智能型節(jié)能路燈控制器的研究與實(shí)現(xiàn)

1、計(jì)算機(jī)應(yīng)用文章編號(hào)：（）智能型節(jié)能路燈控制器的研究與實(shí)現(xiàn)王健，褚曉廣（安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院，馬鞍山）摘要：介紹了智能型路燈控制器的節(jié)能原理，提出了協(xié)議在單片機(jī)上簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)。重點(diǎn)介紹了控制器的主要功能及其軟硬件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程控制；單片機(jī)；以太網(wǎng)控制器；協(xié)議；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：，（，）：，：；（）；（）目前，中小城市的路燈一般采用單相變壓器專供，到了深夜用電負(fù)荷減輕，電網(wǎng)電壓升高，這將大大降低燈泡的使用壽命。因此，路燈在深夜過(guò)高電壓下運(yùn)行會(huì)大大浪費(fèi)電能。科學(xué)地控制路燈電壓，不僅能滿足人們行路行車的安全，還能節(jié)約電能及延長(zhǎng)燈具的使用壽命。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，因特網(wǎng)

2、已經(jīng)滲透到社會(huì)生活的每一個(gè)角落，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)路燈控制器的協(xié)議，使得路燈監(jiān)控控制系統(tǒng)脫離電信系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)成為可能，實(shí)現(xiàn)自己數(shù)據(jù)的高速傳輸和實(shí)時(shí)控制。收稿日期：；修訂日期：基金項(xiàng)目：安徽省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目（）節(jié)能原理根據(jù)人體視覺(jué)對(duì)光線適應(yīng)的理論，人眼對(duì)光線的感覺(jué)和光線成對(duì)數(shù)關(guān)系，即光照降低，而人的視覺(jué)僅降低，因此適當(dāng)降低光照可以節(jié)能而并不影響人的視覺(jué)。在路燈的供電回路中，能量除了滿足發(fā)光外，多余部分進(jìn)行產(chǎn)生熱量，而這部分熱量除造成浪費(fèi)外并減損燈具壽命，將產(chǎn)生熱能的這部分能量回饋給電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能并不影響照度，本控制器就是在以上節(jié)能原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。作者簡(jiǎn)介：王?。ǎ?，男，教授，研究

3、方向?yàn)楣た鼐钟蚓W(wǎng)及智能控制；褚曉廣（），男，在讀研究生。自動(dòng)化與儀表（）計(jì)算機(jī)應(yīng)用路燈監(jiān)控系統(tǒng)的組成和功能如圖所示，監(jiān)控系統(tǒng)主要有兩部分組成。（）遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，主要有管理計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)組成，管理中心與網(wǎng)絡(luò)控制器的通訊利用實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控中心的管理計(jì)算機(jī)具有最高的操作優(yōu)先級(jí)，可以向網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)布命令，對(duì)全部的網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行巡檢和控制，并下傳和更新控制策略，把重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。（）網(wǎng)絡(luò)控制器，解析來(lái)自管理中心的命令，對(duì)當(dāng)前工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并報(bào)告給管理中心。在管理中心無(wú)人值守時(shí)依據(jù)時(shí)間芯片和既定的控制策略進(jìn)行節(jié)能控制。其中網(wǎng)絡(luò)控制器是監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵。路燈控制器城雙絞線市各雙絞線主路燈監(jiān)控要管理計(jì)算機(jī)數(shù)

4、據(jù)庫(kù)道路路燈控制器雙絞線圖路燈監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)路燈控制器的硬件接口路燈控制器結(jié)構(gòu)如圖所示，主要包括主處理器及外圍電路、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、信號(hào)（模擬量）采集模塊、控制輸出模塊等四部分。鍵盤網(wǎng)絡(luò)芯片網(wǎng)絡(luò)變壓器顯示部分控制輸出模塊接頭時(shí)鐘芯片信號(hào)采集模塊模擬量圖控制器硬件原理框圖主處理器及外圍電路包括、時(shí)鐘芯片、靜態(tài)存儲(chǔ)器、鍵盤、顯示部分。采用的是公司的，該芯片是位處理器，片內(nèi)的、的，負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制器操作以收發(fā)數(shù)據(jù)并解析必須的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、管理整個(gè)系統(tǒng)的軟、硬件資源；鍵盤是利用單片機(jī)的一個(gè)外部中斷，完成控制器的地址、控制參數(shù)等的設(shè)置；顯示部分采用位數(shù)碼管，動(dòng)態(tài)顯示工況數(shù)據(jù)；時(shí)鐘芯片采用內(nèi)嵌和看門狗的，其可對(duì)軟

