基于nRF905的智能道路照明節(jié)能系統(tǒng)

摘 要:以ATmega16單片機和nRF905為核心，提出并實現(xiàn)了一種簡易有效的路燈控制器。它能實時捕捉路面行人或車輛密度，制定分級的功率控制，達到節(jié)能的目的。路燈之間是通過nRF905實現(xiàn)多點數(shù)據(jù)無線傳輸，達到“追光”照明的效果。在智能路燈照明系統(tǒng)檢測到車輛或行人時，通過無線通信發(fā)送數(shù)據(jù)到下一個路燈控制器，而下一個路燈就會提前點亮路燈，實現(xiàn)了實時照明控制。

關(guān)鍵詞:實時照明控制; nRF905; ATmega16L; 數(shù)據(jù)無線傳輸

中圖分類號:TP29 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0177-04

Intelligent Energy-saving System for Roadway Lighting Based on nRF905

QI Fu-jun， WEI Xu-ke， LU Yong-duo

(Ocean University of China， Qingdao 266100， China)

Abstract:

An effective street-lamp control system is presented， which takes the single-chip microcomputer Atmega16 and nRF905 as a core， and offers different power grades by getting the density of passerby or vehicles on the road to achieve the purpose of energy conservation. Multiple-points data wireless transmission between the lamps is realized by nRF905 to obtain the effort of ″tracing light″. That is to say， when the intelligent system detects someone or something passing through the street， the wireless communication module transmits the message to the next one， and then the next street lamp lights up in advance. Thus， the real-time lighting control is implemented.

Keywords: real-time lighting control; nRF905; ATmega16L; data wireless transmission

目前，國內(nèi)大部分城市的道路照明管理系統(tǒng)至今仍在沿用相對單一的光控、時控等傳統(tǒng)控制方式。這些系統(tǒng)普遍存在著難以反饋路燈運行狀態(tài)信息、難以進行遠程控制等局限，節(jié)電效果不理想。另外我國大部分城市路燈采用“全夜燈”的方式進行照明，普遍存在的問題有兩點:一方面，后半夜行人稀少，采用“全夜燈”的方式浪費太大，因此，有的地方采取前半夜全亮，后半夜全滅的“半夜燈”照明方式;有的地方在后半夜采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的節(jié)電措施，此種方式雖然節(jié)約了電費支出，卻帶來了社會治安和交通安全問題，不利于城市形象[1]。

1 系統(tǒng)方案概述

該系統(tǒng)由照明區(qū)域控制器與智能節(jié)點組成，照明區(qū)域控制器負責所轄路段的智能化照明控制，而智能節(jié)點負責單個路燈的控制和狀態(tài)檢測。智能節(jié)點和照明區(qū)域控制器之間采用無線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

該系統(tǒng)是通過路況具體情況來設(shè)定輸出功率等級，以此改變路燈的光照來實現(xiàn)節(jié)能。其基本思想是:路燈可以隨著馬路上車輛或行人的行進速度以及數(shù)量來調(diào)節(jié)燈光的亮度，即動態(tài)調(diào)光策略。其工作框圖如圖1所示。

圖1 智能路燈控制器工作框圖

智能控制器1的工作過程:在智能控制器1的控制下，通過光敏元件來探測周圍環(huán)境的光線強度，并根據(jù)光敏元件的探測結(jié)果向功率調(diào)節(jié)單元發(fā)出指令來實現(xiàn)夜晚時燈光開啟及天亮?xí)r路燈熄滅的操作。在路燈開啟的情況下，對射檢測單元開始工作，當車輛或行人通過馬路時，對射探測接收單元會產(chǎn)生相關(guān)的脈沖信號傳送給控制器1，控制器會根據(jù)脈沖信號以及時間間隔，通過軟件得到車輛或行人的數(shù)量及行進速度等相關(guān)參數(shù)，并向功率調(diào)節(jié)單元發(fā)出相關(guān)指令，使其采取不同的燈光亮度等級并持續(xù)一段時間。與此同時，控制器1將相關(guān)參數(shù)通過無線通信單元傳遞給下一個或幾個單片機。

