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1、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 IIAbstract III第一章 绪论 1第二章 系统的组成 22.1 系统组成 22.2 单灯控制器 22.3 GPRS网关 32.4 监控中心 32.5 管理平台软件 3第三章 单灯控制器的设计 43.1 电路设计及工作原理 43.2单片机89C52及其存储电路 53.3检测电路的设计 73.4 LED照明驱动的设计 93.5 通信模块的设计 103.6 单灯控制器的控制流程 12第四章 无线网络数据传输 134.1GPRS数据传输一般过程 134.2 GPRS无线通信系统原理 144.3 GPRS指令传输方式 15总

2、 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3-3 89C52的引脚图 5图3-4 89C52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3-7 LED光源的受控过程 10图3-8 LED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4-1 GPRS数据传输的一般过程 13图4-2 MC35 GPRS发起分组数据传输过程 14图4-3 GPRS网络与计算机网络数据传输 15LE

3、D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

4、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；G

5、PRS ；远程控制；节能减排LED street lamp remote control systemAbstractCity street lighting is an important part of the global street, is now undergoing a technological revolution. Large power LED lamp various aspects performance far exceeds the traditional lights, LED lights to replace the high-pressure sodium

6、 lamp, is the future trend of energy saving and emission reduction. Chinas implementation of the Ten City project plan, about the current2000-2500 million lamp traditional street lighting, and gradually replaced by LED lighting, LED lights market foreground is very wide. At the request of energy sav

7、ing, environmental protection at the same time, managers also hopes the new LED street lamp system is capable of remote control, easy to operate, the intelligent, automatic management of city lighting system, it can save energy, reduce maintenance cost, improve the efficiency of management, for the

8、timely processing of all kinds of unexpected events and failure to provide effective protection, at the same time for the public to provide more humane, more secure public lighting services.This topic is available in the LED illumination driving power source, wireless transmitting and receiving devi

9、ce, using a single lamp positioning data acquisition and control mode, through the GPRS wireless data transmission platform, a wireless network topology structure, control in the computer to realize the large-scale lighting system control, monitoring and management. The system consists of a single l

10、amp controller, GPRS wireless communication platform and control center and other units, as the advocate of the energy-saving emission reduction society provides a complete intelligent lighting equipment management solution.This topic originates from the instructor and enterprise cooperation researc

11、h topic. Through discussion, research, proposed one kind based on the GPRS wireless communication technology of remote control lighting system solutions, not necessarily can actually put into operation. Believe, as the public lighting service requirements improve, people on the street light remote c

12、ontrol technique will be more attention. I will be with my instructor, cooperative enterprises together, and strive to improve the program, can enter the practical.Keywords: LED lightin；GPRS；Remote control；Energy saving and emission reduction 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

13、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

14、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

15、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

16、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MC35 GPRS，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

17、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。2.3 GPRS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X25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

18、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

19、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64K RAM（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

20、列如图3-3所示，主要引脚功能如图3-3所示：图3-3 89C52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

21、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*8 RAM扩展电路如图3-4所示。图3-4 89C52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64K RAM（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

22、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

23、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0145

24、mv，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AD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DA转换器逐次逼近（

25、即分辨率8位），具有转换起停控制端、模拟输入电压范围05V，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，P25连接AD0809的OE端，允许AD0809转换输出；P24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

26、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

27、也可自动打开，保证道路正常照明。3.4 LED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 100W LED 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

28、改变LED的电流，达到调光目的。图3-7 LED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3-8 LED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

29、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

30、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GRPS Class 8/Class B ；支持GSM phase2/2+ ； 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

31、下行最大速率85.6kbps ；接口：40pin；包括电源、3V SIM卡、RS232接口、语音、控制等管脚 / 50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