基于物聯(lián)網的廠區(qū)路燈模擬控制系統(tǒng)

　　廠區(qū)路燈控制系統(tǒng)設計的目的，一是能夠滿足正常使用的需要，在夜間車輛、行人通過廠區(qū)道路時提供必需的照度，確保安全； 二是節(jié)約電能，安裝、使用可靠方便，能夠延長用電設備及燈具的使用壽命，減少維護費用。

　　傳統(tǒng)的廠區(qū)照明路燈控制系統(tǒng)一般采用時間控制、光照控制等方式，存在路燈使用壽命短、管理開銷大、無法遠程監(jiān)控以及故障維修反應效率低等現(xiàn)象。本文基于物聯(lián)網技術，并結合微控制器技術，設計了一種無線路燈控制模塊，使每一盞路燈都能遙控、遙測和遙信，實現(xiàn)了網絡化的路燈智能控制。同時在設計系統(tǒng)時簡化了對城市照明路燈的多樣化、多色彩等復合功能要求，既能滿足廠區(qū)夜間照明安全和降低運行費用的要求，又考慮了節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)成本、現(xiàn)場易于安裝。

　　1.系統(tǒng)結構及工作原理

　　系統(tǒng)由集中控制器和單元控制器兩部分組成，其結構如圖1 所示。集中控制器安裝于廠區(qū)路燈控制室，包括無線通信模塊、MCU 模塊、時鐘模塊、聲光報警模塊、顯示模塊及鍵盤等部分。

　　單元控制器安裝在每個路燈的燈柱上，分為信號檢測模塊、MCU 模塊、遠程通信模塊和故障檢測模塊四個部分。

　　圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

　　集中控制器向單元控制器發(fā)送時鐘控制的開/關燈信號、自動/手動控制信號等信息，并能收到來自單元控制器的路燈開關狀態(tài)、消耗功率及故障診斷等信息。單元控制器作為控制終端接收集中控制器通過無線網絡發(fā)送的控制路燈開關時間段設定的指令，也可以采集廠區(qū)是否有人或車輛通過、環(huán)境光亮度以及路燈故障等信息，以此作出路燈打開/關閉、路燈點亮的程度以及路燈故障報警等指令，實現(xiàn)按需而控。

　　2.通信網絡及MCU 模塊的選擇

　　2.1. 通信網絡

　　無線網絡組網方便、布局容易并且維護簡單，已逐步應用于各種生產領域。可以采用自己組建無線專網的通信方式，也可以選擇利用已有無線網絡的通信方式。

　　對于廠區(qū)路燈控制而言，自己組網建設費用過高。移動無線網絡信號覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸可靠，利用其現(xiàn)有網絡基礎的閑置能力就可以滿足廠區(qū)路燈控制系統(tǒng)信息傳輸?shù)囊蟆?/p>

　　GSM 和GPRS 是無線通信的兩種方式。GSM 短信通信實時性差、信息量受限； GPRS 是基于GSM 系統(tǒng)的無線分組交換技術，具有傳輸速率高、實時性好及永遠在線的特點，而且GPRS 通信按流量計費，廠區(qū)路燈與城市路燈不同，照明燈具節(jié)點數(shù)量不多，結合經濟效益考慮以及物聯(lián)網的發(fā)展趨勢，選用GPRS通信方式。

　　2.2. MCU 模塊

　　微處理器（ Micro Controller Unit，MCU） 實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行運算、處理、存儲及通信等功能，是系統(tǒng)的大腦。選擇芯片時主要是從微處理器的基本性能參數(shù)、增強功能、存儲介質和適用環(huán)境等方面進行考慮。本次設計中選擇ATMEL 公司的ATmega64 作為集中控制器和單元控制器中的MCU 模塊。

　　ATmega64 是一款高性能低功耗的8 位微處理器，數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS /MHz，具有64 KB 的Flash、2 KB 的E2PROM，擦寫次數(shù)可達10 萬次，可用來存儲路燈的各種設定參數(shù)和狀態(tài)信息，直接驅動液晶顯示模塊，并帶有多路輸入輸出口，方便與鍵盤、報警器等輸入輸出裝置連接，且編程簡單。

