城市路灯自动控制系统毕业设计.docx

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城市路灯自动控制系统毕业设计

题目：

城市路灯自动控制系统硬件设计

摘要：

随着中国经济的快速发展，人类对电力能源的需求日益增大，电力资源日益缺乏。

因此如何节能降耗已成为近几年来人们关注讨论和研究的话题。

本文研究的路灯控制系统是针对我国城市在路灯照明的控制方面产生的巨大能源消耗和浪费而开发出的新的智能型的路灯控制系统。

本文详细介绍了该系统的设计与实现。

本文详细介绍并分析了以GPRS技术、电力载波技术、单片机芯片AT89S52、光敏传感器为主要部件的硬件电路。

通过时间控制和环境参数控制相结合的方法去控制路灯。

实现随着光照强度的大小和在一定时间段内路灯都有着的不同表现，午夜路灯间隔开以节省电源，光照很足时路灯全部自动断开不工作等功能。

该路灯控制系统是一种智能型控制系统，电力资源既能够得到合理利用。

随着社会的发展，路灯控制系统会得到更广泛的应用，具有非常光明的前景。

关键词:

GPRS、PLC、单片机、光敏传感器

Abstract:

WithChina'srapideconomicdevelopment,humanpowerenergydemandincreasesdaybyday,thepowerincreasingscarcityofresources.Sohowtosavingenergyandreducingconsumptionhasbecomeinrecentyearspeoplepaymoreattentiontothediscussionandtheresearchtopic.

Thispaperstudiesthestreetlampcontrolsystemisinviewofourcountrycityinstreetlightingcontrolenormousenergyconsumptionandwasteandtodevelopanewtypeofintelligentlightingcontrolsystem.Thispaperintroducesthesystemdesignandimplementation.ThispaperintroducedandanalyzedwithGPRStechnology,PLCtechnology,thesinglechipAT89S52,photosensitivesensorforthemaincomponentsofthehardwarecircuit.Bythetimecontrolandenvironmentalparameterscontrolcombinationmethodtocontrolthestreetlamp.Achievewiththelightintensityofthesizeandwithinacertainperiodoftimelightshavedifferentmanifestations,midnightlampsspacedtosavepower,illuminationisenoughwhenthestreetlightsautomaticallydisconnectfunctiondoesnotwork.

Thestreetlampcontrolsystemisakindofintelligentcontrolsystem,electricpowerresourcestorationaluse.Withthedevelopmentofsociety,streetlampcontrolsystemwillbemorewidelyused,hasaverybrightfuture.

Keywords:

GPRS、PLC、singlechip、Photosensitivesensor

第一章绪论

1、路灯自动控制系统设计的前景

跟传统的路灯控制系统相比，传统路灯控制系统就是采用人工控制，到了一定时间就开启路灯，到了一定时间关闭路灯，完全是人工控制路灯的开关。

一个国家路灯市场规模与当地道路长度与种类、国民生活水平有关。

理论上道路长度愈长、愈宽、重要道路（如高速公路）比率愈高，路灯需求数量将随之增长。

不过路灯需求与实际装置数量，会受到国民生活水平影响。

国民生活水平愈高国家，民众对于道路使用频率与道路安全要求越高，相对的路灯装置数量也较多。

中国基本上是能源缺乏国家，随着经济发展，能源供给问题更加严重。

2008年10月中国政府启动“公共机构节能条例”，要求各级政府单位应当将节能产品、设备纳入政府集中采购目录，并严格监控能源消耗状况。

同时，也公布了“民用建筑节能条例”规定建设单位应当选择合适的可再生能源，用于采暖、制冷、照明和热水供应等。

正因为这两项法规的实行，提供地方政府采购LED等相关节能产品的法源依据。

虽然国家积极地在倡导节能环保也采取了许多措施，例如采用人工控制手动进行开关灯的工作，还有采用定时控制的措施：

天天定时开定时关不论气候季节变化，还有的在夜晚降低路灯的供电电压使其变暗来减小能源消耗。

这些控制方式明显存在着较大的问题，人工控制不仅浪费了人力资源，而且还容易引起不必要的安全隐患。

定时控制存在着在天气不好或季节变化天黑的早或晚的情况下光照条件没得到及时改善。

降低供电电压会影响路灯的使用寿命和出行安全。

所以说，设计出一个智能型的路灯控制系统在社会会有个广泛的应用前景。

2、路灯自动控制系统节能方式探讨

绿色照明是当今照明界发展的一种趋势。

目前，在道路照明工程中，电网电压受负荷的影响较大，在负荷高峰时偏低，在负荷低谷时偏高。

每当傍晚，道路上交通量高峰时，恰值电网负荷高峰，由于电网电压偏低，光源发出的光通量低，路面照度低；而接近午夜时，道路上交通量处于低谷，此时电网负荷也是低谷，由于电网电压偏高，因此光源发出的光通量高，路面照度高。