下一個接收到信號的單片機會在人未到達前改變亮度等級，而持續(xù)的時間可滿足車輛或行人通過此燈一定距離，此燈也實時檢測車輛或行人的通過，并把相關(guān)參數(shù)傳遞給以后的路燈[2]。各個路燈節(jié)點與主控制室的計算機相互通信，可實時監(jiān)控路燈運行狀況。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 智能路燈控制器系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)主要單元硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 移動物體監(jiān)測單元

信號發(fā)生電路由兩個555電路來實現(xiàn)。前一個555用來產(chǎn)生的1 kHz的調(diào)制信號，并由③引腳輸出至后一個的復(fù)位端④腳，后一個555用來產(chǎn)生38 kHz方波信號。由④腳作為調(diào)制端，即當④腳為高電平時，555是常規(guī)的方波振蕩器;當④腳為低電平時，555的③引腳處于低電平。此信號發(fā)生器和38 kHz紅外接管即可實現(xiàn)行人或車輛的檢測，其電路原理圖如圖3所示。

圖3 555信號發(fā)生器電路原理圖

2.2 無線傳輸單元

本系統(tǒng)的主控制器采用了Atmel公司的ATmega16，它是真正的RISC結(jié)構(gòu)的單片機，內(nèi)部資源非常豐富，并在片內(nèi)集成了各種功能強大的外圍接口和通信接口。在本次設(shè)計中，單片機的任務(wù)主要是完成對經(jīng)過降壓處理而采集到的市電電壓進行變換，通過軟件完成對節(jié)電等級的判斷，并控制相應(yīng)的繼電器進行相應(yīng)的通斷動作;還要對一段時間內(nèi)的開關(guān)燈時間及狀態(tài)進行記錄，以及完成和外部設(shè)備的通信等功能[3]。

該系統(tǒng)的無線通信模塊是Nordic VLSI 公司推出的單片射頻收發(fā)芯片nRF905，工作電壓為19～36 V，體積小，可工作于333/868/915 MHz三個ISM頻道，輸出增益范圍為-10～+10 dB，最大無線數(shù)據(jù)傳輸速率達50 Kb/s[4]，適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報警及安全系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。該芯片通過單片機的簡單控制即可方便實現(xiàn)無線收發(fā)模塊的設(shè)計，它通過SPI 口與單片機進行數(shù)據(jù)交換，工作于從方式時，時鐘由單片機的SPI 時鐘確定[5]。

3 系統(tǒng)工作模式與軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)工作模式

照明區(qū)域控制器與智能節(jié)點之間通過nRF905模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，依然采用主/從結(jié)構(gòu)，即照明區(qū)域控制器給出控制指令，在指令中包含目標智能節(jié)點地址信息，以廣播的方式下傳，智能節(jié)點接到指令后根據(jù)指令中的節(jié)點地址信息判斷是否執(zhí)行操作[6]。對于需要作為中繼的節(jié)點，接到指令后首先判斷控制字和目標節(jié)點地址信息，當為單點控制或查詢指令時，如果自身地址等于目標節(jié)點地址，則執(zhí)行該操作，否則判斷該目標節(jié)點地址是否處于自己中繼的有效范圍，是則中繼該指令，反之不做任何操作[7]。

3.1.1 智能化照明控制策略設(shè)計

在沒有人為或管理中心干預(yù)的情況下，照明區(qū)域控制器按照預(yù)設(shè)的照明控制策略完成自主的現(xiàn)場照明控制。本設(shè)計中采用了時間控制(時控)、環(huán)境參數(shù)輔助控制和手動控制相結(jié)合的照明控制策略。環(huán)境參數(shù)輔助控制為可選功能，禁止使用時，為時控和手控相結(jié)合。三種控制方式的優(yōu)先級遵循以下原則:

(1) 手動控制優(yōu)先級最高，手動控制時，時控和環(huán)境參數(shù)輔助控制被屏蔽。

(2) 當手動控制取消后，環(huán)境參數(shù)輔助控制、時間控制恢復(fù)正常使用，如果處于時控有效期內(nèi)，系統(tǒng)按照時間控制策略維持/更新運行狀態(tài);如果處于時控有效期外，則根據(jù)環(huán)境狀況進行控制。

