基于CAN總線的道路照明控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1、基于CAN總線的道路照明控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)(第1頁)來源：同濟大學電子與信息工程學院，上海 作者：高磊，余有靈，張志明 瀏覽：816人次 發(fā)布：2012-03-20注：其他網(wǎng)站轉(zhuǎn)載須注明出處，轉(zhuǎn)載而不注明出處者，一經(jīng)查實，將追究其法律責任傳統(tǒng)城市道路照明系統(tǒng)對回路實現(xiàn)整體控制，只能實現(xiàn)回路路燈整體開關(guān)，不能對回路中的單個路燈進行單點控制，且靈活性差。為實現(xiàn)路燈節(jié)能降耗，提出了一種基于CAN 總線的道路照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法，采用智能化控制策略對傳統(tǒng)路燈照明系統(tǒng)進行改進，使用英飛凌16 位單片機對車輛通過信息進行采集和處理，預先調(diào)整路燈亮度。論述了系統(tǒng)子節(jié)點路燈控制器和主節(jié)點回路

2、控制器的工作原理和硬件設(shè)計方案，并介紹了該系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖，經(jīng)實驗證明了該方案的有效性。近年來隨著國內(nèi)城市化進程的快速發(fā)展，道路照明設(shè)施的規(guī)模和數(shù)量迅速擴大，道路照明耗電迅速上升，且存在較嚴重的用電浪費現(xiàn)象。傳統(tǒng)的城市道路照明系統(tǒng)一般由專用的回路箱對回路中的高壓鈉燈統(tǒng)一控制，實現(xiàn)回路內(nèi)整體開關(guān)，不能對回路中的單個路燈進行單點控制，靈活性較差，同時鈉燈供電電壓高，耗電量大且需要配備鎮(zhèn)流器，不同時段下城市用電負荷的變化也會影響高壓鈉燈的使用壽命，因此還需要對回路電壓進行調(diào)整。此外，由于缺乏有效的監(jiān)測手段，不能根據(jù)路面實際狀況進行“按需照明”。如今，在對道路照明的質(zhì)量標準提出要求的同時，如何有效降

3、低能源消耗也成為了新的研究方向1。目前部分地區(qū)為節(jié)能降耗，實行“半夜燈”制度，通過采取“亮一隔一”的方式關(guān)閉部分路燈，但是破壞了路面照度均勻度，對于交通安全和社會治安十分不利。為了有效實現(xiàn)回路內(nèi)單點控制，并且提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，采用CAN 總線進行報文傳輸，以LED 光源代替高壓鈉燈，實現(xiàn)串行通信網(wǎng)絡(luò)中的分布式控制，擺脫了傳統(tǒng)RS485 總線主站輪詢的通信方式，并且有效節(jié)約能源。在控制策略上同時綜合考慮時間、路段、環(huán)境照度和交通流量等場景因素，按照預設(shè)的TPO 控制策略2，最大限度實現(xiàn)信息交互。1 道路照明控制系統(tǒng)基于CAN 總線的道路照明控制系統(tǒng)的組成原理圖如圖1 所示。該系統(tǒng)主要

4、由底層CAN 節(jié)點控制器部分和計算機監(jiān)控部分組成，節(jié)點控制器分為子節(jié)點路燈控制器( RTU) 和主節(jié)點回路控制器( LTU) ，底層總線采用普通雙絞線作為通信介質(zhì)。在傳感器模塊中，各節(jié)點上配置磁傳感器( 或壓力傳感器) 用于檢測車輛信息，照度傳感器采集照度信息。同時回路定時采集電流、電壓、功率因數(shù)等電參數(shù)，各節(jié)點LED 調(diào)光電路可設(shè)定多個等級的路燈亮度。通過CAN 總線實現(xiàn)路燈子節(jié)點之間，以及子節(jié)點與主節(jié)點之間的信息通信。計算機監(jiān)控部分負責控制策略的調(diào)整。主節(jié)點回路控制器向計算機監(jiān)控部分上傳狀態(tài)參數(shù)，存儲到數(shù)據(jù)庫中，計算機比對正常數(shù)據(jù)，對回路中的異常情況進行判斷，確定異常位置，向主節(jié)點發(fā)送控制