5、件進(jìn)行有效監(jiān)控，并用于存儲(chǔ)控制季度表和控制器的地址、物理地址、以及掩模子網(wǎng)地址等數(shù)據(jù)；（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）采用提供外圍器件的邏輯控制，減少了外圍的邏輯芯片的個(gè)數(shù)；用于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和運(yùn)算時(shí)暫存數(shù)據(jù)。一般情況下，路燈控制器不需要遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的干預(yù)，從時(shí)鐘芯片里讀出當(dāng)前的時(shí)間，對(duì)照當(dāng)前的季度選擇當(dāng)前的控制表，包括開(kāi)關(guān)燈的時(shí)間、調(diào)光時(shí)間、照度和電壓的設(shè)定值，通過(guò)信號(hào)采集模塊實(shí)時(shí)地獲得當(dāng)前的電壓、電流的實(shí)際值，然后根據(jù)控制策略進(jìn)行控制。信號(hào)采集模塊信號(hào)采集模塊對(duì)電壓、電流進(jìn)行采集，為了減少外界干擾影響控制精度，該模塊采用了（六路鉗制集成芯片），該芯片的基準(zhǔn)電壓需和轉(zhuǎn)換器的一致，從而可保證信號(hào)在，轉(zhuǎn)換器采

6、用了位的。控制輸出模塊控制輸出模塊有兩路輸出，一路即燈光控制輸出；另一路為發(fā)生故障時(shí)的輸出。為了保證在原始信號(hào)不穩(wěn)定或系統(tǒng)復(fù)位時(shí)對(duì)原有控制信號(hào)的有效鎖存，采用了由（雙邊沿觸發(fā)器）組成的鉗制電路，它的端作為輸出和單片機(jī)反饋輸入端，用于單片機(jī)異常復(fù)位后的狀態(tài)確定。網(wǎng)絡(luò)接口通信模塊網(wǎng)絡(luò)接口模塊包括以太網(wǎng)適配器、網(wǎng)絡(luò)變壓器以及接頭組成。是通用的網(wǎng)絡(luò)接口芯片，的設(shè)置位，分別和單片機(jī)的口的相接，讀寫信號(hào)線由（可編程）產(chǎn)生。為了抗干擾和增加驅(qū)動(dòng)能力，采用（網(wǎng)絡(luò)變壓器），它隔直通交，避免雙絞線上的直流電平干擾網(wǎng)卡芯片（）的工作點(diǎn)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)變壓器自身的通頻帶限制了高頻干擾。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，

7、是設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行通信的基礎(chǔ)，它采用四層分層結(jié)構(gòu)模型：數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。在高級(jí)操作系統(tǒng)中可以支持完整的族，（）但是在處理速度相對(duì)較慢和存儲(chǔ)容量相對(duì)較小的單片機(jī)中沒(méi)有必要完全實(shí)現(xiàn)。協(xié)議選擇遵循以下原則：首先，嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的協(xié)議要根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能來(lái)設(shè)計(jì)其獨(dú)特的協(xié)議族，實(shí)現(xiàn)與需要有關(guān)的部分。路燈控制器設(shè)計(jì)中協(xié)議棧主要實(shí)現(xiàn)、。協(xié)議的功能是為位地址到對(duì)應(yīng)的位以太網(wǎng)物理地址之間提供動(dòng)態(tài)映射，將上層的地址與底層的物理地址進(jìn)行綁定。協(xié)議作為主機(jī)之間發(fā)送數(shù)據(jù)包的傳輸工具，包的大小嚴(yán)格限制，得到包后，檢驗(yàn)頭部的版本、目的地址、校驗(yàn)和的正確性，解析出協(xié)議類型字段，然后交給高層的協(xié)議

