LED路灯远程控制系统.docx
- 文档编号:20187367
- 上传时间:2023-04-25
- 格式:DOCX
- 页数:21
- 大小:297.79KB
LED路灯远程控制系统.docx
《LED路灯远程控制系统.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《LED路灯远程控制系统.docx(21页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
LED路灯远程控制系统
插图清单
LED路灯远程控制系统
摘要
路灯是城市照明的重要组成部分,全球的路灯正在经历一场技术革命。
大功率LED路灯各方面性能远远超过传统路灯,LED路灯替换高压钠灯,是今后节能减排的大趋势。
我国实施“十城万盏”工程,计划将目前约2,000-2,500万盏传统路灯照明,逐步置换成LED照明,LED路灯市场前景非常广阔。
在要求节能、环保的同时,管理人员还希望新型的LED路灯系统是能够远程控制的、易操作、智能化、自动管理的城市照明系统,它能节约能源、降低维护费用、提高管理效率,为及时处理各种突发事件和故障提供有效的保障,同时为公众提供更人性化、更安全的公共照明服务。
本课题是在现有的LED照明驱动电源上,加装无线收发装置,采用单灯定位数据采集控制模式,通过GPRS无线数据传输平台,构建无线网络拓扑结构,在中控计算机上实现大规模照明系统的控制、监测和管理等。
系统由单灯控制器、GPRS无线通信平台和监控中心等单元构成,为当今提倡的“节能减排”型社会提供了一个完整的智能化照明设备管理的有效解决方案。
本课题来源于指导教师与企业合作的产学研课题。
旨在通过讨论、研究,提出一种基于GPRS无线通信技术的路灯照明系统远程控制的解决方案,不一定能实际投入运行。
相信,随着对公共照明服务的要求提高,人们对路灯的远程控制的技术会更加关注。
我也将与我的指导老师、合作企业一起,努力完善方案,能够进入实用。
关键词:
LED照明;GPRS;远程控制;节能减排
LEDstreetlampremotecontrolsystem
Abstract
Citystreetlightingisanimportantpartoftheglobalstreet,isnowundergoingatechnologicalrevolution.LargepowerLEDlampvariousaspectsperformancefarexceedsthetraditionallights,LEDlightstoreplacethehigh-pressuresodiumlamp,isthefuturetrendofenergysavingandemissionreduction.China'simplementationofthe"TenCity"projectplan",aboutthecurrent2000-2500millionlamptraditionalstreetlighting,andgraduallyreplacedbyLEDlighting,LEDlightsmarketforegroundisverywide.Attherequestofenergysaving,environmentalprotectionatthesametime,managersalsohopesthenewLEDstreetlampsystemiscapableofremotecontrol,easytooperate,theintelligent,automaticmanagementofcitylightingsystem,itcansaveenergy,reducemaintenancecost,improvetheefficiencyofmanagement,forthetimelyprocessingofallkindsofunexpectedeventsandfailuretoprovideeffectiveprotection,atthesametimeforthepublictoprovidemorehumane,moresecurepubliclightingservices.
ThistopicisavailableintheLEDilluminationdrivingpowersource,wirelesstransmittingandreceivingdevice,usingasinglelamppositioningdataacquisitionandcontrolmode,throughtheGPRSwirelessdatatransmissionplatform,awirelessnetworktopologystructure,controlinthecomputertorealizethelarge-scalelightingsystemcontrol,monitoringandmanagement.Thesystemconsistsofasinglelampcontroller,GPRSwirelesscommunicationplatformandcontrolcenterandotherunits,astheadvocateofthe"energy-savingemissionreduction"societyprovidesacompleteintelligentlightingequipmentmanagementsolution.
Thistopicoriginatesfromtheinstructorandenterprisecooperationresearchtopic.Throughdiscussion,research,proposedonekindbasedontheGPRSwirelesscommunicationtechnologyofremotecontrollightingsystemsolutions,notnecessarilycanactuallyputintooperation.Believe,asthepubliclightingservicerequirementsimprove,peopleonthestreetlightremotecontroltechniquewillbemoreattention.Iwillbewithmyinstructor,cooperativeenterprisestogether,andstrivetoimprovetheprogram,canenterthepractical.