5、指令。系統(tǒng)功能: 監(jiān)控交通流量和天氣情況; 單燈故障檢測; 監(jiān)控電能消耗; 控制電流實現(xiàn)單燈調(diào)光; 在確保功效的前提下，合理調(diào)整亮燈數(shù)量和時間。2 車輛信息控制的工作原理主節(jié)點按照TPO( time place occasion) 控制策略，對多種策略進行融合，以LED 燈為控制對象。主要的控制策略包括: 分時段時間控制。針對不同時段的照明需求，采用等級化照明亮度，在夜晚繁忙時段控制所有路燈保持高亮，在接近午夜時因車流量稀少，調(diào)整路燈為較低亮度，為近一步實現(xiàn)智能照明，還可以開啟車輛信息控制模式，檢測車輛通過信息調(diào)整亮度; 環(huán)境參數(shù)控制。根據(jù)光照、交通流量等實際的環(huán)境參數(shù)調(diào)整照明控制，以獲得更好

6、的照明質(zhì)量和節(jié)電效果，例如在天氣不佳、能見度較低的情況下提前開啟路燈，或者監(jiān)測到車輛流量在某一時段內(nèi)突變( 激增) ，及時調(diào)整路燈為高亮以應(yīng)急。 組群控制1。處于同一照明回路中的不同路燈，由于所處的位置不同，對其照明亮度的需求可能也不同，利用LED 單燈控制的特點，可以指定回路中的某些子節(jié)點組成組群，實現(xiàn)不同的場景控制。例如某些節(jié)點僅使用時間控制策略，某些節(jié)點使用車輛信息控制策略，而對關(guān)鍵路段的子節(jié)點( 例如警示燈、景觀燈) 則不調(diào)整，始終保持高亮。 車輛信息控制。車輛信息控制策略與傳統(tǒng)照明策略相比，更好地體現(xiàn)出“按需照明”的特點，主動感知道路上的車輛情況，調(diào)整當前路段亮度，并引入對下一路段照

7、明需求的預判機制，在車輛未行至前，提前調(diào)整路燈亮度為高亮。本文重點介紹車輛信息控制策略的實現(xiàn)方式，該方式依據(jù)車輛大致位置和行進方向進行閉環(huán)控制，可以對前方路段進行照度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)主節(jié)點回路控制器首先請求各子節(jié)點車輛通過信息，并對車輛信息進行綜合，判斷當前回路中哪些節(jié)點位置有車輛通過，在該位置和車輛行駛的下一路段位置處，請求路燈亮度信息，判斷子節(jié)點的路燈亮度是否為高亮狀態(tài)，對亮度為低亮的路燈子節(jié)點發(fā)送亮度調(diào)整信息，使其變?yōu)楦吡烈耘浜宪囕v行駛，而暫不影響與車輛行駛無關(guān)的其他子節(jié)點，實現(xiàn)單燈控制，控制效果如圖1 所示。當主節(jié)點發(fā)送帶有某一ID 標識符的車輛信息請求幀時，若在各個子節(jié)點內(nèi)均定義了該ID

8、標識符，則子節(jié)點均可接收到該車輛信息請求幀。若多個子節(jié)點同時檢測到有車輛通過，主節(jié)點中的接收車輛信息報文對象可通過設(shè)定屏蔽位，并根據(jù)CAN 的無破壞性位仲裁機制3，依次接收多個子節(jié)點的報文信息。子節(jié)點亮度信息的請求與發(fā)送方式類似于車輛信息。各個子節(jié)點均可接收單點亮度控制幀，在數(shù)據(jù)段中可判斷與自己的地址是否一致，如果一致則修改當前的路燈亮度。3 節(jié)點控制器的組成節(jié)點控制器采用英飛凌16 位微處理器XE164FM4 - 5，其中MultiCAN 模塊具有4 個獨立CAN節(jié)點，多達128 個獨立消息對象( message object) ，數(shù)據(jù)傳送速率最高達1 Mbit /s，外設(shè)部分包括CAN 收

9、發(fā)器模塊、串口通信模塊、LED 調(diào)光電路模塊、車輛傳感器模塊、電源模塊、照度傳感器模塊接口、LCD 顯示模塊接口， JTAG 在線調(diào)試接口等，如圖2 所示。CAN 收發(fā)器采用IFX1050G，通過定時器GPT1 模塊可產(chǎn)生不同占空比的PWM 波，通過IO 輸出PWM波到LED 調(diào)光模塊設(shè)定路燈亮度。T2 在T3 定時溢出后發(fā)生上升沿跳變時觸發(fā)，將T2 寄存器重載到T3 定時器，T4 在T3 定時溢出發(fā)生下降沿跳變時觸發(fā)，將T4 寄存器中的內(nèi)容重載到T3 寄存器。設(shè)定值與亮度如表1 所示。車輛傳感器模塊中采用干簧管繼電器，干簧管體積小、質(zhì)量輕，通斷時間為1 3 ms，當模型車行駛到干簧管附近時，

