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led路灯远程控制系统设计大学学位论文

目录

插图清单I

摘要II

AbstractIII

第一章绪论1

第二章系统的组成2

2.1系统组成2

2.2单灯控制器2

2.3GPRS网关3

2.4监控中心3

2.5管理平台软件3

第三章单灯控制器的设计4

3.1电路设计及工作原理4

3.2单片机89C52及其存储电路5

3.3检测电路的设计7

3.4LED照明驱动的设计9

3.5通信模块的设计10

3.6单灯控制器的控制流程12

第四章无线网络数据传输13

4.1GPRS数据传输一般过程13

4.2GPRS无线通信系统原理14

4.3GPRS指令传输方式15

总结17

参考文献18

致谢19

插图清单

图2-1系统构架图2

图3-1单灯控制器的电路组成图4

图3-2单灯控制器电路图5

图3-389C52的引脚图5

图3-489C52片外RAM扩展电路图6

图3-5检测放大电路8

图3-6单片机与ADC0809连接9

图3-7LED光源的受控过程10

图3-8LED驱动电路改造设计10

图3-9单片机89C52与GPRS模块MC35串口通信11

图3-10传输流程框图12

图4-1GPRS数据传输的一般过程13

图4-2MC35GPRS发起分组数据传输过程14

图4-3GPRS网络与计算机网络数据传输15

LED路灯远程控制系统

摘要

路灯是城市照明的重要组成部分，全球的路灯正在经历一场技术革命。

大功率LED路灯各方面性能远远超过传统路灯，LED路灯替换高压钠灯，是今后节能减排的大趋势。

我国实施“十城万盏”工程，计划将目前约2,000-2,500万盏传统路灯照明，逐步置换成LED照明，LED路灯市场前景非常广阔。

在要求节能、环保的同时，管理人员还希望新型的LED路灯系统是能够远程控制的、易操作、智能化、自动管理的城市照明系统，它能节约能源、降低维护费用、提高管理效率，为及时处理各种突发事件和故障提供有效的保障，同时为公众提供更人性化、更安全的公共照明服务。

本课题是在现有的LED照明驱动电源上，加装无线收发装置，采用单灯定位数据采集控制模式，通过GPRS无线数据传输平台，构建无线网络拓扑结构，在中控计算机上实现大规模照明系统的控制、监测和管理等。

系统由单灯控制器、GPRS无线通信平台和监控中心等单元构成，为当今提倡的“节能减排”型社会提供了一个完整的智能化照明设备管理的有效解决方案。

本课题来源于指导教师与企业合作的产学研课题。

旨在通过讨论、研究，提出一种基于GPRS无线通信技术的路灯照明系统远程控制的解决方案，不一定能实际投入运行。

相信，随着对公共照明服务的要求提高，人们对路灯的远程控制的技术会更加关注。

我也将与我的指导老师、合作企业一起，努力完善方案，能够进入实用。

关键词：

LED照明；GPRS；远程控制；节能减排

LEDstreetlampremotecontrolsystem

Abstract

Citystreetlightingisanimportantpartoftheglobalstreet,isnowundergoingatechnologicalrevolution.LargepowerLEDlampvariousaspectsperformancefarexceedsthetraditionallights,LEDlightstoreplacethehigh-pressuresodiumlamp,isthefuturetrendofenergysavingandemissionreduction.China'simplementationofthe"TenCity"projectplan",aboutthecurrent2000-2500millionlamptraditionalstreetlighting,andgraduallyreplacedbyLEDlighting,LEDlightsmarketforegroundisverywide.Attherequestofenergysaving,environmentalprotectionatthesametime,managersalsohopesthenewLEDstreetlampsystemiscapableofremotecontrol,easytooperate,theintelligent,automaticmanagementofcitylightingsystem,itcansaveenergy,reducemaintenancecost,improvetheefficiencyofmanagement,forthetimelyprocessingofallkindsofunexpectedeventsandfailuretoprovideeffectiveprotection,atthesametimeforthepublictoprovidemorehumane,moresecurepubliclightingservices.