而人眼在黑暗中经过一定时间就有了适应黑暗的能力,深夜时亮度只需刚刚天黑的70%就有相同的“感觉亮度”。

因此,路灯在深夜过高电压下运行会大大浪费电能。

所以,科学地控制路灯,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,从而减轻维修工作量和减少运行费用。

为改变这种现象，一般采用如下几种方法：

1.2.1照明稳压调光控制装置

在负荷不变的情况下，电能的消耗与电压的平方成正比，与用电时间成正比，电压越高，时间越长，耗能越大。

稳定照明电压可以节省大量电能的消耗。

稳定调光控制装置的基本性能是在黄昏时分将低于220V的电压调到220V，在午夜电源电压高到某值时，可按设定的电压180V（高压钠灯）将光源电压调下来，从而有效地降低路灯的电流、有功功率、无功功率，大量节省能源和资金。

由于此装置具有稳压软启动功能，可以克服因气体放电灯低压启辉失败而严重影响路灯寿命的不利因素，同时克服了光源电压升高10％时光源冷启动大电流冲击烧灯现象。

目前，常用的调光控制装置有两种，分别为可控硅调压系统和扼流圈调压系统。

可控硅调压系统通过控制器发出相应的电脉冲，控制可控硅导通角，对供电电压做出模拟调节，使可控硅电源按设定值输出电压，供路灯照明使用；扼流困调压系统也是通过微控制器采集电压值，启动调压系统，按预设调压百分比进行电压调整。

1.2.2半夜路灯交替亮灯方式

在路灯系统中增铺一到两条电缆，对线路上的路灯分别控制，在接近午夜交通量小的时候，熄灭部分电缆控制路灯，以达到节能的目的。

但这样做也有缺点，道路照明的均匀度差且灯光零乱,对城市交通及道路景观有一定的负面影响。

系统中重点考虑如何在控制方面进行节能设计。

3、无线网络的优点

从功能从可靠性来说，没有一个无线网可以与移动通信网相比拟，总体来说，有以下优点：

1、覆盖域广，目前移动通信网全国覆盖率95%以上，非边远区覆盖率几乎100%。

GPRS用户可随意分布和移动自己网络点，无须担心线路维护或有线移机时导致通讯中断。

建设新监控点无需进行拉线，埋线等工作。

较光纤，或专线系统投资较少，设备安装方便。

通信距离远，任何场合都可以设中心站。

覆盖较好，比较很多无线数据网络（集群，双向传呼，CDPD，CDMA）而言，其网络覆盖是最好。

2、GPRS网络接入速度快，提供了与现有数据网无缝连接。

GPRS网本身就是一个分组型数据网,支持TCP/IP、X.25协议，无需PSTN等网络转接，直接与分组数据网（IP网或X.25网）互通，接入速度仅几秒钟，快于电路型数据业务。

采用TCP/IP协议，较以前无线数据网络（集群，双向传呼，GSM短信息）而言，网络接入更加直接方便。

3、网络可靠性高。

首先网络有较大冗余设备及信道；其次设备复用；再次，一旦基站特殊情况下损坏，移动公司抢修非常及时。

4、稳定性好，抗自然干扰能力强；另频段专用，不会受到人为干扰。

GPRS能最好支持频繁、少量突发型数据业务。

通信质量稳定可靠，永不掉线。

5、GPRS资费便宜，计费合理。

GPRS资费包月比有线电话网络资费还便宜。

路灯监控数据采集业务没有大数据量信息传输，不必要采用资费很高专线（DDN、帧中继）。

GPRS还可通信数据量和提供服务质量进行计费。

GPRS网中，用户只需与网络建立一次连接，就可长时间保持这种连接，并只传输数据时才占用信道并被计费，保持时不占用信道不计费。

这样，营业点即不用频繁建立连接，必支付传输间隙时费用。

GPRS是移动通信网中一种新技术，完成了无线Internet接入，这种技术数据传输时，将数据进行分组（TCP/IP）传送，并提供透明通道。

网络容量仅需要时才分配，一旦分组完成发送任务，信道容量立即释放，提供了即时连接和高效传输，实现了实时线功能。

，它是一种经济高效分组数据技术。

组网方面主站和从站设备均可使用动态IP和固定IP两种工作方式，当组成小规模监测网时，主站和从站均采用动态IP方式，用动态域名解析使用公网，可节省费用（不用专门租用DDN等专线）；组成大网时，主机可采用固定IP，并用专网，以提高系统效率，但条件不具备时仍可使用动态IP和公网，此时效率仅比固定IP低0.2%。