Keywords:
LEDlightin;GPRS;Remotecontrol;Energysavingandemissionreduction
第一章绪论
LED以其绿色、高效、可靠、耐用的优势,其应用可以说无处不在。
大功率LED成本不断降低,替代传统灯具已成为不可逆转的趋势。
LED路灯具有优越的性能,发光效率高、灯具反射损失低,节省能源70%;稳定性能好,产品寿命长,不需交流高压,安全性高;是高效、节能的、安全的绿色光源。
还可以配合控制系统,可实施远程自动遥控亮度等。
LED路灯已成为半导体照明行业的热点。
相对于其它传统照明路灯,人们对LED路灯系统提出了进一步需求,需要根据时间段、根据人流量、根据天气等情况能够远程局部可调可控,极大地增加了管理的难度和工作量,这使得为LED照明系统设计一个智能控制系统成为一个迫切的需求。
LED照明系统也只有实现智能化,才能充分发挥先进的LED路灯系统的各种优势,加快LED路灯照明系统的普及进程。
LED路灯远程控制的系统的设计时应当考虑到如下技术因素:
1、低功耗:
LED路灯的一大重要的特性就是高效能。
无论路灯是否开闭,远程控制的系统都需处于工作状态,这时照明系统的能耗是路灯与控制系统的总和。
2、通信范围:
由于需要单灯数据采集,一般需要覆盖数千米的范围。
3、通信速率:
如果仅仅是满足调光控制、状态采集,一般只需100Kbps以下速率即可。
目前,可以通过无线链路控制或利用PLC技术通过现有的照明系统控制。
本课题提出了一种基于GPRS的无线链路远程控制的设计方案,可以实现对单灯的电流、电压、功率因数的测量,从而实现单灯的电流运行监控。
第二章系统的组成
城市照明系统一般由多条线路组成,每条线路控制几十到几百盏路灯。
我们在每一个单灯都安装一套单灯控制器,具备无线接收、发射功能,采集该灯的电压、电流等状态参数,经网络传输到电力线路端点的控制柜中的GPRS网关,经网关接入公网,传输到监控中心。
监控中心采集到所有路灯的状态数据,依据管理员指令,将控制信令发到各各路灯,远程实现各单灯的开启、关闭或调光。
2.1系统组成
整个控制系统由单灯控制器、GPRS网关、监控中心和管理平台组成。
其中单灯控制器和GPRS网关组成无线传感网络。
图2-1系统构架图
本课题的任务主要是研究LED路灯的开关、亮度实现远程控制。
由图2-1可以看出,系统是一个上下行双向数据传输控制系统,上行传输的主要是LED路灯的状态参数。
硬件模块采集路灯电气参数,并通过单片机控制,由MC35GPRS模块发往GPRS网关,经网关利用互联网与监控中心建立通信。
监控中心可以及时了解LED路灯的状态,方便及时监控。
下行数据传输的主要是监控中心的管理指令。
监控中心通过互联网将数据传递给GPRS网关,并由GPRS网关调配数据到每一个单灯控制器。
2.2单灯控制器
由单片机89C52和通信模块MC35GPRS通信模块的组成。
利用原有的LED路灯驱动电源,经过稳压转换后直接给单灯控制器电路供电。
同一条线路上的单灯控制器组成无线传感器网络。
控制器接收发送数据主要依靠通信模块MC35GPRS,并通过串行口将控制程序传送单片机,单片机根据控制程序运行,进而完成对驱动的控制及PWM调节。
这样就可以控制LED光源的开关和亮度调节。
2.3GPRS网关
采用分组交换技术,将数据以分包的方式上下行传输,优化了对计算机网络资源和无线通信资源的利用,支持IP协议和X.25协议。
GPRS控制路灯是使用GPRS模块并使用通信公司的服务。
GPRS控制范围广,模块化好,集成度高,抗干扰能力强。
但是单独的GPSR路灯控制只是控制一条路上的路灯,无法实现单双灯控制等节能算法,且造价高昂,使用费用较高。
2.4监控中心
接受网关数据,对LED路灯实时监控;发出管理员指令,远程管理LED路灯系统。
2.5管理平台软件
管理人员能够通过管理平台软件将原始监测数据生成,可在其他通用软件上使用的基础数据文件,并可以进行数据编辑;能够对网关数据进行分析、统计产生日报表;能够通过管理平台对系统发送控制指令等。
第三章单灯控制器的设计
