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基于LED冷光源的智能路灯控制系统设计
时间：2010-12-10 16:52:35 来源：现代电子技术 作者：吕运朋，籍晓晔，李宏超，张为民 郑州大学
摘要：LED冷光源作为一种节能、环保的新型绿色光源，是未来城市道路照明的发展方向。设计一种基于LED冷光源道路照明的智能路灯控制系统，不仅可以实现路灯的智能化设计，而且更可以提高能源的利用率。
关键词：LED；路灯；节能；控制系统

0 引言
    当前巨大的能源消耗和由此引起的能源短缺、价格上涨等已使得节约能源成为一项十分迫切的任务。国家“十一五计划”提出“要把节约资源作为基本国策”，首次提出十一五期间单位国内生产总值能源消耗降低20％左右的目标。原建设部在《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》中明确提出，2006～2010年累计节电要达到25％。
    LED冷光源作为一种新型的绿色光源，具有节能、环保、寿命长等特点，是未来照明的发展趋势。2009年初，中国科技部推出“十城万盏”半导体照明应用示范城市方案，该计划涵盖北京、上海、深圳、武汉等21个国内发达城市。这一计划的实施将有效引导我国半导体照明应用的健康快速发展。
    本课题正是基于LED冷光源道路照明而设计的智能路灯节能控制系统，从而有效解决现有的道路照明管理系统普遍存在着难以反馈路灯状态信息、没有适时开关灯、基本没有节电效果等问题。

1 LED技术概述
    LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED光源具有高节能、利环保、寿命长、体积小、多变幻适用性强、稳定性高、响应时间短等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。虽然价格较现有照明器材昂贵，仍被认为它是其理想的替代品。
    在节能方面，LED具有直流驱动，超低功耗(单管<0．1 w)等特点，相比传统光源，LED光源接近点光源，单相发光，好配光，光效利用率高。就平均照度来讲，一盏50 W的LED灯亮度可与100 W的高压钠灯相当，如果就点照度来讲，那要更高。相同照明效果比传统光源节能50％以上(以实际应用产品为例)。LED光源为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积等缺点。当光通量衰减到70％时，其寿命达到了50 000 h，高压钠灯的寿命是10 000～20 000 h。而它的环保效益更佳，发光颜色纯正，不含有紫外和红外的辐射，而且不含汞元素，没有污染，废弃物可方便回收。冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

2 路灯节能控制系统总体结构
    考虑到造价、监测范围、控制点设置、扩容方便等要求，在本次设计中采用无线通信与电力载波通信相结合的方案。
    具体的方案如下：整个监控系统由监控终端、集中控制器、路灯控制器和路灯组成。本系统的上位机即监控终端放在城市路灯管理部门，以单个配电变压器为范围安装集中控制器，在每盏路灯上安装路灯控制器方便实现单灯控制。在主控制室与集中控制器之间采用GPRS通信，GPRS通信方式容易实现高速数据传输、长时间在线，并且可获得按流量收费的低资费方式，硬件投资少，对地域要求相对也较低。在集中控制器与路灯控制器之间则采用电力线载波通信技术，采用电力载波技术的最大的好处就是不需要再铺设通信电缆就可容易地实现对每盏灯的检测，减少了通道建设的费用。整个系统的结构图如图1所示。