第二章路灯自动控制系统设计的总体方案

2.1系统总体结构

按照路灯远程测控系统的设计要求和要实现的功能，将系统大体分为中央控制室、集中控制器和路灯控制器3层网络结构。

系统的总体结构如图2.1所示。

图2.1系统的整体结构

2.2中央控制室

中央控制室是整个系统的最高控制中心，它的硬件主要包括监控中心计算机、路由器、中心服务器、Internet接入设备、与集中控制器通信模块（本系统通过GPRS模块与集中控制器通信）等。

2.3集中控制器

集中控制器在整个系统中起到桥梁作用，它通过电力线磁感线与路灯控制器通信，还通过GPRS模块与中央控制室通信。

所以它的硬件组成部分主要有控制器CPU、GPRS模块、电力线载波模块、晶体振荡电路、时钟电路等。

它主要是负责信息的采集和发送，控制命令的传递等。

2.4路灯控制器

路灯控制器直接实现路灯开关控制以及路灯控制状况信息的反馈，并且在发送的信号不能到达目标路灯控制器时，要有路灯控制器在其中作中继传递，以保证信号顺利传输。

同时，当路灯控制器无法给电力载波调制解调器反馈信息时，也要有路灯控制器作中继传递。

这样就要求路灯控制器有这样几部分组成：

控制器CPU、电力线载波模块、陶瓷滤波电路、晶体振动电路、直流电源电路、继电器以及电流电压检测电路。

第三章路灯自动控制系统硬件设计

系统的通信方式采用GPRS与电力磁感线通信相结合。

中央控制室与电力载波调制解调器之间采用GPRS通信，电力载波调制解调器与路灯控制器的通信是电力磁感线通信的方式。

路灯控制器之问的通信采用PLCC通信方式，实现电力载波调制解调器与目标路灯控制器之间的可靠通信，其实质就是中继通信。

下面进行通信方式的比较选择。

3.1GPRS通信

3.1.1GPRS网络概述

GPRS是第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信演讲的过度技术，因此也称2.5G通信技术，是由英国BTCellnet公司早在1993年提出的，是GSMPhase2+（1997年）规范实现的内容之一，是一种基于GSM的移动分组数据业务，面向用户提供有移动分组的IP或者X.25链接。

GPRS在现有的GSM网络基础上叠加了一个新的网络，同时在网络上增加了一些硬件设备和软件升级，行程了一个新的网络逻辑实体，提供端到端的、广域的无线IP连接。

GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。

GPRS技术160Kbps的高速传送速度几乎能让无线上网达到公网ISDN的效果，实现“随身携带互联网”。

使用GPRS，数据实现分组发送和接受，用户永远在线而且按流量、时间计费，迅速降低了服务成本。

通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的科技，它以分组交换技术为基础，在移动用户和数据网络之间提供一种链接，给移动用户提供高速无线IP和X.25服务，用户通过GPRS可以再移动状态下使用各种高速数据业务，包括收发E-mail、进行Internet浏览等。

3.1.2GPRS网络的协议和结构

GPRS通信是基于TCP（TransmissionControlProtocol）/IP（InternetProtocol）协议的网络通讯，它支持两种不同的传输层协议，分别是面向连接的TCP协议和无线连接的UDP（UserDatagramProtocol）协议。

