基于物聯(lián)網(wǎng)的LED路燈控制器設(shè)計
目前,所使用的大功率LED 路燈大部分都是簡單的直接照明,缺少必要的智能控制,或者有些雖然具備有智能控制的功能,但是卻不能自動檢測路燈的照明狀況,也不能方便地對路燈進行遠程及本地調(diào)控。 并且現(xiàn)有的照明管理系統(tǒng)大都采用有線電纜控制照明燈具,對LED 路燈進行調(diào)控,通信協(xié)議比較復(fù)雜,建設(shè)成本和運營成本都比較高。 本文將物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)引入路燈控制器,實現(xiàn)LED 路燈的智能控制。
物聯(lián)網(wǎng),是指將各種信息傳感設(shè)備,如射頻識別( RFID) 裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò),將溝通從任何時間任何地點任何人之間的溝通連接擴展到人與物( Human to Thing) 和物與物( Thing to Thing) 之間的溝通連接。 發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵在于射頻標(biāo)簽、傳感器、嵌入式系統(tǒng)及傳輸數(shù)據(jù)計算等領(lǐng)域。 其中,嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心,以計算機技術(shù)為基礎(chǔ),軟硬件可裁剪,適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的“大腦“和“中樞神經(jīng)”,物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的所有個體都需要嵌入式系統(tǒng)來傳輸和處理處理信息,嵌入式系統(tǒng)的好壞將直接影響物聯(lián)網(wǎng)的運做。
本文以路燈控制器為應(yīng)用背景,設(shè)計了支持CDMA 及ISM 無線通信的智能路燈控制器,將物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)應(yīng)用其中,利用控制器提供的專用接口和CDMA 網(wǎng)絡(luò)平臺,實現(xiàn)與各類傳感器的連接,實現(xiàn)“人—物”、“物—物”、“物—人”之間的信息交流。
1 路燈控制系統(tǒng)
本文設(shè)計的路燈控制系統(tǒng)由3 個控制層、2個通信層組成。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 操作人員通過監(jiān)控軟件或手機將需求數(shù)據(jù)發(fā)送到CDMA網(wǎng)絡(luò)進而傳送給路燈主控器; 路燈主控器對接收數(shù)據(jù)分析、處理,并通過自組ISM 無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)送給節(jié)點控制器; 節(jié)點控制器做出響應(yīng)并發(fā)出返回數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)按原路徑返回給操作人員。 本文設(shè)計了系統(tǒng)核心部分: 智能路燈控制器,包含了主控器及節(jié)點控制器的設(shè)計。
圖1 路燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2 主控器設(shè)計
主控器包括: ATmega128 主控模塊、CDMA 通信模塊、ISM 通信模塊、顯示輸入模塊,結(jié)構(gòu)圖2所示。
圖2 主控器結(jié)構(gòu)圖
2. 1 主控模塊
在主控模塊采用核心板設(shè)計,結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
圖3 主控模塊結(jié)構(gòu)圖
主控芯片采用AVR ATmega128 芯片。 ATmega128是高性能、低功耗的AVR8 位微處理器,它的運行速度快,大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成; 壽命: 10, 000 次寫/擦除周期; 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區(qū); 通過片內(nèi)的啟動程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程; 真正的讀- 修改- 寫操作硬件乘法器只需兩個時鐘周期; 具有128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash; 4K 字節(jié)的內(nèi)部SRAM; 可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)軟件加密; 具有JTAG 接口,方便程序在線調(diào)試、下載; 兩個可編程的串行USART; 可工作于主機/從機模式的SPI 串行接口。
2. 2 CDMA 模塊
CDMA 模塊內(nèi)部封裝了完善的TCP /IP 等協(xié)議棧,可為遠程無線傳輸提供透明的TCP /IP 通道,主要完成主控器與遠程控制中心通信,完成指令數(shù)據(jù)的雙向傳輸。 CDMA 模塊與主控器通過UART1 雙向傳送數(shù)據(jù)。 本系統(tǒng)選用電信公司提供的CDMA 模塊,通過MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片和ATmega128 的UART1 口相連,實現(xiàn)全雙工的數(shù)據(jù)通信。 模塊采用5V 供電,ATmega128 的PD6 口經(jīng)MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后接到模塊的DTR.
