基于CAN总线的道路照明控制系统设计与实现

1、基于CAN总线的道路照明控制系统设计与实现(第1页)来源：同济大学电子与信息工程学院，上海 作者：高磊，余有灵，张志明 浏览：816人次 发布：2012-03-20注：其他网站转载须注明出处，转载而不注明出处者，一经查实，将追究其法律责任传统城市道路照明系统对回路实现整体控制，只能实现回路路灯整体开关，不能对回路中的单个路灯进行单点控制，且灵活性差。为实现路灯节能降耗，提出了一种基于CAN 总线的道路照明控制系统的设计与实现方法，采用智能化控制策略对传统路灯照明系统进行改进，使用英飞凌16 位单片机对车辆通过信息进行采集和处理，预先调整路灯亮度。论述了系统子节点路灯控制器和主节点回路

2、控制器的工作原理和硬件设计方案，并介绍了该系统的软件结构框图，经实验证明了该方案的有效性。近年来随着国内城市化进程的快速发展，道路照明设施的规模和数量迅速扩大，道路照明耗电迅速上升，且存在较严重的用电浪费现象。传统的城市道路照明系统一般由专用的回路箱对回路中的高压钠灯统一控制，实现回路内整体开关，不能对回路中的单个路灯进行单点控制，灵活性较差，同时钠灯供电电压高，耗电量大且需要配备镇流器，不同时段下城市用电负荷的变化也会影响高压钠灯的使用寿命，因此还需要对回路电压进行调整。此外，由于缺乏有效的监测手段，不能根据路面实际状况进行“按需照明”。如今，在对道路照明的质量标准提出要求的同时，如何有效降

3、低能源消耗也成为了新的研究方向1。目前部分地区为节能降耗，实行“半夜灯”制度，通过采取“亮一隔一”的方式关闭部分路灯，但是破坏了路面照度均匀度，对于交通安全和社会治安十分不利。为了有效实现回路内单点控制，并且提高数据传输的实时性和可靠性，采用CAN 总线进行报文传输，以LED 光源代替高压钠灯，实现串行通信网络中的分布式控制，摆脱了传统RS485 总线主站轮询的通信方式，并且有效节约能源。在控制策略上同时综合考虑时间、路段、环境照度和交通流量等场景因素，按照预设的TPO 控制策略2，最大限度实现信息交互。1 道路照明控制系统基于CAN 总线的道路照明控制系统的组成原理图如图1 所示。该系统主要

4、由底层CAN 节点控制器部分和计算机监控部分组成，节点控制器分为子节点路灯控制器( RTU) 和主节点回路控制器( LTU) ，底层总线采用普通双绞线作为通信介质。在传感器模块中，各节点上配置磁传感器( 或压力传感器) 用于检测车辆信息，照度传感器采集照度信息。同时回路定时采集电流、电压、功率因数等电参数，各节点LED 调光电路可设定多个等级的路灯亮度。通过CAN 总线实现路灯子节点之间，以及子节点与主节点之间的信息通信。计算机监控部分负责控制策略的调整。主节点回路控制器向计算机监控部分上传状态参数，存储到数据库中，计算机比对正常数据，对回路中的异常情况进行判断，确定异常位置，向主节点发送控制

5、指令。系统功能: 监控交通流量和天气情况; 单灯故障检测; 监控电能消耗; 控制电流实现单灯调光; 在确保功效的前提下，合理调整亮灯数量和时间。2 车辆信息控制的工作原理主节点按照TPO( time place occasion) 控制策略，对多种策略进行融合，以LED 灯为控制对象。主要的控制策略包括: 分时段时间控制。针对不同时段的照明需求，采用等级化照明亮度，在夜晚繁忙时段控制所有路灯保持高亮，在接近午夜时因车流量稀少，调整路灯为较低亮度，为近一步实现智能照明，还可以开启车辆信息控制模式，检测车辆通过信息调整亮度; 环境参数控制。根据光照、交通流量等实际的环境参数调整照明控制，以获得更好

6、的照明质量和节电效果，例如在天气不佳、能见度较低的情况下提前开启路灯，或者监测到车辆流量在某一时段内突变( 激增) ，及时调整路灯为高亮以应急。 组群控制1。处于同一照明回路中的不同路灯，由于所处的位置不同，对其照明亮度的需求可能也不同，利用LED 单灯控制的特点，可以指定回路中的某些子节点组成组群，实现不同的场景控制。例如某些节点仅使用时间控制策略，某些节点使用车辆信息控制策略，而对关键路段的子节点( 例如警示灯、景观灯) 则不调整，始终保持高亮。 车辆信息控制。车辆信息控制策略与传统照明策略相比，更好地体现出“按需照明”的特点，主动感知道路上的车辆情况，调整当前路段亮度，并引入对下一路段照