ThistopicisavailableintheLEDilluminationdrivingpowersource,wirelesstransmittingandreceivingdevice,usingasinglelamppositioningdataacquisitionandcontrolmode,throughtheGPRSwirelessdatatransmissionplatform,awirelessnetworktopologystructure,controlinthecomputertorealizethelarge-scalelightingsystemcontrol,monitoringandmanagement.Thesystemconsistsofasinglelampcontroller,GPRSwirelesscommunicationplatformandcontrolcenterandotherunits,astheadvocateofthe"energy-savingemissionreduction"societyprovidesacompleteintelligentlightingequipmentmanagementsolution.

Thistopicoriginatesfromtheinstructorandenterprisecooperationresearchtopic.Throughdiscussion,research,proposedonekindbasedontheGPRSwirelesscommunicationtechnologyofremotecontrollightingsystemsolutions,notnecessarilycanactuallyputintooperation.Believe,asthepubliclightingservicerequirementsimprove,peopleonthestreetlightremotecontroltechniquewillbemoreattention.Iwillbewithmyinstructor,cooperativeenterprisestogether,andstrivetoimprovetheprogram,canenterthepractical.

Keywords:

LEDlightin；GPRS；Remotecontrol；Energysavingandemissionreduction

第一章绪论

LED以其绿色、高效、可靠、耐用的优势，其应用可以说无处不在。

大功率LED成本不断降低，替代传统灯具已成为不可逆转的趋势。

LED路灯具有优越的性能，发光效率高、灯具反射损失低，节省能源70%；稳定性能好，产品寿命长，不需交流高压，安全性高；是高效、节能的、安全的绿色光源。

还可以配合控制系统，可实施远程自动遥控亮度等。

LED路灯已成为半导体照明行业的热点。

相对于其它传统照明路灯，人们对LED路灯系统提出了进一步需求，需要根据时间段、根据人流量、根据天气等情况能够远程局部可调可控，极大地增加了管理的难度和工作量，这使得为LED照明系统设计一个智能控制系统成为一个迫切的需求。

LED照明系统也只有实现智能化，才能充分发挥先进的LED路灯系统的各种优势，加快LED路灯照明系统的普及进程。

LED路灯远程控制的系统的设计时应当考虑到如下技术因素：

1、低功耗：

LED路灯的一大重要的特性就是高效能。

无论路灯是否开闭，远程控制的系统都需处于工作状态，这时照明系统的能耗是路灯与控制系统的总和。

2、通信范围：

由于需要单灯数据采集，一般需要覆盖数千米的范围。

3、通信速率：

如果仅仅是满足调光控制、状态采集，一般只需100Kbps以下速率即可。

目前，可以通过无线链路控制或利用PLC技术通过现有的照明系统控制。

本课题提出了一种基于GPRS的无线链路远程控制的设计方案，可以实现对单灯的电流、电压、功率因数的测量，从而实现单灯的电流运行监控。

第二章系统的组成

城市照明系统一般由多条线路组成，每条线路控制几十到几百盏路灯。

我们在每一个单灯都安装一套单灯控制器，具备无线接收、发射功能，采集该灯的电压、电流等状态参数，经网络传输到电力线路端点的控制柜中的GPRS网关，经网关接入公网，传输到监控中心。