单灯控制器是在现有的LED照明驱动电源上,加装智能检测、控制和无线收发装置,完成LED路灯状态信息采集、根据监控中心的指令控制LED路灯工作、通过GPRS无线通信平台进行数据传输。
主要由单片机、通信模块、电源模块、检测电路组成,框架图如图3-1所示。
图3-1单灯控制器的电路组成图
3.1电路设计及工作原理
单片机89C52是控制器的核心器件。
ADC0809、DS18B20以及光敏器件构成检测电路,检测LED灯具的亮度、温度状态和环境亮度。
检测数据保存在存贮器中保存,同时通过MC53GPRS通信模块传输给网关,再经互联网与监控中心通信。
MC53通信模块将网关传送的监控中心指令以串行通信方式与89C52建立通信。
89C52根据监控中心指令规定,通过PWM控制LED光源模块的开、关和调亮。
考虑到数据存储所需容量较大,系统中扩展了64KRAM(6264A)作为单片机的存贮器,单灯控制电路如图3-2所示。
图3-2单灯控制器电路图
3.2单片机89C52及其存储电路
89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K可编程Flash存储器,完全与80C51产品指令和引脚兼容。
单芯片中拥有8位CPU和在线系统可编程Flash。
其引脚排列如图3-3所示,主要引脚功能如图3-3所示:
图3-389C52的引脚图
19脚XTAL1:
采用内部时钟信号时,接外部晶振的一个引脚;采用外部时钟信号时,此脚接地。
18脚XTAL2:
采用内部时钟信号时,接外部晶振的一个引脚;当采用外部时钟信号时,外部信号由此脚输入。
9脚RST/Vp0:
复位信号输入;Vcc掉电后,此脚可接上备用电源,在低功耗条件下保持
16脚P3.6(WR):
外部数据存储器写选通,低电平有效。
17脚P3.7(RD):
外部数据存储器读选通,低电平有效。
89C52的接口资源:
P0:
并行I/O接口。
作为通用的I/O口时,P0口的引脚以“开漏”的方式输出,必需外加上拉电阻。
作为外部程序或数据存储器的数据/地址总线时,内部控制信号为高电平。
P1:
已具有内部的上拉功能,可作为准双向口(用作输入时引脚被拉成高电平)使用。
P2:
具有内部的上拉功能,可作为准双向口(用作输入时引脚被拉成高电平)使用,也作为外部程序或数据存储器的高地址总线。
P3:
具有内部的上拉功能,可作为准双向口(用作输入时引脚被拉成高电平)使用。
89C52的片外8K*8RAM扩展电路如图3-4所示。
图3-489C52片外RAM扩展电路图
考虑到数据存储所需容量较大,系统中扩展了64KRAM(6264A)作为单片机片外的存贮器。
3.3检测电路的设计
单片机对LED灯具的温度、光源亮度和环境亮度进行检测。
检测电路如图3-5所示。
使用了光敏电阻、光敏三极管、数字温度传感器等,测量周围环境情况和路灯的工作情况。
1、LED灯具亮度测量数据是模拟信号,经放大电路处理后进入ADC0809处理成为数字信号,由单片机89C52存储、运算、处理。
(1)模拟小信号的放大
被测物理量经传感器转换得到的电信号的幅度往往很小,无法进行A/D转换,因此需对这些模拟电信号进行放大处理。
为使电路简单又便于调试,本课题采用集成运算放大器(简称运放)。
运放是一种输入阻抗高、输出阻抗底、放大倍数高且便于调试的优质放大器。
集成运放内部电路通常由偏置电路、差动输入电路、中间放大电路、输出及过载保护电路组成。
运放的开环放大倍数可达
。
当它构成闭环负反馈放大电路时,其电压放大倍数只取决于电阻值的比较,与运放的本身参数无关,安装调试十分简单。
在分析运放时,一般将它看成理想运放。
设计中认为理想运放的开环放大倍数为无穷大,输入偏置电流为零,输入电阻为无穷大,输出电阻为零,失调电压和失调电流及温漂为零。
根据运算电路的基本分析方法,在下图所示电路中,
因而
(3-1)
即:
(3-2)
所以输出电压
=-
(3-3)
设
,则
(3-4)
当
时,由于
,R2中电流为零,
,输出电压
。
可见,电路放大差模信号。
差模放大倍数数值愈大,共模抑制比愈高。
当输入信号中含有共模噪声时,也将被抑制。
图3-5检测放大电路
