基于ARM與電力線載波技術的廣場照明系統設計

摘 要:以嵌入式處理器ARM9為核心，結合電力線載波通信和紅外檢測技術，設計了一套廣場照明系統。系統實時檢測廣場范圍內各區域的人員情況，以電力線載波方式將信息傳送給主控制器S3C2410，由主控制器決定該區域的照明燈光是否點亮以及點亮時間等，并通過液晶顯示器實時顯示廣場各點照明情況，還能夠將各種信息進行存儲以及查詢。最后給出硬件組成與軟件編制方法，實驗表明，該系統人員檢測精確，通信可靠性高，無需鋪設專門通信線路，并可大幅度節約電能。

關鍵詞:ARM9; S3C2410; 電力線載波; 廣場照明

中圖分類號:TN914-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0125-03

Design of Plaza Lighting System Based on ARM and Power Line Carrier Technology

ZHANG Ke-ming

(Information and Engineering College， Xi’an International University， Xi’an 710077， China)

Abstract: A set of plaza lighting system was designed based on ARM9， power line carrier communication and infrared testing technology. The system can detect the people in the plaza real-timely and transfer the information to the main controller by power line carrier communication. The main controller determines lighting time of each area， displays lighting condition in each place of plaza， and storages and inquiries all kinds of information. The implementation of hardware and the structure of program are provided as well. The experiment proves that the system has high precision and reliable communication， and can save electric energy substantially.

Keywords: ARM9; S3C2410; power line carrier; plaza lighting

0 引 言

目前大空間的廣場或教室等場所的照明系統絕大部分都采用完全照明的方式，即使只有某個部分區域有人活動也會開放全部的照明設備，從而造成了巨大的電能浪費。因此設計了基于ARM9[1]和電力線載波通信技術相結合的控制系統，能夠實時檢測大空間中各區域人員活動情況，并根據控制指令以及事先設好的算法控制相應區域的照明設備點亮及照明時間，并能夠對控制信息、照明情況進行記錄，便于管理與查詢。這樣在人員較少的時候，大空間中只有局部區域照明設備點亮，從而實現大幅度節約電能。

1 硬件組成及原理

為了更好地實現控制與節能，將廣場照明系統分為若干個區域，每個區域都由一個單片機從機系統負責單獨控制。廣場分區照明系統總體結構如圖1所示，整個系統分為主機系統和從機系統兩部分。主機以S3C2410[2]為核心，負責接收工作人員指令和從機傳過來的信息并實施全局控制，還支持信息存儲和查詢等;從機以單片機為核心，負責某特定區域檢測人員情況，并與主機以電力線載波的方式進行通信，還負責該區域照明控制。下面就重要部分進行分別介紹。

圖1 硬件系統結構

1.1 主控制器

本系統的主控制器采用三星公司的S3C2410處理器，與電源電路、時鐘電路、存儲器系統及復位電路共同組成微控制系統。復位電路選用了系統監視復位芯片IMP811S[3]，可提供高效的電源監視功能，確保系統工作正常。

S3C2410是一款基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式處理器微處理器，運行頻率可達203 MHz，在此基礎上擴展了一系列完整的通用外圍接口單元，能夠提供高性價比的嵌入式解決方案。S3C2410系統外圍接口單元包括支持55個中斷源的中斷控制器，4路DMA控制器，117個通用I/O口，3個可編程波特率的UART，LCD控制器，8路10位A/D轉換器，SD卡接口，1個多主機I2C總線控制器，2個SPI接口等。

1.2 電力線通信接口

主機與多個從機之間的通信是基于電力線載波方式的，因此必須在一個變壓器供電范圍內。電力線載波通信的實現選用了高性能的通信芯片MI200E[4]，MI200E是一款針對低壓電力線環境優化設計的高性能通訊芯片，內部集成了諸如多階開關電容濾波器，高效數字放大器，CRC-16硬件校驗等多種電路，Mi200E數據速率為200～1 600 b/s。同時，通過系統設計，它可以實現200～1 600 b/s的自適應速率。MI200E的頻率為576 kHz，768 kHz和1152 kHz，該頻段符合歐洲標準。

圖2所示為S3C2410與MI200E芯片的硬件接線圖，圖中未給出MI200E的電源連接，實際使用需將其3個電源均接+5 V。S3C2410的SPI接口與MI200E的SPI引腳相連，并用GPF口控制其復位和片選，還將Q1和Q2的輸出接S3C2410的EINTO中斷引腳，這樣發送完畢就會產生中斷，以方便編程。圖2中各參數是在768 kHz的載波頻率[5]情況下給出的，若載波頻率變化，則參數應做適當調整。