监控中心采集到所有路灯的状态数据，依据管理员指令，将控制信令发到各各路灯，远程实现各单灯的开启、关闭或调光。

2.1系统组成

整个控制系统由单灯控制器、GPRS网关、监控中心和管理平台组成。

其中单灯控制器和GPRS网关组成无线传感网络。

图2-1系统构架图

本课题的任务主要是研究LED路灯的开关、亮度实现远程控制。

由图2-1可以看出，系统是一个上下行双向数据传输控制系统，上行传输的主要是LED路灯的状态参数。

硬件模块采集路灯电气参数，并通过单片机控制，由MC35GPRS模块发往GPRS网关，经网关利用互联网与监控中心建立通信。

监控中心可以及时了解LED路灯的状态，方便及时监控。

下行数据传输的主要是监控中心的管理指令。

监控中心通过互联网将数据传递给GPRS网关，并由GPRS网关调配数据到每一个单灯控制器。

2.2单灯控制器

由单片机89C52和通信模块MC35GPRS通信模块的组成。

利用原有的LED路灯驱动电源，经过稳压转换后直接给单灯控制器电路供电。

同一条线路上的单灯控制器组成无线传感器网络。

控制器接收发送数据主要依靠通信模块MC35GPRS，并通过串行口将控制程序传送单片机，单片机根据控制程序运行，进而完成对驱动的控制及PWM调节。

这样就可以控制LED光源的开关和亮度调节。

2.3GPRS网关

采用分组交换技术，将数据以分包的方式上下行传输，优化了对计算机网络资源和无线通信资源的利用，支持IP协议和X．25协议。

GPRS控制路灯是使用GPRS模块并使用通信公司的服务。

GPRS控制范围广，模块化好，集成度高，抗干扰能力强。

但是单独的GPSR路灯控制只是控制一条路上的路灯，无法实现单双灯控制等节能算法，且造价高昂，使用费用较高。

2.4监控中心

接受网关数据，对LED路灯实时监控；发出管理员指令，远程管理LED路灯系统。

2.5管理平台软件

管理人员能够通过管理平台软件将原始监测数据生成，可在其他通用软件上使用的基础数据文件，并可以进行数据编辑；能够对网关数据进行分析、统计产生日报表；能够通过管理平台对系统发送控制指令等。

第三章单灯控制器的设计

单灯控制器是在现有的LED照明驱动电源上，加装智能检测、控制和无线收发装置，完成LED路灯状态信息采集、根据监控中心的指令控制LED路灯工作、通过GPRS无线通信平台进行数据传输。