8、處理。發(fā)送包時(shí)，將緩沖區(qū)內(nèi)的目的地址設(shè)置完成后交給下層協(xié)議，協(xié)議是一個(gè)面向連接的協(xié)議，連接的建立和釋放是每一次面向連接的通信中必不可少的過(guò)程。為了保證路燈控制器和路燈監(jiān)控中心的有效連接，在傳輸層采用協(xié)議。控制策略路燈控制器采用時(shí)鐘自動(dòng)控制、照度控制和電壓的閉環(huán)調(diào)光控制。時(shí)鐘自動(dòng)控制：里面存儲(chǔ)著季節(jié)控制表，該表里面存儲(chǔ)著不同季節(jié)的開(kāi)關(guān)燈和調(diào)光時(shí)間和不同調(diào)光時(shí)間段的調(diào)光電壓；通過(guò)實(shí)時(shí)的讀取時(shí)鐘芯片的時(shí)刻以判斷出所需的季節(jié)控制表，然后按照季節(jié)控制表里面的數(shù)據(jù)，進(jìn)行開(kāi)關(guān)燈和調(diào)光控制。照度控制：當(dāng)白天（非開(kāi)關(guān)燈時(shí)間段）由于惡劣天氣的影響，照度嚴(yán)重降低，這時(shí)由光電管組成的電路送給單片機(jī)一高電平，觸發(fā)單片機(jī)

9、內(nèi)部的照度控制，滿電壓開(kāi)燈啟動(dòng)后，進(jìn)入到正常的電壓精確控制階段；當(dāng)外界照度恢復(fù)正常時(shí)單片機(jī)的口獲得低電平，這樣就關(guān)掉電源。電壓控制：電壓的閉環(huán)控制就是在調(diào)光階段降低電壓的供給以減少用于產(chǎn)生熱量的這部分能量；高壓鈉燈的啟動(dòng)一般需要高壓并且啟動(dòng)都有一定的延時(shí)，為了保證正常啟動(dòng)，一般在開(kāi)燈階段滿電壓供給，而等其順利啟動(dòng)后即可變?yōu)槠漕~定電壓的，即左右，此電壓是保證其正常照度和燈具壽命的最佳電壓供給值（實(shí)驗(yàn)獲得），對(duì)此電壓的精確自動(dòng)化與儀表（）計(jì)算機(jī)應(yīng)用控制將是該階段的控制目標(biāo)；路燈的供電受到整體供電電網(wǎng)的影響，當(dāng)時(shí)間到了夜里的點(diǎn)以后，用電負(fù)載的減少導(dǎo)致電壓升高，夜色的加重也使得適當(dāng)降低電壓而人的視覺(jué)光

10、線并不減少，因此在此階段將采用分階段電壓閉環(huán)控制，如圖所示；當(dāng)電壓設(shè)定值大于電壓反饋值時(shí)控制伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，增加可調(diào)變壓器的次級(jí)繞組的匝數(shù)；反之則減少次級(jí)繞組的匝數(shù)，獲得一個(gè)最佳的電壓供給值。某調(diào)光路燈控制器時(shí)間段電壓的設(shè)定值控制規(guī)律執(zhí)行機(jī)構(gòu)可調(diào)變壓器電壓檢測(cè)圖電壓閉環(huán)控制框圖軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)：完成參數(shù)的設(shè)置、顯示；完成電壓、電流信號(hào)的采集、處理并計(jì)算出有功功率、無(wú)功功率，然后按照一定的通信協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，上傳給上位監(jiān)控主機(jī)；接收上位監(jiān)控主機(jī)的控制命令和設(shè)置數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應(yīng)的控制；在沒(méi)有上位監(jiān)控主機(jī)的參與下，按照既定的控制策略實(shí)行控制；軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，程序采用編寫。主