(3) 系統(tǒng)退出手動控制模式時，由照明區(qū)域控制器判斷當前所屬時段，決定各交流接觸器是否打開或關(guān)閉。

3.1.2 環(huán)境參數(shù)與流量控制策略

智能化的道路照明控制系統(tǒng)還應(yīng)該能夠根據(jù)天氣、交通流量等實際的環(huán)境參數(shù)調(diào)整照明控制措施，以獲得更好的照明質(zhì)量和節(jié)電效果。

(1) 照度輔助控制考慮到天氣異常變化的影響，需綜合考慮自然環(huán)境照度和當前時間，執(zhí)行相應(yīng)的開燈或關(guān)燈操作。需要注意的是，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在進行環(huán)境照度采集時必須采取延時或者軟件濾波等措施消除環(huán)境照度尖峰干擾(如閃電)。此外，還應(yīng)該限定根據(jù)照度進行控制的作用時間段或者采用模糊控制手段區(qū)分干擾和正常情況，避免因突變持續(xù)性干擾造成的誤動作[8]。

(2) 交通流量輔助控制在智能化的照明控制系統(tǒng)中要實現(xiàn)人性化的照明控制，還必須考慮同一照明季節(jié)內(nèi)交通流量變化規(guī)律的異常情況，尤其是在一些比較重要的節(jié)假日，人們的作息習(xí)慣會和平時出現(xiàn)差異，因此道路交通流量曲線與平時相比會出現(xiàn)較大波動，這時就不能再按照正常的時間段劃分進行控制，而必須借助于交通流量輔助控制。考慮到這種波動主要集中在較集中的時段內(nèi)，因此在軟件設(shè)計時就只限定在特定的時段內(nèi)有效。

3.1.3 區(qū)域控制策略

無線通信技術(shù)的發(fā)展使得低成本的單燈控制和檢測成為可能，也使路燈的控制變得更加靈活。同一路段的不同路燈，由于其所處位置的不同，對其照明控制的要求可能也不相同。比如某個路段處于十字路口的路燈，由于位置的重要特殊性，就不能和其他路燈同時進行相同的場景控制。另外對于一桿多燈的情況，需要考慮在交通流量減小時部分關(guān)閉以節(jié)約電能。區(qū)域控制可以通過配置控制系統(tǒng)底層(照明區(qū)域控制器智能節(jié)點)之間的通信協(xié)議實現(xiàn)。區(qū)域控制數(shù)據(jù)幀格式如下:

數(shù)據(jù)報頭控制類型起始地址終止地址作用范圍

控制類型聲明單燈智能控制器應(yīng)該執(zhí)行何種控制操作，起始地址、終止地址和作用范圍一起聲明了對受控路燈節(jié)點的地址編號要求，這樣就相當于將符合相同條件的路燈節(jié)點綁定在了一起，從而可以實現(xiàn)區(qū)域控制。作用范圍根據(jù)單燈智能控制器地址編號的數(shù)學(xué)特征可以分為奇數(shù)有效、偶數(shù)有效等多種情況，因此可以實現(xiàn)多樣化的控制區(qū)域組合。

3.1.4 時間控制策略

時間控制主要包括每天的開關(guān)燈控制和夜間按照道路交通流量分時段進行的調(diào)光控制。這些控制操作不僅應(yīng)該能夠取得明顯的節(jié)電效果，還應(yīng)該能夠提高道路照明質(zhì)量。

(1) 開關(guān)燈時間可以一個月為時間段將一年分為12個時間段。每個月的起止時間應(yīng)以當?shù)鼐唧w日照情況為準，可采用多次測量后的平均值得到，并將得到的數(shù)據(jù)保存在單片機中供軟件查詢用。

(2) 夜間分時段多樣化控制。夜間的路燈照明控制主要是根據(jù)道路夜間交通流量變化規(guī)律進行分時段控制，盡管在一條道路上每天夜間不同時刻的交通流量會略有差異，但在一段時間(一個月或幾個月)的統(tǒng)計規(guī)律來看，這種變化的波動并不很大，所以完全可以按照平均交通流量變化規(guī)律把一年的照明周期劃分成若干照明季節(jié)。由于每個照明季節(jié)的開關(guān)燈時間有所差別，又將每天的整個時段分為三個小時段，每個小時段可以配合行人檢測對路燈進行調(diào)光、部分開關(guān)或者全部開關(guān)等。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文采用了 ICCAVR編輯器，結(jié)合Atmel公司的AVR Studio集成開發(fā)平臺[9]進行設(shè)計。