主要由单片机、通信模块、电源模块、检测电路组成，框架图如图3-1所示。

图3-1单灯控制器的电路组成图

3.1电路设计及工作原理

单片机89C52是控制器的核心器件。

ADC0809、DS18B20以及光敏器件构成检测电路，检测LED灯具的亮度、温度状态和环境亮度。

检测数据保存在存贮器中保存，同时通过MC53GPRS通信模块传输给网关，再经互联网与监控中心通信。

MC53通信模块将网关传送的监控中心指令以串行通信方式与89C52建立通信。

89C52根据监控中心指令规定，通过PWM控制LED光源模块的开、关和调亮。

考虑到数据存储所需容量较大，系统中扩展了64KRAM（6264A）作为单片机的存贮器，单灯控制电路如图3-2所示。

图3-2单灯控制器电路图

3.2单片机89C52及其存储电路

89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器，完全与80C51产品指令和引脚兼容。

单芯片中拥有8位CPU和在线系统可编程Flash。

其引脚排列如图3-3所示，主要引脚功能如图3-3所示：

图3-389C52的引脚图

19脚XTAL1：

采用内部时钟信号时，接外部晶振的一个引脚；采用外部时钟信号时，此脚接地。

18脚XTAL2：

采用内部时钟信号时，接外部晶振的一个引脚；当采用外部时钟信号时，外部信号由此脚输入。

9脚RST/Vp0：

复位信号输入；Vcc掉电后，此脚可接上备用电源，在低功耗条件下保持　　

16脚P3.6（WR）：

外部数据存储器写选通，低电平有效。

17脚P3.7（RD）：

外部数据存储器读选通，低电平有效。

89C52的接口资源：

P0：

并行I/O接口。

作为通用的I/O口时，P0口的引脚以“开漏”的方式输出，必需外加上拉电阻。

作为外部程序或数据存储器的数据/地址总线时，内部控制信号为高电平。

P1：

已具有内部的上拉功能，可作为准双向口（用作输入时引脚被拉成高电平）使用。

P2：

具有内部的上拉功能，可作为准双向口（用作输入时引脚被拉成高电平）使用，也作为外部程序或数据存储器的高地址总线。

P3：

具有内部的上拉功能，可作为准双向口（用作输入时引脚被拉成高电平）使用。

89C52的片外8K*8RAM扩展电路如图3-4所示。

图3-489C52片外RAM扩展电路图

考虑到数据存储所需容量较大，系统中扩展了64KRAM（6264A）作为单片机片外的存贮器。

3.3检测电路的设计

单片机对LED灯具的温度、光源亮度和环境亮度进行检测。

检测电路如图3-5所示。

使用了光敏电阻、光敏三极管、数字温度传感器等，测量周围环境情况和路灯的工作情况。

1、LED灯具亮度测量数据是模拟信号，经放大电路处理后进入ADC0809处理成为数字信号，由单片机89C52存储、运算、处理。

（1）模拟小信号的放大

被测物理量经传感器转换得到的电信号的幅度往往很小，无法进行A/D转换，因此需对这些模拟电信号进行放大处理。

为使电路简单又便于调试，本课题采用集成运算放大器（简称运放）。

运放是一种输入阻抗高、输出阻抗底、放大倍数高且便于调试的优质放大器。

集成运放内部电路通常由偏置电路、差动输入电路、中间放大电路、输出及过载保护电路组成。

运放的开环放大倍数可达

。

当它构成闭环负反馈放大电路时，其电压放大倍数只取决于电阻值的比较，与运放的本身参数无关，安装调试十分简单。

在分析运放时，一般将它看成理想运放。

设计中认为理想运放的开环放大倍数为无穷大，输入偏置电流为零，输入电阻为无穷大，输出电阻为零，失调电压和失调电流及温漂为零。

根据运算电路的基本分析方法，在下图所示电路中，

因而

（3-1）

即：

（3-2）

所以输出电压

=-

（3-3）

设

，则

（3-4）

当

时，由于

，R2中电流为零，

，输出电压

。

可见，电路放大差模信号。

差模放大倍数数值愈大，共模抑制比愈高。

当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。

图3-5检测放大电路

在不考虑误差的情况下，从传感器输出的压力小信号是0~145mv，此时通过放大电路给其放大20倍，然后将其送给A/D转换器进行模数转换，即可得到设计要求。

根据以上要求在上面公式的参考下，取Rf=R=10K,R1=49K,R2=10K。

（2）ADC0809模数转换

在实际测量系统中常会遇到时间、数值都连续变化的物理量。

这种连续变化的物理量称之为模拟量。

显然，模拟量要输入到计算机，首先要经过模拟量到数字量的转换（简称A/D转换），计算机才能接收。

实现模/数转换的设备称A/D转换器或ADC。

我在此次用到ADC0809A/D转换器。

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器逐次逼近（即分辨率8位），具有转换起停控制端、模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。

输入输出与TTL兼容。

（3）89C52与ADC0809的接口

单片机P1口连接ADC0809，用于接收模数转换的数据，如图3-6所示。

ADC0809的CLOCK时钟由单片机ALE提供，P2．5连接AD0809的OE端，允许AD0809转换输出；P2．4连接AD0809启动START。

选择AD0809模拟输入IN0端为LED灯亮度信号（模拟）输入，通过内部AD转换，转换成数字信号，并通过P1口传送给单片机。

本设计只用到了通道0，所以ADD-A、ADD-B、ADD-C都接地。

图3-6单片机与ADC0809连接

2、DS18B20是数字温度传感器，可以将LED灯具温度直接采集为数字信号，由单片机89C52存储、运算、处理。

单片机实时监控路灯的温度、亮度情况，如果传感器的测量值超过了阈值，即路灯工作可能发生异常，单灯控制器控制路灯关闭，并将报警信息通过通信模块发送给计算机监控中心。

3、使用光敏三极管传感器测量周围环境的光亮度，当傍晚时周围环境还有余光时，将路灯开启为单双灯模式，当晚上天全黑了以后，将路灯全部打开，当凌晨4点左右出现晨光时将路灯调节成半功率工作模式。