　　3.電路設計

　　3.1. 信號采集電路

　　單元控制器需要對廠區(qū)路燈環(huán)境實時檢測以做出控制決策。選用光敏電阻實現(xiàn)廠區(qū)光線明暗變化檢測，接口電路設計如圖2 所示。光敏電阻與普通電阻串聯(lián)分壓后電壓信號傳送至單片機進行A/D 轉換。隨著光線明暗的變化，光敏電阻的阻值也在變化，從而改變PF0 腳的電壓，該電壓經過單片機片內A/D 轉換器轉換成數(shù)字信號并被分析處理，從而實現(xiàn)對路燈照明照度的控制。

　　電路設計如圖3 所示，BISS0001 的1 腳信號接高電平，使芯片處于可重復觸發(fā)工作方式。將熱釋電傳感器的輸出信號送入BISS0001 的14 腳，經內部第一級運算放大器放大，然后由C24耦合給內部第二級運算放大器進行放大，再經由內部的電壓比較器構成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號去啟動內部延遲時間定時器，最后由芯片的2 腳輸出信號V0直接傳輸至單片機的PD7 腳進行處理，并執(zhí)行相應的動作。4 腳的輸出延遲時間Tx由外部的R35和C28的大小調整，6 腳的觸發(fā)封鎖時間Ti由外部的R34和C29的大小調整。

　　單元控制器通過光敏電阻自動控制路燈的開關狀態(tài)及燈光的強弱，并與熱釋電傳感器配合，將光照度調節(jié)到合適值，使系統(tǒng)運行達到節(jié)能、安全的效果。

　　2.2. 通信電路設計

　　系統(tǒng)中集中控制器向單元控制器發(fā)送開/關燈、控制方式等信號； 單元控制器向集中控制器發(fā)送故障路燈位置等信息，雙方通信通過GPRS無線網絡實現(xiàn)。GPRS 模塊采用Simcom 公司的SIM300D 無線通信模塊，該模塊外形小巧，內部集成了TCP /IP 協(xié)議，具有射頻天線、本地SIM卡連接及RS232 串口等接口，可采用內部擴展的AT 指令進行操作，功能強大且開發(fā)簡單。

　　SIM300D 模塊與單片機接口電路如圖4 所示，74LS573 邏輯芯片主要用于電壓變換。ATmega64輸出的是標準TTL 電平，而SIM300D 模塊兼容的高電平范圍為2. 05 ~ 3. 23 V，若要實現(xiàn)兩種芯片之間的數(shù)據(jù)交換，需要經過電壓變換。

　　SIM300D 模塊需要借助SIM 卡才能連接到網絡進行數(shù)據(jù)傳輸，SIM300D 模塊通過SPI 通信方式對SIM 卡進行讀寫操作，通過GSM 或GPRS 通信方式實現(xiàn)與移動網絡的無縫連接。SIM 卡也稱為智能卡、用戶身份識別卡，通過此卡鑒別每一路燈的地址、代號和實際地理位置等信息。SIM卡與SIM300D 無線通信模塊接口電路設計如圖5所示。

　　圖5 SIM 卡與SIM300D 無線通信模塊連接圖

　　3.3. 故障檢測電路設計

　　單元控制器設有電流檢測功能，通過電流檢測可以判斷路燈是否故障。如果路燈故障，通過路燈的電流會極小甚至為零，不足以驅動LED 發(fā)光，則故障檢測點的電壓會低于給定的基準電壓，通過電壓比較電路給單片機送入一個報警信號。

　　故障檢測模塊與單片機接口電路設計如圖6所示，基準電壓可通過調節(jié)滑動變阻器R2的阻值來改變。當路燈正常工作時，故障檢測點電壓大于基準電壓，則運放LM358 輸出+ 12 V 的正向飽和電壓，該電壓經限流電阻和穩(wěn)壓管構成回路，這時穩(wěn)壓管給單片機送入一高電平電壓。當路燈出現(xiàn)故障時，檢測點電壓低于基準電壓，運放電路輸出為零，為單片機送入一低電平電壓，實現(xiàn)故障報警功能。

　　圖6 故障檢測模塊與單片機接口電路

　　3.4. 高亮LED 驅動模塊

　　單元控制器的高亮LED 驅動模塊采用自制恒流驅動電源，利用運算放大器組成電壓跟隨器、電流負反饋電路，結合單片機組合成恒流源，方法簡潔，容易實現(xiàn)，電路設計如圖7 所示。

　　圖7 恒流驅動電源電路圖

　　圖7 中電源的輸出電流與UPB5 成正比，當UPB5 保持恒定時，可保證該電源的輸出電流恒定。同時，UPB5 可以通過單片機的PWM 輸出進行調節(jié)，從而實現(xiàn)輸出電流的可控，調節(jié)LED亮度。