在不考虑误差的情况下,从传感器输出的压力小信号是0~145mv,此时通过放大电路给其放大20倍,然后将其送给A/D转换器进行模数转换,即可得到设计要求。
根据以上要求在上面公式的参考下,取Rf=R=10K,R1=49K,R2=10K。
(2)ADC0809模数转换
在实际测量系统中常会遇到时间、数值都连续变化的物理量。
这种连续变化的物理量称之为模拟量。
显然,模拟量要输入到计算机,首先要经过模拟量到数字量的转换(简称A/D转换),计算机才能接收。
实现模/数转换的设备称A/D转换器或ADC。
我在此次用到ADC0809A/D转换器。
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器逐次逼近(即分辨率8位),具有转换起停控制端、模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
因此,ADC0809可处理8路模拟量输入,且有三态输出能力,既可与各种微处理器相连,也可单独工作。
输入输出与TTL兼容。
(3)89C52与ADC0809的接口
单片机P1口连接ADC0809,用于接收模数转换的数据,如图3-6所示。
ADC0809的CLOCK时钟由单片机ALE提供,P2.5连接AD0809的OE端,允许AD0809转换输出;P2.4连接AD0809启动START。
选择AD0809模拟输入IN0端为LED灯亮度信号(模拟)输入,通过内部AD转换,转换成数字信号,并通过P1口传送给单片机。
本设计只用到了通道0,所以ADD-A、ADD-B、ADD-C都接地。
图3-6单片机与ADC0809连接
2、DS18B20是数字温度传感器,可以将LED灯具温度直接采集为数字信号,由单片机89C52存储、运算、处理。
单片机实时监控路灯的温度、亮度情况,如果传感器的测量值超过了阈值,即路灯工作可能发生异常,单灯控制器控制路灯关闭,并将报警信息通过通信模块发送给计算机监控中心。
3、使用光敏三极管传感器测量周围环境的光亮度,当傍晚时周围环境还有余光时,将路灯开启为单双灯模式,当晚上天全黑了以后,将路灯全部打开,当凌晨4点左右出现晨光时将路灯调节成半功率工作模式。
在阴天和沙尘暴天气时,光敏传感器坚持到道路能见度低,路灯也可自动打开,保证道路正常照明。
3.4LED照明驱动的设计
电路分三个单元电路。
分别是原LED路灯AC-DC36V驱动电路(图中虚框内电路)、单片机控制的PWM电路、DC-DC(恒流900mA)的可调可控电路,能够驱动100WLED负载。
电路的工作原理如图3-7。
单片机89C52的P2.1置1,则Q4截止,Q4也进入截止状态,LED无电流,光源不工作。
反之,LED经稳压、恒流构成通道,进入正常工作。
但工作的电流取决与Q4的脉冲信号的占空比。
89C52利用单片机内部的定时器,通过编程在P2.0口形成脉宽可控的PWM信号,光耦6N137耦合PWM信号控制Q4,从而控制Q2。
改变脉宽,就可以改变LED的电流,达到调光目的。
图3-7LED光源的受控过程
LED驱动电路如图3-8。
UCC28811是TI公司的通用照明电源控制器,具有PWM和PFC功能,可以保证设计方案满足谐波电流或功率因数要求。
图3-8LED驱动电路的改造设计
高效的专用驱动IC提高了电源转化效率。
在低负荷线路(low-line)运行状态下,升压跟随器可跟踪AC输入的峰值电压,在输入电压±15%的变动时,仍能保持输出电流变动稳定在±10%内。
3.5通信模块的设计
我们选用了MC35作为GPRS模块,完成数据的采集和传输工作。
并且通过开通MC35模块,由计算机发送指令经过GPRS模块,可以通过无线网络与PC机相连,从而获取PC机下发的数据指令,本系统用MC35芯片作为传输数据指令的模块。
它具有GPRS技术带来的一切优点,如一直在线和提供高速价廉的数据传送服务等。
MC35是西门子移动通讯出品的第一款GPRS模块,MC35向上兼容全部TC35功能,此外还集成了高速GPRS技术。
可将GPRS技术广泛集成于移动电脑、PDA、智能电话以及其它设备之中。
具备持久的在线连接、快速数据接入、高速数据传输速率等特点。