7、明需求的预判机制，在车辆未行至前，提前调整路灯亮度为高亮。本文重点介绍车辆信息控制策略的实现方式，该方式依据车辆大致位置和行进方向进行闭环控制，可以对前方路段进行照度调节。系统主节点回路控制器首先请求各子节点车辆通过信息，并对车辆信息进行综合，判断当前回路中哪些节点位置有车辆通过，在该位置和车辆行驶的下一路段位置处，请求路灯亮度信息，判断子节点的路灯亮度是否为高亮状态，对亮度为低亮的路灯子节点发送亮度调整信息，使其变为高亮以配合车辆行驶，而暂不影响与车辆行驶无关的其他子节点，实现单灯控制，控制效果如图1 所示。当主节点发送带有某一ID 标识符的车辆信息请求帧时，若在各个子节点内均定义了该ID

8、标识符，则子节点均可接收到该车辆信息请求帧。若多个子节点同时检测到有车辆通过，主节点中的接收车辆信息报文对象可通过设定屏蔽位，并根据CAN 的无破坏性位仲裁机制3，依次接收多个子节点的报文信息。子节点亮度信息的请求与发送方式类似于车辆信息。各个子节点均可接收单点亮度控制帧，在数据段中可判断与自己的地址是否一致，如果一致则修改当前的路灯亮度。3 节点控制器的组成节点控制器采用英飞凌16 位微处理器XE164FM4 - 5，其中MultiCAN 模块具有4 个独立CAN节点，多达128 个独立消息对象( message object) ，数据传送速率最高达1 Mbit /s，外设部分包括CAN 收

9、发器模块、串口通信模块、LED 调光电路模块、车辆传感器模块、电源模块、照度传感器模块接口、LCD 显示模块接口， JTAG 在线调试接口等，如图2 所示。CAN 收发器采用IFX1050G，通过定时器GPT1 模块可产生不同占空比的PWM 波，通过IO 输出PWM波到LED 调光模块设定路灯亮度。T2 在T3 定时溢出后发生上升沿跳变时触发，将T2 寄存器重载到T3 定时器，T4 在T3 定时溢出发生下降沿跳变时触发，将T4 寄存器中的内容重载到T3 寄存器。设定值与亮度如表1 所示。车辆传感器模块中采用干簧管继电器，干簧管体积小、质量轻，通断时间为1 3 ms，当模型车行驶到干簧管附近时，

10、管内接点会吸合，传感器模块采样到车辆通过信息，采样输入端电平被拉低。在实验模型中，LED 调光电路模块中采用MBI1804 驱动芯片，提供了4 个恒流输出通道，具有高输出电流能力，最大电流输出值为240 mA，可直接输入由XE164FM Lout 端输出的PWM 波，调整范围为100% 0%，如图3所示。串口通信模块用于与上位图3 节点硬件电路简图机进行通信。4 软件实现使用英飞凌公司DAVE 自动代码生成软件可以对单片机内各模块进行图形化配置，有效地提高了编码效率。节点发送时采用查询方式发送报文，通过读取状态寄存器值判断节点是否处于接收状态，然后再判断上次发送是否已成功，若上次发送已成功，只

11、需将待发送的数据按特定格式组合成数据帧报文，送入发送缓冲区中即可发送。接收时采用中断方式接收报文，初始化程序中使能接收中断。主节点控制器初始化部分配置报文对象MO1 MO5，功能如图4 所示。TASK1 和TASK2 定时触发，广播车辆信息请求和亮度信息请求，TASK4 对车辆通过节点和下一节点发送亮度控制帧，TASK5 判断车辆通过亮度调整后与TASK4 预设亮度是否一致，并将上一节点的亮度恢复普通等级。TASK3 恢复所有节点普通亮度，如图5所示。如图6 所示，子节点控制器对报文对象和帧更新位进行初始化，3 个更新位分别与主节点的发送请求相对应。TASK1 定时触发，判断有无车辆通过信息，

12、TASK2 由CAN 中断指针触发，对接收到的帧更新位判断，进入相应的处理单元。_MO3IsUpdated 置位发送车辆通过信息，_MO4IsUpdated 置位发送当前亮度信息_MO5IsUpdated 置位对PWM 占空比调整设定节点亮度。退出ProcCAN 时复位各帧更新位。5 实验结果与分析在CrossView Pro C166 中可在线查看MultiCAN 中各个报文对象的数据段。以子节点1 和子节点2 为例进行分析。当车辆行驶到子节点1 时，主节点向子节点发送车辆信息和亮度信息请求，图7( a) 上和左中所示为子节点1 车辆信息发送帧和亮度信息发送帧中的数据内容，图7( a) 下为子节点1 从主节点接收到的亮度调节信息内容，其中低8 位为节点地址，高8 位为车辆或亮度信息。子节点2 未检测到车辆通过( 0x00，图7( b)上) ，且当前亮度为低亮( 0x01，图7( b) 中) ，在主节点发送的亮度调节信息中，将子节点2 的亮度调节为高亮( 0x02，图7( b) 下) 。当车辆行驶到子节点2 时，图8( a) 下所示，子节点1 接收到主节点发送的亮度调节信息恢复至普通亮度( 0x01) ，图8( b) 下可知子节点2 保持高亮状态。图9 所示，当车辆继续行驶一段时间后，各个子节点