基于物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)的LED路燈控制器設計

目前，所使用的大功率LED 路燈大部分都是簡(jiǎn)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(dòng)檢測路燈的照明狀況，也不能方便地對路燈進(jìn)行遠程及本地調控。 并且現有的照明管理系統大都采用有線(xiàn)電纜控制照明燈具，對LED 路燈進(jìn)行調控，通信協(xié)議比較復雜，建設成本和運營(yíng)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(shí)現LED 路燈的智能控制。

　　物聯(lián)網(wǎng)，是指將各種信息傳感設備，如射頻識別( RFID) 裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結合起來(lái)而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò )，將溝通從任何時(shí)間任何地點(diǎn)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)鍵在于射頻標簽、傳感器、嵌入式系統及傳輸數據計算等領(lǐng)域。 其中，嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。 嵌入式系統是物聯(lián)網(wǎng)的“大腦“和“中樞神經(jīng)”，物聯(lián)網(wǎng)內的所有個(gè)體都需要嵌入式系統來(lái)傳輸和處理處理信息，嵌入式系統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用背景，設計了支持CDMA 及ISM 無(wú)線(xiàn)通信的智能路燈控制器，將物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)應用其中，利用控制器提供的專(zhuān)用接口和CDMA 網(wǎng)絡(luò )平臺，實(shí)現與各類(lèi)傳感器的連接，實(shí)現“人—物”、“物—物”、“物—人”之間的信息交流。

　　1 路燈控制系統

　　本文設計的路燈控制系統由3 個(gè)控制層、2個(gè)通信層組成。 系統的結構如圖1 所示。 操作人員通過(guò)監控軟件或手機將需求數據發(fā)送到CDMA網(wǎng)絡(luò )進(jìn)而傳送給路燈主控器; 路燈主控器對接收數據分析、處理，并通過(guò)自組ISM 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將數據送給節點(diǎn)控制器; 節點(diǎn)控制器做出響應并發(fā)出返回數據，數據按原路徑返回給操作人員。 本文設計了系統核心部分： 智能路燈控制器，包含了主控器及節點(diǎn)控制器的設計。

圖1 路燈控制系統結構圖

　　2 主控器設計

　　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，結構圖2所示。

圖2 主控器結構圖

　　2. 1 主控模塊

　　在主控模塊采用核心板設計，結構如圖3 所示。

圖3 主控模塊結構圖

　　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，大多數指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內完成; 壽命： 10， 000 次寫(xiě)/擦除周期; 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區; 通過(guò)片內的啟動(dòng)程序實(shí)現系統內編程; 真正的讀- 修改- 寫(xiě)操作硬件乘法器只需兩個(gè)時(shí)鐘周期; 具有128K 字節的系統內可編程Flash; 4K 字節的內部SRAM; 可以對鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現軟件加密; 具有JTAG 接口，方便程序在線(xiàn)調試、下載; 兩個(gè)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 模塊內部封裝了完善的TCP /IP 等協(xié)議棧，可為遠程無(wú)線(xiàn)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，完成指令數據的雙向傳輸。 CDMA 模塊與主控器通過(guò)UART1 雙向傳送數據。 本系統選用電信公司提供的CDMA 模塊，通過(guò)MAX232 電平轉換芯片和ATmega128 的UART1 口相連，實(shí)現全雙工的數據通信。 模塊采用5V 供電，ATmega128 的PD6 口經(jīng)MAX232 電平轉換芯片轉換后接到模塊的DTR.

　　DTR 信號用來(lái)通知CDMA 模塊準備發(fā)送數據還是發(fā)送已經(jīng)結束。

　　2. 3 ISM 通信模塊

　　ISM 通信模塊主要完成主控器與節點(diǎn)控制器通信，模塊芯片及接口如圖4 所示。

圖4 ISM 模塊芯片及接口設計

　　本文選用nRF24l01 作為ISM 通信模塊無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片，無(wú)線(xiàn)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、調制器解調器、輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過(guò)SPI 接口進(jìn)行設置。 它具有內置鏈路層，自動(dòng)應答及自動(dòng)重發(fā)功能、地址及CRC 檢驗功能、數據傳輸率1 或2Mbps、SPI 接口數據速率0 ～ 8Mbps、125 個(gè)可選工作頻道。 芯片具有極低的電流消耗，當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為- 6dBm 時(shí)電流消耗為9. 0mA，接收模式時(shí)為12. 3mA.