3 通信的实现
    整个系统采用分级通信机制，一级为监控终端和集中控制器的通信，另一级为集中控制器和路灯控制器的通信。
    监控终端与集中控制器之间的通信采用GPRS。集中控制器监控和管理所在辖区所有的路灯，其和路灯控制器之间采用电力线载波通信。集中控制器可以独立工作，根据提前设定的方案开关灯、循环地收集所辖范围各路灯控制器的相关信息，每当完成所有路灯的一次信息收集时，集中控制器将刚收集到的各路灯控制器监测路灯的信息迅速反馈给监控终端，当集中控制器收到监控终端的命令时，将监控终端下达的命令解析并通过电力线载波通信发送给路灯控制器让其执行相关的动作。路灯控制器一直处于等待模式，其循环地收集该灯柱所有灯的电流及状态信息，一旦接收到有与本机地址相符的命令就执行相应的动作并反馈执行结果给集中控制器。通过这两级通信，整个监控系统的巡检周期可以大大缩短。
3．1 路灯控制器与集中控制器通信实现
    为了便于系统的软硬件模块设计、调试，以及后续的系统调试、故障分析和系统升级等，本次设计采用了双CPU结构，两个CUP分别是PL3105(负责载波收发的相关控制)和宏晶的STCl2C5404AD(其他控制)。STCl2C5404AD单片机是一款高速、宽电压、低功耗的增强型8051内核单片机。由于设计中要求的实时性不高，这里直接采用串口通信，PL3105的RXD，TXD直接与STCl2C5404AD的RXD，TXD连接，通过编写单片机启动程序，对其初始化设置根据通信协议完成集中控制器发布的各项动作。电压、电流采集电路分别通过HCT218及HPT304精密微型电压互感器感应交流的电压、电流，再通过I-V互换得出相应电压值。该路灯控制器是单灯操作，以同一变压器工作下的路灯为一局域，多个电力线载波模块连接在同一相线上，在主从通信模式下，模块分别单独工作。其硬件框图如图2所示。

3．1．1 电力线载波模块
    电力线载波通信(Power Line Communication，PLC)是利用电力线载波实现信息传递的通信方式的统称。它具有诸多优点：如应用范围广、实现成本低、永久在线等。
    电力线载波模块使用的PL3105芯片是专为自动抄表、智能信息家电以及远程监控系统而开发的单片系统芯片(SoC)。采用8051指令兼容的高速微处理器，软件易于开发；内嵌的载波通信控制单元使其具备了在低压电力线上组网远程通信的强大功能；CPU通过配置寄存器来实现对载波通信的控制，接口方便；扩频通信单元具有较强的抗带内同频干扰、灵敏度高的优点。
3．1．2 路由算法的实现
    路由器是网络层的互联部件，可提供比网桥更丰富、灵活的网络互连功能，是目前使用最多的网络互连部件之一。路由算法是用软件方法实现路由的功能。
    由于一般的电力载波芯片的可靠通信距离在500 m左右，在实际应用中远远超过最大通信距离，所以在本次设计的路灯控制器中增加了路由协议层，并以其性能优越的物理层设计及完善的网络通信协议，保证了可靠的网络通信性能。在同一辖区电力线上的设备只要整合入了此芯片及相关通信模块就可成为能利用电力线来进行控制的智能控制产品。
    路由动作包括两项基本内容：寻径和转发。寻径即判定到达目的地的最佳路径，路径信息根据使用的路由算法不同而不同。路由算法根据许多信息来填充路由表，并通过交换路由信息维护、更新其路由表，路由更新信息通常包含全部或部分路由表，通过分析来自其他路由器的新信息，该路由器就可以建立起新的网络拓扑图。在一些环境复杂且大规模的项目中，采用动态路由算法，通过分析收到的路由更新信息来适应网络环境的改变。如果信息表示网络发生了变化，路由软件就重新计算路由并发出新的路由更新信息。这些信息渗入网络，促使路由器重新计算并对路由表做相应的改变，并且在适当的地方以静态路由作为补充，以使系统整体稳定运行。鉴于有些项目规模较小，载波网络的硬件十分固定，而且相对来说传输的数据也比较少，所以也可以只使用静态路由表算法，这使得算法更容易设计，工作效果也很好。转发即沿寻径好的最佳路径传送信息分组。
    路由动作的操作过程主要包括下面几点：
    (1)接收、分解数据包。当路由器接收到数据包之后，首先验证其合法性，然后把报头、报文和校验字节分离开来。再根据报头的不同，选择操作。
    (2)对数据包进行处理。当接收到有效的报文时，路由器必须决定该数据是本地提交还是向前转发，当IP广播或多播时，也可能是一种混合的情况。对这些情况的判断，主要根据下面三个规则进行处理：
    ①当IP目的地址中有一个源路由选项时，根据路由表的相应表项将其发送到下一个站点，而不进行本地提交。
    ②当IP目的地址中的某一个地址与路由器的某个端口地址相符时，将进行本地提交。
    ③当IP目的地址是一个广播地址，或者是个既要转发又要本地提交的多播地址时，将同时进行两个操作。
    (3)转发寻址。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何将分组发送到下一个站点(路由器或主机)，如果路由器不知道如何发送分组，通常将该分组丢弃；否则就根据路由表的相应表项将分组发送到下一个站点，如果目的网络直接与路由器相连，路由器就把分组直接送到相应的端口上。
    (4)转发验证。在转发之前，路由器应该对数据包进行一些校验工作，而只有验证无误的时候才能进行转发，否则将数据包抛弃而重新提示数据包的广播源重发。这里的校验分为两个部分：一个是IP的验证，看是否接受到得数据包目标IP符合要求；二是具体数据的验证，看校验得到的数据是否有误。
3．2 路灯节能控制系统软件实现
3．2．1 集中控制器
    主程序结构分为两个部分：一是初始化段，另一部分是循环主体。为了便于调试，维护，本设计中采用了多模块的组织结构。每个任务都是一个子函数，在主程序循环体中，逐一调用任务模块，这些模块功能的执行取决于其条件标志是否满足，主程序流程图如图3所示。
    为了避免各任务抢占时钟资源，造成时间冲突，采取以下措施：
    (1)根据任务的不同给予不同的时间调度。例如LCD显示刷屏处理只需要1 s调用一次；按键处理为10 ms调用一次；设备巡检按照设备编号5 min调用一次，定时处理程序流程图如图4～图6所示。