TCP和UDP的主要区别在于：

①从对系统资源的要求上看，TCP较多，UDP少。

②UDP程序结构较简单。

③TCP是基于流模式的，UDP是基于数据报模式的。

④TCP能够保证数据正确性和数据的顺序，而UDP可能会丢包，数据顺序也没有保证。

另外，结合网络的情况具体看它们的区别：

①TCP传输存在一定的延时，大概是1600ms，UDP响应速度稍微快一些。

②从协议的包头结构来看，TCP包头至少有20字节，UDP的包头则小很多。

③从GPRS网络端口资源分析，UDP十分紧缺，变化很快。

而TCP采用可靠链路传输，不存在端口变化的问题。

该系统中要求中央控制室和GPRS模块能相互的、实时的传输数据。

TCP本身就是可靠链路传输，提供一个实时的双向的传输通道，能很好的满足这一要求。

而对于UDP传输，在一段时间没有数据流造后，端口容易改变，产生的影响就是从中央控制室向GPRS模块发送数据，GPRS模块接收不到。

从通讯的可靠性方面来说，不容许传输过程中的数据丢失或者最大限度的要求数据的可靠性。

否则，根本无法实现远程监控。

从这一点来看，很显然在无线数据传输过程中，TCP比UDP更能保证数据的完整性、可靠性，存在更小的丢包牢。

从经济性的角度考虑，要求降低费用，和费用直接相关的就是流量了，流量低，费用就低了。

虽然TCP本身的包头要比UDP多，但是UDP在实际应用中往往需要维护双向通道，就必须要通过大量的包数据来维护端口资源。

总的比较下来，UDP的实际流量要比TCP还要大。

基于对以上几点的考虑，文中认为TCP传输更能满足该系统对通讯的要求，所以在该系统的GPRS通讯部分，选择了TCP协议。

中央控制室与电力载波调制解调器之间的通信方式是GPRS无线通信形式。

3.2电力载波通信简介

电力载波通信（PowerLineCarrier，以下简称PLC）是指利用已有的低压配电网作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的一种技术。

PLC技术出现于20世纪20年代初期，那时主要集中在11kV以上的高压远距离传输。

到了20世纪50年代，高压电力线通信技术已广泛用于监控、远程显示、设备保护及语音传输等领域。

50年代后至90年代早期的30多年中，PLC开始应用在中压和低压电力网络。

20世纪90年代中后期以来，低压电力载波通信成为国内外电气工程、网络工程等领域的热门研究课题。

低压电力线载波通信,其解决方案的优劣直接影响到系统的技术水平和实用性。

一个合理的解决方案必须是在充分地考虑了PLC技术特点的基础上提出：

3.2.1工作频段

早在20世纪90年代初期，欧洲就提出了BSEN50065标准，此标准对与于低压电力线上的载波信号的频段、频带和电平等做出了具体的规定。

迄今为止，这一标准仍是全球唯一具有针对性的标准，全世界范围内在低压电力线上的任何方式载波无不严格地遵循它。

此标准的第一部分即：

BSEN50065-1对频段的规定是：

3KHz-9KHz----电力公司专用频段

9KHz-95KHz----电力公司和经电力公司许可的用户使用的频段

95KHz-148.5KHz----其它用户使用的频段

当今的技术发展日新月异，全球不少重量级的公司（例如Microsoft、Intellon、THOMSON、3COM、AMD等）都不惜高昂的研发费用，开发低压电力线资源，低压电力线作为一种新的通信载体，将在未来家庭网络技术方面发挥出不可替代的作用。

可以相信在不久的将来，低压载波电力线将同无线电波一样变得十分宝贵，因此将受到严格的管理和控制。

3.2.2传输速率

载波通信的传输速率是自动抄表系统的一项重要技术指标，也是载波通信技术水平的一项重要标志。

通信速率（波特率）和误码率是一对矛盾，波特率越高，误码率就越高，通信成功率就越低。

因此波特率的设计至关重要。

对于抄表系统而言，考虑到成本的因素，不宜追求很高的传输速率，在性价比合适的前提下，通常速率应在2400bps以下。

对实际使用来讲，从300bps～2400bps都是可行的，但如果太低（比如300bps以下），仅仅用于抄表尚可以使用，但如果系统具备较强的管理功能，太低的传输速率就无法满足了。

另一方面，速率太低，多数情况下需要设备长时间地处于发送状态，整体功耗就会很大。

3.2.3双向通信

在抄表系统中，低压载波通信必须是双向的，这是因为：

低压电网上丰富噪声而且是客观存在的，对载波信号所呈现出阻抗也是动态的，而且在用电负荷很大时，阻抗是很小的。

因此，设计通信时必须面对这个客观事实。

再加上其他因素的影响，数据通信的成功率会受到较大的影响，有时甚至会造成从集中器到表端设备通信的持续性失败，这种情况下就需要系统有中继的功能，而切实可行的中继方法是表端设备（采集模块或采集终端）在集中器的干预下进行中继，这就要求从集中器到表端的载波通信必须是双向，否则将会严重影响数据的完整性，有时会因为通信的原因迫使用户更换采集模块，其麻烦程度和经济损失是不言而喻的。

