智能型节能路灯控制器的研究与实现

1、计算机应用文章编号：（）智能型节能路灯控制器的研究与实现王健，褚晓广（安徽工业大学电气信息学院，马鞍山）摘要：介绍了智能型路灯控制器的节能原理，提出了协议在单片机上简化实现。重点介绍了控制器的主要功能及其软硬件设计。关键词：远程控制；单片机；以太网控制器；协议；现场可编程门阵列中图分类号：文献标志码：，（，）：，：；（）；（）目前，中小城市的路灯一般采用单相变压器专供，到了深夜用电负荷减轻，电网电压升高，这将大大降低灯泡的使用寿命。因此，路灯在深夜过高电压下运行会大大浪费电能。科学地控制路灯电压，不仅能满足人们行路行车的安全，还能节约电能及延长灯具的使用寿命。随着计算机和网络技术的发展，因特网

2、已经渗透到社会生活的每一个角落，利用单片机实现路灯控制器的协议，使得路灯监控控制系统脱离电信系统的通信网络成为可能，实现自己数据的高速传输和实时控制。收稿日期：；修订日期：基金项目：安徽省教育厅自然科学基金项目（）节能原理根据人体视觉对光线适应的理论，人眼对光线的感觉和光线成对数关系，即光照降低，而人的视觉仅降低，因此适当降低光照可以节能而并不影响人的视觉。在路灯的供电回路中，能量除了满足发光外，多余部分进行产生热量，而这部分热量除造成浪费外并减损灯具寿命，将产生热能的这部分能量回馈给电网可以实现节能并不影响照度，本控制器就是在以上节能原理的基础上进行设计的。作者简介：王健（），男，教授，研究

3、方向为工控局域网及智能控制；褚晓广（），男，在读研究生。自动化与仪表（）计算机应用路灯监控系统的组成和功能如图所示，监控系统主要有两部分组成。（）远程监控中心，主要有管理计算机和数据库组成，管理中心与网络控制器的通讯利用实现。监控中心的管理计算机具有最高的操作优先级，可以向网络控制器发布命令，对全部的网络控制器进行巡检和控制，并下传和更新控制策略，把重要的数据进行存储。（）网络控制器，解析来自管理中心的命令，对当前工况的数据进行存储并报告给管理中心。在管理中心无人值守时依据时间芯片和既定的控制策略进行节能控制。其中网络控制器是监控系统的关键。路灯控制器城双绞线市各双绞线主路灯监控要管理计算机数

4、据库道路路灯控制器双绞线图路灯监控系统的结构路灯控制器的硬件接口路灯控制器结构如图所示，主要包括主处理器及外围电路、网络接口模块、信号（模拟量）采集模块、控制输出模块等四部分。键盘网络芯片网络变压器显示部分控制输出模块接头时钟芯片信号采集模块模拟量图控制器硬件原理框图主处理器及外围电路包括、时钟芯片、静态存储器、键盘、显示部分。采用的是公司的，该芯片是位处理器，片内的、的，负责对网络控制器操作以收发数据并解析必须的网络协议、管理整个系统的软、硬件资源；键盘是利用单片机的一个外部中断，完成控制器的地址、控制参数等的设置；显示部分采用位数码管，动态显示工况数据；时钟芯片采用内嵌和看门狗的，其可对软

5、件进行有效监控，并用于存储控制季度表和控制器的地址、物理地址、以及掩模子网地址等数据；（现场可编程门阵列）采用提供外围器件的逻辑控制，减少了外围的逻辑芯片的个数；用于存储网络协议和运算时暂存数据。一般情况下，路灯控制器不需要远程监控中心的干预，从时钟芯片里读出当前的时间，对照当前的季度选择当前的控制表，包括开关灯的时间、调光时间、照度和电压的设定值，通过信号采集模块实时地获得当前的电压、电流的实际值，然后根据控制策略进行控制。信号采集模块信号采集模块对电压、电流进行采集，为了减少外界干扰影响控制精度，该模块采用了（六路钳制集成芯片），该芯片的基准电压需和转换器的一致，从而可保证信号在，转换器采

6、用了位的。控制输出模块控制输出模块有两路输出，一路即灯光控制输出；另一路为发生故障时的输出。为了保证在原始信号不稳定或系统复位时对原有控制信号的有效锁存，采用了由（双边沿触发器）组成的钳制电路，它的端作为输出和单片机反馈输入端，用于单片机异常复位后的状态确定。网络接口通信模块网络接口模块包括以太网适配器、网络变压器以及接头组成。是通用的网络接口芯片，的设置位，分别和单片机的口的相接，读写信号线由（可编程）产生。为了抗干扰和增加驱动能力，采用（网络变压器），它隔直通交，避免双绞线上的直流电平干扰网卡芯片（）的工作点，同时网络变压器自身的通频带限制了高频干扰。网络协议的选择协议能够实现网络的互联，

7、是设备通过网络接口进行通信的基础，它采用四层分层结构模型：数据链路层、网络层、传输层、应用层。在高级操作系统中可以支持完整的族，（）但是在处理速度相对较慢和存储容量相对较小的单片机中没有必要完全实现。协议选择遵循以下原则：首先，嵌入式系统中实现的协议要根据各个系统的特点及功能来设计其独特的协议族，实现与需要有关的部分。路灯控制器设计中协议栈主要实现、。协议的功能是为位地址到对应的位以太网物理地址之间提供动态映射，将上层的地址与底层的物理地址进行绑定。协议作为主机之间发送数据包的传输工具，包的大小严格限制，得到包后，检验头部的版本、目的地址、校验和的正确性，解析出协议类型字段，然后交给高层的协议