    (2)为了避免因某些任务的单次执行过长影响其他任务的及时处理，可以将一个任务分为多个时间片处理。例如：按键处理程序中，当首次监测到按键闭合时，是需要10 ms的延时时间来消抖，但是如果在程序中用10 ms的延时程序来实现就会影响到其他程序的执行，故应该把这10 ms的等待时间让给其他任务执行。
(3)对于实时性要求更高的任务，可以把子函数直接放到中断函数中去执行。对于实时性不是很强的功能可以先在中断函数中设置标志，然后让后台程序根据标志再执行具体功能。
3．2．2 路灯控制器
    数据采集采用程序控制方式，根据上位机命令采集实时电量。为了便于监控路灯的工作状态，在单片机的E2PROM中存储了基准电压，当通过HPT304精密微型电压互感采集的电压进入单片机A／D转化后与基准电压相比较，当小于或大于某-一特定值时，通信故障码置位，并按照通信协议由电力线载波模块发送至集中控制器报警，其程序流程图，如图7所示。

    PL3105与集中控制器通过电力线相互通信，对用户而言，电力线载波模块为客户建立起透明的数据传输通道，用户可以将主从设备当成是电缆直接相连就可以了，用户通信的可靠性由用户的通信协议保证。
    由于LED的工作范围较大，其光输出和工作电流成正比，因此可以减小电流的方法来调光。LED的调光还可以采用脉冲宽度调节的方法来得到，通过调节电压的占空比和工作频率，能够有效调节LED的发光强度。
    结合LED光源的这个特点，采用PWM调光来实现减少资源浪费和光源污染的目的。本设计使用宏晶公司的STCl2C5404AD单片机，除了其内置AD，还因为其有四路可编程计数器阵列(PCA)／PWM，方便实现可调PWM信号的输出。调光的实现是由集中控制器控制，当到达设定的时间，中控制器通过电力线向路灯控制器发出信号，命令解码后，STCl2C5404AD的内部控制寄存器置位，启动可编程计数器阵列(PCA)／PWM工作，输出可调PWM，实现调光的功能。

4 结语
    LED作为一种节能环保的绿色照明光源，将会在今后的道路照明发展中起着越来越重要的作用，本文结合LED灯具自身特性，设计的智能路灯节能控制系统，节能、高效、人性化。