10、管內(nèi)接點會吸合，傳感器模塊采樣到車輛通過信息，采樣輸入端電平被拉低。在實驗?zāi)Ｐ椭?，LED 調(diào)光電路模塊中采用MBI1804 驅(qū)動芯片，提供了4 個恒流輸出通道，具有高輸出電流能力，最大電流輸出值為240 mA，可直接輸入由XE164FM Lout 端輸出的PWM 波，調(diào)整范圍為100% 0%，如圖3所示。串口通信模塊用于與上位圖3 節(jié)點硬件電路簡圖機進行通信。4 軟件實現(xiàn)使用英飛凌公司DAVE 自動代碼生成軟件可以對單片機內(nèi)各模塊進行圖形化配置，有效地提高了編碼效率。節(jié)點發(fā)送時采用查詢方式發(fā)送報文，通過讀取狀態(tài)寄存器值判斷節(jié)點是否處于接收狀態(tài)，然后再判斷上次發(fā)送是否已成功，若上次發(fā)送已成功，只

11、需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合成數(shù)據(jù)幀報文，送入發(fā)送緩沖區(qū)中即可發(fā)送。接收時采用中斷方式接收報文，初始化程序中使能接收中斷。主節(jié)點控制器初始化部分配置報文對象MO1 MO5，功能如圖4 所示。TASK1 和TASK2 定時觸發(fā)，廣播車輛信息請求和亮度信息請求，TASK4 對車輛通過節(jié)點和下一節(jié)點發(fā)送亮度控制幀，TASK5 判斷車輛通過亮度調(diào)整后與TASK4 預設(shè)亮度是否一致，并將上一節(jié)點的亮度恢復普通等級。TASK3 恢復所有節(jié)點普通亮度，如圖5所示。如圖6 所示，子節(jié)點控制器對報文對象和幀更新位進行初始化，3 個更新位分別與主節(jié)點的發(fā)送請求相對應(yīng)。TASK1 定時觸發(fā)，判斷有無車輛通過信息，

12、TASK2 由CAN 中斷指針觸發(fā)，對接收到的幀更新位判斷，進入相應(yīng)的處理單元。_MO3IsUpdated 置位發(fā)送車輛通過信息，_MO4IsUpdated 置位發(fā)送當前亮度信息_MO5IsUpdated 置位對PWM 占空比調(diào)整設(shè)定節(jié)點亮度。退出ProcCAN 時復位各幀更新位。5 實驗結(jié)果與分析在CrossView Pro C166 中可在線查看MultiCAN 中各個報文對象的數(shù)據(jù)段。以子節(jié)點1 和子節(jié)點2 為例進行分析。當車輛行駛到子節(jié)點1 時，主節(jié)點向子節(jié)點發(fā)送車輛信息和亮度信息請求，圖7( a) 上和左中所示為子節(jié)點1 車輛信息發(fā)送幀和亮度信息發(fā)送幀中的數(shù)據(jù)內(nèi)容，圖7( a) 下為子節(jié)點1 從主節(jié)點接收到的亮度調(diào)節(jié)信息內(nèi)容，其中低8 位為節(jié)點地址，高8 位為車輛或亮度信息。子節(jié)點2 未檢測到車輛通過( 0x00，圖7( b)上) ，且當前亮度為低亮( 0x01，圖7( b) 中) ，在主節(jié)點發(fā)送的亮度調(diào)節(jié)信息中，將子節(jié)點2 的亮度調(diào)節(jié)為高亮( 0x02，圖7( b) 下) 。當車輛行駛到子節(jié)點2 時，圖8( a) 下所示，子節(jié)點1 接收到主節(jié)點發(fā)送的亮度調(diào)節(jié)信息恢復至普通亮度( 0x01) ，圖8( b) 下可知子節(jié)點2 保持高亮狀態(tài)。圖9 所示，當車輛繼續(xù)行駛一段時間后，各個子節(jié)點