8、处理。发送包时，将缓冲区内的目的地址设置完成后交给下层协议，协议是一个面向连接的协议，连接的建立和释放是每一次面向连接的通信中必不可少的过程。为了保证路灯控制器和路灯监控中心的有效连接，在传输层采用协议。控制策略路灯控制器采用时钟自动控制、照度控制和电压的闭环调光控制。时钟自动控制：里面存储着季节控制表，该表里面存储着不同季节的开关灯和调光时间和不同调光时间段的调光电压；通过实时的读取时钟芯片的时刻以判断出所需的季节控制表，然后按照季节控制表里面的数据，进行开关灯和调光控制。照度控制：当白天（非开关灯时间段）由于恶劣天气的影响，照度严重降低，这时由光电管组成的电路送给单片机一高电平，触发单片机

9、内部的照度控制，满电压开灯启动后，进入到正常的电压精确控制阶段；当外界照度恢复正常时单片机的口获得低电平，这样就关掉电源。电压控制：电压的闭环控制就是在调光阶段降低电压的供给以减少用于产生热量的这部分能量；高压钠灯的启动一般需要高压并且启动都有一定的延时，为了保证正常启动，一般在开灯阶段满电压供给，而等其顺利启动后即可变为其额定电压的，即左右，此电压是保证其正常照度和灯具寿命的最佳电压供给值（实验获得），对此电压的精确自动化与仪表（）计算机应用控制将是该阶段的控制目标；路灯的供电受到整体供电电网的影响，当时间到了夜里的点以后，用电负载的减少导致电压升高，夜色的加重也使得适当降低电压而人的视觉光

10、线并不减少，因此在此阶段将采用分阶段电压闭环控制，如图所示；当电压设定值大于电压反馈值时控制伺服电动机正转，增加可调变压器的次级绕组的匝数；反之则减少次级绕组的匝数，获得一个最佳的电压供给值。某调光路灯控制器时间段电压的设定值控制规律执行机构可调变压器电压检测图电压闭环控制框图软件设计控制系统软件的主要任务：完成参数的设置、显示；完成电压、电流信号的采集、处理并计算出有功功率、无功功率，然后按照一定的通信协议对数据进行打包，上传给上位监控主机；接收上位监控主机的控制命令和设置数据，并执行相应的控制；在没有上位监控主机的参与下，按照既定的控制策略实行控制；软件设计采用模块化设计，程序采用编写。主

11、程序模块主要完成各系统参数的设置、各器件的初始化以及各程序模块的调用，其程序框图如图所示。网络芯片的初始化是初始化的关键，要对它的工作参数进行设置，才可以保证数据的正确接收和发送，主要的设置内容为：接收缓冲区的起始地址，接收缓冲区的结束页地址，中断状态寄存器、中断屏蔽寄存器、数据配置寄存器；在设置寄存器时，应先使其在停止模式，然后设置。开始存数据初始化有网络数据？数据接收模块到控制表读时钟里采集模块控制命令？控制数据开中断读时钟址解析地发数据处理了吗？数据包控制程序图主程序流程图计算机应用通信模块包括数据接收和发送模块，完成对上位监控主机的控制命令和控制策略表、时钟设置数据的接收和路灯控制器的

12、工况数据的发送。主机对网络数据的接收采用查询的方式，根据接收数据判断出不同的协议类型，并调用相应的处理子程序。（）处理子程序，协议字段；（，）；存储上位主机的物理地址；置位状态位；对于解析获得监控主机的物理地址必须以全局变量存储，以利于其它子程序进行使用。（）处理子程序，协议字段；（）；接受的数据为控制命令（）；接受的数据为设置命令；然后根据控制字调用相应子程序；主机对工况数据的发送采用定时器中断（），在定时器中断子程序里，首现需判断监控主机的是否解析，如果已经解析，则把工况数据按照表的格式进行打包成数据格式进行发送；否则还需发送数据包以获得监控主机的物理地址。控制模块为了减少外界干扰对控制精

13、度的影响，由转换获得的数据（电压、电流）采用递推平均滤波法。控制模块首先判断状态控制字是否为，如果为，则需要对接收的数据进行判断处理，并施行其控制输出。对于各位的控制字如表所示，某位为，则进入其对应子程序进行处理；否则按照控制器已经选择的策略，配合转换的数据以及从时钟中读取的数据进行控制；如果第一位为，则需要将转换的数据、及由、所求出的有功功率、无功功率和各开关点的状态进行数据打包传输给上位监控主机，数据格式如表所示。为了保证系统的安全，当检测到的电流值超过上限电流值时，将供电电源切断。表下传数据格式位内容上传数据开灯关灯缺省表上传数据格式字节内容站点号电压电流有功功率无功功率开关量校验和结语智能型路灯控制器利用组成的网络监控系统提高了工况数据传输的速度，改善了路灯监控系统的管理水平。在实际的应用中节能效果达到，并提高了灯具的使用寿命，可广泛地应用于各类城市的路灯照明。参考文献：徐彤以太网在实时控制领域中的应用现代电子技术，（）：徐皑冬，王宏，杨志家基于以太网的工业控制网络信息与控制，（）：马忠梅，等单片机的语言应用程序设计北京：北京航空航天大学出版社，!"