從機側MI200E與單片機的連接與圖2類似，只需將MI200E的SPI口線、復位及片選與單片機普通I/O口相連，用模擬SPI方式進行通信即可[6]。

圖2 電力線載波通信接口方式

1.3 人機接口與信息存儲

為了便于自診斷與參數設置，系統加入了矩陣鍵盤和LCD顯示器。S3C2410內部含有一個LCD驅動控制器，能自動產生LCD驅動控制所需的控制信號，因此能與TFT型的彩色LCD屏直接連接，不需要外加控制器。本系統采用了南京普易電器公司生產的8寸的PY080TFT01型液晶屏。鍵盤通過ZLG7290芯片以I2C總線接口形式與S3C2410相連。

為了能夠將控制信息及照明管理信息進行存儲與查詢，系統加入了SD卡存儲裝置。由于S3C2410芯片本身帶有SD卡接口，因此只需將SD卡座與S3C2410的SD卡接口直接相連即可實現數據讀寫。

1.4 紅外檢測電路

從機要不斷檢測所轄區域的人員情況，因此設計了基于熱釋電紅外傳感器的檢測電路[7]，如圖3所示。

圖3 紅外檢測電路

該電路中選用了BISS0001集成芯片對熱釋電紅外傳感器的微弱信號進行放大處理。BISS0001是一款高性能的傳感信號處理集成電路，靜態電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構成被動式的熱釋電紅外傳感器。BISS0001的輸出引腳經三極管反向后與單片機的中斷引腳相連，這樣在檢測區域內有人員經過就會產生中斷。

2 主機系統軟件設計

在整個廣場照明控制系統中，S3C2410作為主機核心完成接收控制信息、接收從機信息、參數輸入與顯示、遠傳控制指令等功能。整個主機系統軟件部分包括主程序、人機接口程序、電力線載波通信程序、SD卡讀寫程序、照明控制程序、自診斷等功能模塊。由于軟件較復雜，所以實際編程中嵌入了μC/OS-Ⅱ實時操作系統。

2.1 μC/OS-Ⅱ實時操作系統

μC/OS-Ⅱ實時操作系統[8]是真正源碼公開的，采用占先式的實時內核，支持多達56個用戶任務，穩定性和可靠性高，而且移植方便，占用內存小。μC/OS-Ⅱ實時操作系統中各任務要分配不同的優先級，優先級用數字表示，數字越小其優先級越高。針對本系統中各任務的重要性，為各任務分配了表1所示的優先級。

表1 系統中的任務及優先級

任務描述優先級

Task0接收控制信息(讀鍵盤)0

Task1SD卡讀寫1

Task2LCD顯示2

Task3讀取從機信息3

Task4照明控制(發送控制信息給從機)4

Task5自診斷5

2.2 主程序

主程序完成S32410 GPIO初始化[9]、中斷初始化、SD卡初始化、SPI接口初始化、MI200E初始化、操作系統初始化、任務創建與操作系統的啟動等。

2.3 電力線載波通信程序

電力線載波通信程序[10]主要完成基于MI200E的數據發送和接收，要嚴格遵守其發送及接收時序。

MI200E 在發送時的數據包由8個字節組成，其中前4個字節中包含引導碼、后續發送采用的波特率以及數據長度;第5、6個字節為從機地址和控制信息;第7、8個字節為CRC校驗信息。每次發送數據前都需要對MI200E狀態寄存器的最高位(TI)進行查詢，只有在TI 為‘1’時，才能將數據配置進MI200E。

MI200E 處在接收狀態時，需要反復查詢狀態寄存器的RI/Carr/Frame 標志。當Carr/Frame 被硬件置‘1’后，先讀取接收模式寄存器，取出Package 信息，將接收到的波特率信息寫入模式寄存器，然后按照取得的數據長度進行接收。注意，每讀取一個字的數據前都需要查詢RI/Carr/Frame 標志，只有在RI/Carr/Frame 都被硬件置‘1’的情況下，再讀取MI200E 中的接收數據。在讀取完所有的數據，包括CRC校驗結果后，查詢狀態寄存器中的CRC標志，判斷是否已正確接收到了數據。

3 結 語

本文所設計的廣場分區照明系統具有成本低、響應快、可靠性高、通信距離遠、無需鋪設通信線纜等優點，對于信號的處理及照明控制方式可以通過修改程序來靈活改變，因此特別適用于空間較大的廣場、地下停車場、教室等場所。本系統在西安外事學院3#教學樓安裝試驗后，工作穩定，可及時將無人的教室燈光關閉，經改動還可關閉電風扇等電氣設備，因此大幅度地節約了電能，有著良好的推廣前景。

參考文獻

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