MC35模块主要由射频天线,内部Flash、SRAM、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的ZIF插座组成。
GSM基带处理器是核心部件,其作用相当于一个协议处理器,用来处理外部系统通过串口发送AT指令,射频天线部分主要实现信号的调制和解调,以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换,匹配电源为处理器基射频部分提供所需的电源。
只要将MC35串口与MCU连接后,传输控制数据即可。
模块具体参数如下:
支持EGSM900/GSM1800双频;
支持GRPSClass8/ClassB;
支持GSMphase2/2+;
输出功率:
EGSM900时,2W/GSM1800,1W;
输入电压:
3.3-4.8V;
功耗:
休眠状态,3.0mA;空闲状态,10.0mA;发射状态,300mA(平均),2.0A(峰值)控制:
AT指令直接控制;
数据速率:
CSD状态下最大速率14.4kbps,GPRS状态下行最大速率85.6kbps;
接口:
40pin;
包括电源、3VSIM卡、RS232接口、语音、控制等管脚/50Ω天线接口;
图3.9单片机89C52与GPRS模块MC35串口通信
MC35的数据接口电平是MOS电平2.65V,89C52的输出高电平是4V,因此,单片机89C52对通信模块MC35的控制以及数据传输都需要有电平转换电路。
图中使用了三个7407,就是用来电平转换的。
3.6单灯控制器的控制流程
在完成了硬件结构各个模块的设计之后,需要在硬件的基础上,完成程序的设计,以实现单片机对LED的控制。
此次程序设计的要求是控制LED的状态。
控制过程首先需要将PWM的调节程序在计算机终端上编写,由于GPRS网络与Internet有共同的协议,故可以进行数据传输,GPRS通信模块接收来自GPRS网络的程序,并将程序经串行口传输给89C52处理,该程序在单片机上运行时就可以按照预设的目标控制P1.0的时钟电路,以达到PWM调节LED状态的效果。
MC35采用的是AT指令,计算机利用AT指令对MC35进行初始化和数据传输,传输的流程框图如下所示:
图3-10传输流程框图
第四章无线网络数据传输
4.1GPRS数据传输一般过程
连接阶段:
MS在能够向相应主机发送数据之前,它首先在物理层上与GPRS网络建立连接,与某个SGSN建立连接,使GPRS网络能够管理MS。
通过SGSN在GGSN中注册获得MS的PDP地址并建立分组传送的路由。
以上三步分别称为物理连接、GMM连接和SM连接。
我们的单灯控制器中MC35就可以当作一个MS,传输过程图如图4-1所示。
图4-1GPRS数据传输一般过程
数据交换阶段:
在连接SGSN并激活PDP前后关系后,就能够向网络发送和接收来自网络的分组数据。
MS(单灯控制器)发起的数据传输过程如图4-2所示。
图4-2MC35GPRS发起的分组数据传输过程
分离阶段:
GPRS的分离有两种,一种是PDP的去激活,删除PDP前后关系;另一种是断开同GPRS的连接,移动台的移动性管理转移到空闲状态。
其中后者把移动台的所有被激活的PDP前后关系去激活。
4.2GPRS无线通信系统原理
在本设计中GPRS模块相当于一个无线调制解调器,而且GPRS模块需要通过PPP(LCP/PAP/IPCP)先和运营商的Internet接入服务器连接,然后才能应用UDP协议与计算机进行通信,在目前的GPRS无线网络中,GPRS通信模块就是附着GPRS无线通信网络,进而获得属于其的IP,从而可以连接远程计算机的IP和端口,而计算机就是通过AT指令设置GPRS通信模块,如果应用系统是基于操作系统的,有较强系统功能,可以完整的采用PPP协议。
为了了解整个网络结构,还必须先了解对应的计算机网络结构,尤其是其UDP协议。
图4-3GPRS网络与计算机网路数据传输
本设计主要了解七层结构中的部分结构,应用层负责处理特定的应用程序细节。
TCP协议是为两个
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- LED 路灯 远程 控制系统