在阴天和沙尘暴天气时，光敏传感器坚持到道路能见度低，路灯也可自动打开，保证道路正常照明。

3.4LED照明驱动的设计

电路分三个单元电路。

分别是原LED路灯AC-DC36V驱动电路（图中虚框内电路）、单片机控制的PWM电路、DC-DC（恒流900mA）的可调可控电路，能够驱动100WLED负载。

电路的工作原理如图3-7。

单片机89C52的P2.1置1，则Q4截止，Q4也进入截止状态，LED无电流，光源不工作。

反之，LED经稳压、恒流构成通道，进入正常工作。

但工作的电流取决与Q4的脉冲信号的占空比。

89C52利用单片机内部的定时器，通过编程在P2.0口形成脉宽可控的PWM信号，光耦6N137耦合PWM信号控制Q4，从而控制Q2。

改变脉宽，就可以改变LED的电流，达到调光目的。

图3-7LED光源的受控过程

LED驱动电路如图3-8。

UCC28811是TI公司的通用照明电源控制器，具有PWM和PFC功能，可以保证设计方案满足谐波电流或功率因数要求。

图3-8LED驱动电路的改造设计

高效的专用驱动IC提高了电源转化效率。

在低负荷线路（low-line）运行状态下，升压跟随器可跟踪AC输入的峰值电压，在输入电压±15％的变动时，仍能保持输出电流变动稳定在±10％内。

3.5通信模块的设计

我们选用了MC35作为GPRS模块，完成数据的采集和传输工作。

并且通过开通MC35模块，由计算机发送指令经过GPRS模块，可以通过无线网络与PC机相连，从而获取PC机下发的数据指令，本系统用MC35芯片作为传输数据指令的模块。

它具有GPRS技术带来的一切优点,如一直在线和提供高速价廉的数据传送服务等。

MC35是西门子移动通讯出品的第一款GPRS模块，MC35向上兼容全部TC35功能，此外还集成了高速GPRS技术。

可将GPRS技术广泛集成于移动电脑、PDA、智能电话以及其它设备之中。

具备持久的在线连接、快速数据接入、高速数据传输速率等特点。

MC35模块主要由射频天线，内部Flash、SRAM、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的ZIF插座组成。

GSM基带处理器是核心部件，其作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发送AT指令，射频天线部分主要实现信号的调制和解调，以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换，匹配电源为处理器基射频部分提供所需的电源。

只要将MC35串口与MCU连接后，传输控制数据即可。

模块具体参数如下：

支持EGSM900/GSM1800双频；

支持GRPSClass8/ClassB；

支持GSMphase2/2+；

输出功率：

EGSM900时，2W/GSM1800，1W；

输入电压：

3.3-4.8V；

功耗：

休眠状态，3.0mA；空闲状态，10.0mA；发射状态，300mA（平均），2.0A（峰值）控制：

AT指令直接控制；

数据速率：

CSD状态下最大速率14.4kbps，GPRS状态下行最大速率85.6kbps；

接口：

40pin；

包括电源、3VSIM卡、RS232接口、语音、控制等管脚/50Ω天线接口；

图3.9单片机89C52与GPRS模块MC35串口通信

MC35的数据接口电平是MOS电平2.65V，89C52的输出高电平是4V，因此，单片机89C52对通信模块MC35的控制以及数据传输都需要有电平转换电路。

图中使用了三个7407，就是用来电平转换的。

3.6单灯控制器的控制流程

在完成了硬件结构各个模块的设计之后，需要在硬件的基础上，完成程序的设计，以实现单片机对LED的控制。

此次程序设计的要求是控制LED的状态。

控制过程首先需要将PWM的调节程序在计算机终端上编写，由于GPRS网络与Internet有共同的协议，故可以进行数据传输，GPRS通信模块接收来自GPRS网络的程序，并将程序经串行口传输给89C52处理，该程序在单片机上运行时就可以按照预设的目标控制P1.0的时钟电路，以达到PWM调节LED状态的效果。

MC35采用的是AT指令，计算机利用AT指令对MC35进行初始化和数据传输，传输的流程框图如下所示：

图3-10传输流程框图

第四章无线网络数据传输

4.1GPRS数据传输一般过程

连接阶段：

MS在能够向相应主机发送数据之前，它首先在物理层上与GPRS网络建立连接，与某个SGSN建立连接，使GPRS网络能够管理MS。

通过SGSN在G