11、程序模塊主要完成各系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、各器件的初始化以及各程序模塊的調(diào)用，其程序框圖如圖所示。網(wǎng)絡(luò)芯片的初始化是初始化的關(guān)鍵，要對(duì)它的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，才可以保證數(shù)據(jù)的正確接收和發(fā)送，主要的設(shè)置內(nèi)容為：接收緩沖區(qū)的起始地址，接收緩沖區(qū)的結(jié)束頁(yè)地址，中斷狀態(tài)寄存器、中斷屏蔽寄存器、數(shù)據(jù)配置寄存器；在設(shè)置寄存器時(shí)，應(yīng)先使其在停止模式，然后設(shè)置。開(kāi)始存數(shù)據(jù)初始化有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)？數(shù)據(jù)接收模塊到控制表讀時(shí)鐘里采集模塊控制命令？控制數(shù)據(jù)開(kāi)中斷讀時(shí)鐘址解析地發(fā)數(shù)據(jù)處理了嗎？數(shù)據(jù)包控制程序圖主程序流程圖計(jì)算機(jī)應(yīng)用通信模塊包括數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊，完成對(duì)上位監(jiān)控主機(jī)的控制命令和控制策略表、時(shí)鐘設(shè)置數(shù)據(jù)的接收和路燈控制器的

12、工況數(shù)據(jù)的發(fā)送。主機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收采用查詢的方式，根據(jù)接收數(shù)據(jù)判斷出不同的協(xié)議類型，并調(diào)用相應(yīng)的處理子程序。（）處理子程序，協(xié)議字段；（，）；存儲(chǔ)上位主機(jī)的物理地址；置位狀態(tài)位；對(duì)于解析獲得監(jiān)控主機(jī)的物理地址必須以全局變量存儲(chǔ)，以利于其它子程序進(jìn)行使用。（）處理子程序，協(xié)議字段；（）；接受的數(shù)據(jù)為控制命令（）；接受的數(shù)據(jù)為設(shè)置命令；然后根據(jù)控制字調(diào)用相應(yīng)子程序；主機(jī)對(duì)工況數(shù)據(jù)的發(fā)送采用定時(shí)器中斷（），在定時(shí)器中斷子程序里，首現(xiàn)需判斷監(jiān)控主機(jī)的是否解析，如果已經(jīng)解析，則把工況數(shù)據(jù)按照表的格式進(jìn)行打包成數(shù)據(jù)格式進(jìn)行發(fā)送；否則還需發(fā)送數(shù)據(jù)包以獲得監(jiān)控主機(jī)的物理地址?？刂颇K為了減少外界干擾對(duì)控制精

13、度的影響，由轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)據(jù)（電壓、電流）采用遞推平均濾波法?？刂颇K首先判斷狀態(tài)控制字是否為，如果為，則需要對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理，并施行其控制輸出。對(duì)于各位的控制字如表所示，某位為，則進(jìn)入其對(duì)應(yīng)子程序進(jìn)行處理；否則按照控制器已經(jīng)選擇的策略，配合轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)以及從時(shí)鐘中讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制；如果第一位為，則需要將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)、及由、所求出的有功功率、無(wú)功功率和各開(kāi)關(guān)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包傳輸給上位監(jiān)控主機(jī)，數(shù)據(jù)格式如表所示。為了保證系統(tǒng)的安全，當(dāng)檢測(cè)到的電流值超過(guò)上限電流值時(shí)，將供電電源切斷。表下傳數(shù)據(jù)格式位內(nèi)容上傳數(shù)據(jù)開(kāi)燈關(guān)燈缺省表上傳數(shù)據(jù)格式字節(jié)內(nèi)容站點(diǎn)號(hào)電壓電流有功功率無(wú)功功率開(kāi)關(guān)量校驗(yàn)和結(jié)語(yǔ)智能型路燈控制器利用組成的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)提高了工況數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，改善了路燈監(jiān)控系統(tǒng)的管理水平。在實(shí)際的應(yīng)用中節(jié)能效果達(dá)到，并提高了燈具的使用壽命，可廣泛地應(yīng)用于各類城市的路燈照明。參考文獻(xiàn)：徐彤以太網(wǎng)在實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)代電子技術(shù)，（）：徐皚冬，王宏，楊志家基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)信息與控制，（）：馬忠梅，等單片機(jī)的語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)北京：北京航空航天大學(xué)出版社，!"