The drive circuit of LED
4.3 实现特点
1) 电压调整率非常好,可与线性稳压电源相媲美。这是因为输入电压变化可以立即反映为电感电流的变化,它不经过任何误差放大器就能在脉冲比较器中改变输出脉冲宽度,实质上起到了前馈控制作用,即输入电压变化尚未导致输出电压变化时,就由电流内环产生调节作用。
2) 回路稳定性好,负载响应快。因为电感中电流脉冲的幅值与输出电流的平均值成正比。
3) 固有的逐个脉冲幅值检测及限流,简化了过载保护和短路,大大提高了工作可靠性。由于内环采用了直接的电感电流峰值检测技术,可以及时、灵敏和准确地检测输出或变压器或开关管中的瞬态电流值,形成逐个脉冲检测电路,从而在电路导致过载或短路时保护开关管和变压器,所以电感的延迟作用没有了。
本节点电源电路的设计采用电池供电,采用ASM1117电压转换芯片,提供需要的电压。控制节点的电源电路,如图7所示。原理图中AMS117有固定和可调两个版本,输出电压可以是1.2 V～5.0 V之间。CC2530芯片和单片机工作电压均为3.3 V,继电器驱动电压为5 V,设计相应驱动电路。使用电池组供电,就可以控制CC2530底板进行组网的测试,而且电池组供电可以满足芯片工作需要。
图7 控制节点的电源电路
Fig.7 Control the power circuit of the node
通过使用无线通信模块的数据传输功能,利用Zigbee技术可以为路灯工作现场与系统监控中心提供可靠信息交换;利用单片机ATMEGA16监控温度传感器、电压电流检测等元器件,并将相关信号上传至中心控制节点,从而实现在中央控制中心实时观测各个节点功率,各个节点的温度变化;利用传感器对相关信息的收集功能及生成的模拟信号,通过DA实现对路灯的有效控制。
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