基于物聯(lián)網(wǎng)的LED路燈控制器設(shè)計(jì)

　　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(cè)路燈的照明狀況，也不能方便地對(duì)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(duì)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(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(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(shí)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(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(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(jì)算等領(lǐng)域。 其中，嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)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(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)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(gè)體都需要嵌入式系統(tǒng)來(lái)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(jì)了支持CDMA 及ISM 無(wú)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(tái)，實(shí)現(xiàn)與各類傳感器的連接，實(shí)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(jì)的路燈控制系統(tǒng)由3 個(gè)控制層、2個(gè)通信層組成。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 操作人員通過(guò)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(duì)接收數(shù)據(jù)分析、處理，并通過(guò)自組ISM 無(wú)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?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按原路徑返回給操作人員。 本文設(shè)計(jì)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(jì)。

　　圖1 路燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2 主控器設(shè)計(jì)

　　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(jì)，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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成； 壽命： 10， 000 次寫(xiě)/擦除周期； 具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū)； 通過(guò)片內(nèi)的啟動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)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(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash; 4K 字節(jié)的內(nèi)部SRAM; 可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)軟件加密； 具有JTAG 接口，方便程序在線調(diào)試、下載； 兩個(gè)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(wú)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(guò)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(guò)MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片和ATmega128 的UART1 口相連，實(shí)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(hào)用來(lái)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(jì)

　　本文選用nRF24l01 作為ISM 通信模塊無(wú)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(wú)線收發(fā)器芯片，無(wú)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(guò)SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。 它具有內(nèi)置鏈路層，自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能、地址及CRC 檢驗(yàn)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(gè)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(shí)電流消耗為9. 0mA，接收模式時(shí)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(gè)字節(jié)，對(duì)應(yīng)著屏上的一個(gè)像素點(diǎn)，因此，8 位256 彩色顯示的顯示緩存與LCD 屏上的像素點(diǎn)是字節(jié)對(duì)應(yīng)的。 每個(gè)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(shí)，首先要給顯示緩存區(qū)一個(gè)首地址，這個(gè)地址要在4 字節(jié)對(duì)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(guò)配置相應(yīng)的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 之后，接下來(lái)的76800 字節(jié)，就為顯示緩存區(qū)，這里的數(shù)據(jù)會(huì)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(guò)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(dòng)觸摸液晶屏模塊。 四線觸摸屏坐標(biāo)獲取通過(guò)AD7843 采集實(shí)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(diǎn)控制器設(shè)計(jì)

　　節(jié)點(diǎn)控制器包括： MCU 控制模塊、調(diào)光模塊、無(wú)線通信模塊，結(jié)構(gòu)如圖5 所示：

　　圖5 節(jié)點(diǎn)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(chǔ)器。 使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造