系統(tǒng)的工作流程如圖4所示，系統(tǒng)在外界光線達到照明需求時開始初始化，并進入工作狀態(tài)，此時紅外探測器將不斷監(jiān)測路段行人或車輛，將檢測到的數(shù)據(jù)傳送給AVR主控制器，主控制器將根據(jù)數(shù)據(jù)量來點亮路燈，并開始利用nRF905向后一組路燈傳送消息，后一組在接收到消息后在主控制器中處理信息，提前點亮路燈，等待著再次監(jiān)測到物體，如此循環(huán)。其中軟件記錄開啟時間，進入相應(yīng)劃分的時段時開啟相應(yīng)調(diào)光程序。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

單片機芯片和無線收發(fā)芯片在開始工作前都要進行初始化配置，本系統(tǒng)中的包含了以下兩個部分的配置:

(1) ATmega16L的SPI接口初始化。ATmega16L的異步串行接口和SPI接口用同一個USART模塊，且要選擇SPI的主/從機方式，還要保證系統(tǒng)中只有一個主機，對于此系統(tǒng)應(yīng)將AVR單片機設(shè)置為主機，nRF905模塊設(shè)置為從機[10]。

(2) nRF905的初始化配置。對無線收發(fā)芯片的初始化參數(shù)的配置是通過nRF905的配置寄存器進行設(shè)置的。nRF905中有一個144 b的配置字，該配置字規(guī)定了無線收發(fā)器的無線收發(fā)工作模式、收發(fā)頻率、發(fā)射頻率、收發(fā)地址寬度、接收地址、無線傳輸速率、晶振頻率以及CRC校驗和的長度及有效數(shù)據(jù)長度等。在同一時刻，nRF905無線收發(fā)只能處于工作模式之一。不管模式想發(fā)送還是要接收數(shù)據(jù)，模塊上電后都要進行初始化配置[5]。

nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)通過軟件設(shè)置TRX_CE，并使得TX_EN和PWR_UP為高電位來激活nRF905的Shock Burst TM發(fā)送模式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。通過Shock Burst TM可以使收發(fā)芯片自動上電，且完成數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗碼)并發(fā)送數(shù)據(jù)包。當數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，數(shù)據(jù)準備(DR)引腳被置高，若AUTO_RETRAN被置高，那么，nRF905將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到檢測到TRX_CE為低電平;而當TRX_CE被置為低電平時，表明nRF905數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)結(jié)束，并且會自動進入節(jié)電模式。

當TRX_CE為高TX_EN為低時，nRF905進入Shock Burst TM接收模式;再650 μs后，nRF905不斷檢測，等待數(shù)據(jù)接收;當nRF905檢測到同一頻段的載波時，載波檢測(CD)引腳被置高;但檢測到一個相匹配的地址后，地址匹配(AM)引腳被置高;之后就開始接收數(shù)據(jù)包，接收完成后，nRF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后把DR引腳置高。在此之后，單片機會將TRX_CE置低，使nRF905處于空閑模式;然后單片機會通過SPI接口將數(shù)據(jù)以一定的速率傳送到單片機內(nèi);當所有的數(shù)據(jù)都接收完畢后，nRF905會把DR引腳和AM引腳置低。至此已完成整個接收流程。

單片機接收到信息后，會對和已存信息進行分析比較，并發(fā)出相關(guān)指令，之后開始進入下一個發(fā)送周期。

4 結(jié) 語

該智能路燈照明控制系統(tǒng)運用多種控制方法，配合當?shù)鼐唧w時段來管理路燈開關(guān)狀況及亮度等級，并運用無線射頻通信技術(shù)實現(xiàn)路段的區(qū)域控制和實時信息交換，實現(xiàn)“追光”照明。配有自動故障報警功能，同時它降低了運行維護費用，該系統(tǒng)使用方便，制造成本合理，維護較容易，綜合來看，有廣闊的前景。

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