基于物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)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(jìn)行遠(yuǎn)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(jìn)行調(diào)控，通信協(xié)議比較復(fù)雜，建設(shè)成本和運(yùn)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(diǎn)任何人之間的溝通連接擴(kuò)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(jī)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(yán)格要求的專用計算機(jī)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(yùn)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(jī)將需求數(shù)據(jù)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(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(diǎn)控制器; 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)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(dú)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(jìn)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(jī)/從機(jī)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(yuǎn)程無線傳輸提供透明的TCP /IP 通道，主要完成主控器與遠(yuǎn)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(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(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(qiáng)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(jìn)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.