3.2.4调制解调方法

由于电力线信道中存在着大量的无规律干扰源，有窄带的，也有宽带的，并且电力线的阻抗随机变化，对载波信号的衰减很大。

目前市场销售产品的调制/解调方法大致分为点频和扩频，而扩频又分为窄带扩频和宽带扩频。

通常点频方式需要较大的发送功率，载波信号幅度有可能超出规定标准。

宽带扩频容易提高传输速率，但成本较高，而且占用较宽的频带也是资源的浪费。

3.2.5扩频通信原理

PLC是以电力网为通信信道，实现数据传递和信息交换。

与其它通信方式相比，可大大节省通信网建设费用。

扩频通信是信息时代的三大高技术通信手段之一，具有窄带通信所不具备的优良性能，如抗干扰性强，误码率低等优点。

即使在背景噪声恶劣的情况下，也能保证可靠的通信。

理论分析和实验表明，将扩频技术应用于电力线载波通信是可行的。

扩频通信的主要优点:

①频谱密度低，电磁辐射小

扩频通信在相对较宽的频带上扩展了信号频谱，降低了信号的功率谱密度,使信号能量不再集中在一个很窄的频带，降低了电磁辐射的发射功率，降低了对其它通信系统的干扰。

②抗干扰性强，误码率低

扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而接收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，对于各种形式随机干扰或其他窄带或宽带（扩频）系统的干扰，只要波形、时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性。

这样，通过窄带滤波技术提取有用信号时，各种干扰信号只有很微弱的成份，信号的信噪比很高，抗干扰性增强。

③可以实现码分多址

由于在扩频通信中存在PN码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。

④安装简便，易于维护

扩频通信设备是高度集成的，采用了现代电子科技的尖端技术，因此十分可靠、小巧，大量运用后，成本降低，安装便捷，易于推广应用。

实现扩频有三种途径：

直接序列调制（DS）、跳频载波（FH）、线性调频（Chirp）和跳时调制（TH）。

在电力系统应用的主要是直序调制和线性调频扩频系统。

在这里只讨论直序扩频调制。

所谓直序扩频调制，就是用高速率的伪噪声码序列（PN码）和低速率信息码序列相乘，从而将基带信号扩展到很宽的频带范围内，达到扩频的目的。

扩频信号经过BPSK调制后发送到线路；在接收端，在保证同步的情况下，利用相关接收技术，接收端产生的伪噪声码序列和发送端伪噪声码序列相同时，就可以正确地解扩出信息码。

3.3PLC技术可行性研究

目前的路灯监控系统只能实现对每条支路路灯的开关灯控制，不能实现对每盏灯的单独控制，无法了解各条路灯线路上的具体每盏灯的工作情况，无法实现对每盏路灯的调光节能控制，也实现不了系统自动识别每盏路灯是否故障。

为了克服上述，利用最新的低压电力线载波（PLC）技术可以实现单灯控制器。

它通过现有的220V低压电力线利用载波技术远程控制每盏路灯，检测路灯的工作状态，可以实现调光节能，而且可以自动识别路灯故障。

采用PLC技术的优点:

a.考虑路灯实际情况，无需另外铺设通信线路，减少系统投资。

b.可以自动监测路灯网中的任一盏灯的工作状态。

c.投资回报率高，可节省大量电费。

d.可延长路灯的使用寿命。

设计的单灯控制单元接路灯的输入端，具备可识别的独一地址，并由微处理器、载波单元、A/D转换单元、存储单元、继电器等组成。

单灯控制单元可实现路灯开关，调光控制，状态检测以及PLC通信等四部分功能，其中前三部分功能模块实现起来比较容易。

单灯控制单元的PLC通信采用主从式链状网络，按照各个单灯控制单元在通信中的功能不同，区别为主节点和从节点。

通信时由主节点对各从节点轮询，所有通信都由主机发起，通信的目的从节点是唯一的，从机只有得到主机命令后才可以向主机回复命令，这样的仲裁机制保证了在同一电力线上同一时间最多只能有一个PLC模块向外进行通信。

由于一般单个PLC的通信一般500米以内，而对于路灯支路来说，这样的通信距离是不够的，因此在通信链路上，相隔一定数量的单灯控制单元，必须设定通信中继节点，这些节点也是主节点，负责链路的中继传输。

各个中继之间距离合适，这样才能够保证整条支路的正常通信。

通过以上的介绍，在本系统中采用PLC在电力线载波调制解调器与路灯控制器之间通信。

3.4路灯控制整体实现

可见光由LX1970接受可见光并转换成电流信号，此信号由AD转换器转换成数字信号输入到74LS373锁存器中，再由主单片机AT89S52的P0口读取出来。

分析对比与设定的值比较是否需要开启路灯。

第四章系统各部件详细说明

通过总体设计结构的介绍，主要是对GPRS模块的设计、电力线载波模块的设计、路灯控制器的设计。

4.1GPRS模块的硬件设计

GTM900B共有40个引脚，通过ZIF（