DTR 信號用來通知CDMA 模塊準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)還是發(fā)送已經(jīng)結(jié)束。
2. 3 ISM 通信模塊
ISM 通信模塊主要完成主控器與節(jié)點控制器通信,模塊芯片及接口如圖4 所示。
圖4 ISM 模塊芯片及接口設(shè)計
本文選用nRF24l01 作為ISM 通信模塊無線收發(fā)芯片。 nRF24l01 芯片是工作在2. 4 ~ 2. 5GHz 世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片,無線收發(fā)器包括: 頻率發(fā)生器、增強型SchockBurstTM 模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器解調(diào)器、輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI 接口進行設(shè)置。 它具有內(nèi)置鏈路層,自動應(yīng)答及自動重發(fā)功能、地址及CRC 檢驗功能、數(shù)據(jù)傳輸率1 或2Mbps、SPI 接口數(shù)據(jù)速率0 ~ 8Mbps、125 個可選工作頻道。 芯片具有極低的電流消耗,當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為- 6dBm 時電流消耗為9. 0mA,接收模式時為12. 3mA.
2. 4 顯示輸入模塊
本文選擇TFT034 觸摸液晶模塊用作顯示及控制指令輸入。 TFT034 采用四線電阻觸摸屏作為輸入,320x240 像素的8 位數(shù)據(jù)的256 彩色LCD屏作為顯示輸出。
320x240 像素的8 位數(shù)據(jù)的256 彩色LCD 屏,顯示一屏所需的顯示緩存為320 × 240 × 8bit,即76800 字節(jié),在顯示中每個字節(jié),對應(yīng)著屏上的一個像素點,因此,8 位256 彩色顯示的顯示緩存與LCD 屏上的像素點是字節(jié)對應(yīng)的。 每個字節(jié)中又有RGB 格式的區(qū)分,既有332 位的RGB,又有233 的格式。 在彩色圖象顯示時,首先要給顯示緩存區(qū)一個首地址,這個地址要在4 字節(jié)對齊的邊界上,而且,需要在SDRAM 的4MB 字節(jié)控制之內(nèi)。 它是通過配置相應(yīng)的寄存器來實現(xiàn)的。 之后,接下來的76800 字節(jié),就為顯示緩存區(qū),這里的數(shù)據(jù)會直接顯示到LCD 屏上去。 屏上圖像的變換是由于該顯示緩存區(qū)數(shù)據(jù)的變換而產(chǎn)生的。 觸摸液晶屏通過26腳排線與主控器相連,主控器IO 口數(shù)據(jù)可直接驅(qū)動觸摸液晶屏模塊。 四線觸摸屏坐標(biāo)獲取通過AD7843 采集實現(xiàn),程序代碼如下:
void int0_isr( void) {
Coor_Y1 = Measure_Coordinate( 0xd6) ;
Coor_Y1 = ( Coor_Y1 > > 4) &0x0fff;
Coor_X1 = Measure_Coordinate( 0x96) ;
Coor_X1 = ( Coor_X1 > > 4) &0x0fff;
Coor_Y = ( unsigned int) ( ( unsigned long int)( Coor_Y1 - Y_T) * 320 /( Y_B - Y_T) ) ;
Coor_X = ( unsigned int) ( ( unsigned long int)( Coor_X1 - X_T) * 240 /( X_B - X_T) ) ;
PutPixel( Coor_X,Coor_Y,_RED_COLOR) ;
EIFR| = ( 1 < < INTF0) ; / /clr extend ints flag bit}
unsigned int Measure _ Coordinate ( unsigned char ControlByte)
{
unsigned char i;
unsigned int Coordinate;
CLR_AD7843_CS( ) ;
for( i = 0; i < 8; i + + ) {
CLR_AD7843_CLK( ) ;
if( ControlByte&0x80) SET_AD7843_DI( ) ;
else CLR_AD7843_DI( ) ;
ControlByte = ControlByte < < 1;
SET_AD7843_CLK( ) ;
CLR_AD7843_CLK( ) ; }
while( AD7843_BUSY_FLAG = = 0) ;
CLR_AD7843_DI( ) ;
for( i = 16; i > 0; i - - ) {
CLR_AD7843_CLK( ) ;
SET_AD7843_CLK( ) ;
Coordinate < < = 1;
if( AD7843_DO_STATE)
{ Coordinate | = 0x0001; } }
SET_AD7843_CS( ) ;
return( Coordinate) ; }
3 節(jié)點控制器設(shè)計
節(jié)點控制器包括: MCU 控制模塊、調(diào)光模塊、無線通信模塊,結(jié)構(gòu)如圖5 所示:
圖5 節(jié)點控制器結(jié)構(gòu)圖
3. 1 MCU 控制模塊
MCU 控制模塊采用STC89C52 芯片。
STC89C52 是一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器,具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。 使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造
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