基于LED冷光源的智能路灯控制系统设计

作者：时间：2010-12-10 来源：网络收藏

3 通信的实现
整个系统采用分级通信机制，一级为监控终端和集中控制器的通信，另一级为集中控制器和路灯控制器的通信。
监控终端与集中控制器之间的通信采用GPRS。集中控制器监控和管理所在辖区所有的路灯，其和路灯控制器之间采用电力线载波通信。集中控制器可以独立工作，根据提前设定的方案开关灯、循环地收集所辖范围各路灯控制器的相关信息，每当完成所有路灯的一次信息收集时，集中控制器将刚收集到的各路灯控制器监测路灯的信息迅速反馈给监控终端，当集中控制器收到监控终端的命令时，将监控终端下达的命令解析并通过电力线载波通信发送给路灯控制器让其执行相关的动作。路灯控制器一直处于等待模式，其循环地收集该灯柱所有灯的电流及状态信息，一旦接收到有与本机地址相符的命令就执行相应的动作并反馈执行结果给集中控制器。通过这两级通信，整个监控系统的巡检周期可以大大缩短。
3．1 路灯控制器与集中控制器通信实现
为了便于系统的软硬件模块设计、调试，以及后续的系统调试、故障分析和系统升级等，本次设计采用了双CPU结构，两个CUP分别是PL3105(负责载波收发的相关控制)和宏晶的STCl2C5404AD(其他控制)。STCl2C5404AD单片机是一款高速、宽电压、低功耗的增强型8051内核单片机。由于设计中要求的实时性不高，这里直接采用串口通信，PL3105的RXD，TXD直接与STCl2C5404AD的RXD，TXD连接，通过编写单片机启动程序，对其初始化设置，根据通信协议完成集中控制器发布的各项动作。电压、电流采集电路分别通过HCT218及HPT304精密微型电压互感器感应交流的电压、电流，再通过I-V互换得出相应电压值。该路灯控制器是单灯操作，以同一变压器工作下的路灯为一局域，多个电力线载波模块连接在同一相线上，在主从通信模式下，模块分别单独工作。其硬件框图如图2所示。

3．1．1 电力线载波模块
电力线载波通信(Power Line Communication，PLC)是利用电力线载波实现信息传递的通信方式的统称。它具有诸多优点：如应用范围广、实现成本低、永久在线等。
电力线载波模块使用的PL3105芯片是专为自动抄表、智能信息家电以及远程监控系统而开发的单片系统芯片(SoC)。采用8051指令兼容的高速微处理器，软件易于开发；内嵌的载波通信控制单元使其具备了在低压电力线上组网远程通信的强大功能；CPU通过配置寄存器来实现对载波通信的控制，接口方便；扩频通信单元具有较强的抗带内同频干扰、灵敏度高的优点。
3．1．2 路由算法的实现
路由器是网络层的互联部件，可提供比网桥更丰富、灵活的网络互连功能，是目前使用最多的网络互连部件之一。路由算法是用软件方法实现路由的功能。
由于一般的电力载波芯片的可靠通信距离在500 m左右，在实际应用中远远超过最大通信距离，所以在本次设计的路灯控制器中增加了路由协议层，并以其性能优越的物理层设计及完善的网络通信协议，保证了可靠的网络通信性能。在同一辖区电力线上的设备只要整合入了此芯片及相关通信模块就可成为能利用电力线来进行控制的智能控制产品。
路由动作包括两项基本内容：寻径和转发。寻径即判定到达目的地的最佳路径，路径信息根据使用的路由算法不同而不同。路由算法根据许多信息来填充路由表，并通过交换路由信息维护、更新其路由表，路由更新信息通常包含全部或部分路由表，通过分析来自其他路由器的新信息，该路由器就可以建立起新的网络拓扑图。在一些环境复杂且大规模的项目中，采用动态路由算法，通过分析收到的路由更新信息来适应网络环境的改变。如果信息表示网络发生了变化，路由软件就重新计算路由并发出新的路由更新信息。这些信息渗入网络，促使路由器重新计算并对路由表做相应的改变，并且在适当的地方以静态路由作为补充，以使系统整体稳定运行。鉴于有些项目规模较小，载波网络的硬件十分固定，而且相对来说传输的数据也比较少，所以也可以只使用静态路由表算法，这使得算法更容易设计，工作效果也很好。转发即沿寻径好的最佳路径传送信息分组。
路由动作的操作过程主要包括下面几点：
(1)接收、分解数据包。当路由器接收到数据包之后，首先验证其合法性，然后把报头、报文和校验字节分离开来。再根据报头的不同，选择操作。
(2)对数据包进行处理。当接收到有效的报文时，路由器必须决定该数据是本地提交还是向前转发，当IP广播或多播时，也可能是一种混合的情况。对这些情况的判断，主要根据下面三个规则进行处理：
①当IP目的地址中有一个源路由选项时，根据路由表的相应表项将其发送到下一个站点，而不进行本地提交。
②当IP目的地址中的某一个地址与路由器的某个端口地址相符时，将进行本地提交。
③当IP目的地址是一个广播地址，或者是个既要转发又要本地提交的多播地址时，将同时进行两个操作。
(3)转发寻址。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何将分组发送到下一个站点(路由器或主机)，如果路由器不知道如何发送分组，通常将该分组丢弃；否则就根据路由表的相应表项将分组发送到下一个站点，如果目的网络直接与路由器相连，路由器就把分组直接送到相应的端口上。
(4)转发验证。在转发之前，路由器应该对数据包进行一些校验工作，而只有验证无误的时候才能进行转发，否则将数据包抛弃而重新提示数据包的广播源重发。这里的校验分为两个部分：一个是IP的验证，看是否接受到得数据包目标IP符合要求；二是具体数据的验证，看校验得到的数据是否有误。
3．2 路灯节能控制系统软件实现
3．2．1 集中控制器
主程序结构分为两个部分：一是初始化段，另一部分是循环主体。为了便于调试，维护，本设计中采用了多模块的组织结构。每个任务都是一个子函数，在主程序循环体中，逐一调用任务模块，这些模块功能的执行取决于其条件标志是否满足，主程序流程图如图3所示。
为了避免各任务抢占时钟资源，造成时间冲突，采取以下措施：
(1)根据任务的不同给予不同的时间调度。例如LCD显示刷屏处理只需要1 s调用一次；按键处理为10 ms调用一次；设备巡检按照设备编号5 min调用一次，定时处理程序流程图如图4～图6所示。