基于LED冷光源的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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3 通信的實(shí)現(xiàn)
整個系統(tǒng)采用分級通信機(jī)制，一級為監(jiān)控終端和集中控制器的通信，另一級為集中控制器和路燈控制器的通信。
監(jiān)控終端與集中控制器之間的通信采用GPRS。集中控制器監(jiān)控和管理所在轄區(qū)所有的路燈，其和路燈控制器之間采用電力線載波通信。集中控制器可以獨(dú)立工作，根據(jù)提前設(shè)定的方案開關(guān)燈、循環(huán)地收集所轄范圍各路燈控制器的相關(guān)信息，每當(dāng)完成所有路燈的一次信息收集時，集中控制器將剛收集到的各路燈控制器監(jiān)測路燈的信息迅速反饋給監(jiān)控終端，當(dāng)集中控制器收到監(jiān)控終端的命令時，將監(jiān)控終端下達(dá)的命令解析并通過電力線載波通信發(fā)送給路燈控制器讓其執(zhí)行相關(guān)的動作。路燈控制器一直處于等待模式，其循環(huán)地收集該燈柱所有燈的電流及狀態(tài)信息，一旦接收到有與本機(jī)地址相符的命令就執(zhí)行相應(yīng)的動作并反饋執(zhí)行結(jié)果給集中控制器。通過這兩級通信，整個監(jiān)控系統(tǒng)的巡檢周期可以大大縮短。
3．1 路燈控制器與集中控制器通信實(shí)現(xiàn)
為了便于系統(tǒng)的軟硬件模塊設(shè)計(jì)、調(diào)試，以及后續(xù)的系統(tǒng)調(diào)試、故障分析和系統(tǒng)升級等，本次設(shè)計(jì)采用了雙CPU結(jié)構(gòu)，兩個CUP分別是PL3105(負(fù)責(zé)載波收發(fā)的相關(guān)控制)和宏晶的STCl2C5404AD(其他控制)。STCl2C5404AD單片機(jī)是一款高速、寬電壓、低功耗的增強(qiáng)型8051內(nèi)核單片機(jī)。由于設(shè)計(jì)中要求的實(shí)時性不高，這里直接采用串口通信，PL3105的RXD，TXD直接與STCl2C5404AD的RXD，TXD連接，通過編寫單片機(jī)啟動程序，對其初始化設(shè)置，根據(jù)通信協(xié)議完成集中控制器發(fā)布的各項(xiàng)動作。電壓、電流采集電路分別通過HCT218及HPT304精密微型電壓互感器感應(yīng)交流的電壓、電流，再通過I-V互換得出相應(yīng)電壓值。該路燈控制器是單燈操作，以同一變壓器工作下的路燈為一局域，多個電力線載波模塊連接在同一相線上，在主從通信模式下，模塊分別單獨(dú)工作。其硬件框圖如圖2所示。
3．1．1 電力線載波模塊
電力線載波通信(Power Line Communication，PLC)是利用電力線載波實(shí)現(xiàn)信息傳遞的通信方式的統(tǒng)稱。它具有諸多優(yōu)點(diǎn)：如應(yīng)用范圍廣、實(shí)現(xiàn)成本低、永久在線等。
電力線載波模塊使用的PL3105芯片是專為自動抄表、智能信息家電以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)而開發(fā)的單片系統(tǒng)芯片(SoC)。采用8051指令兼容的高速微處理器，軟件易于開發(fā)；內(nèi)嵌的載波通信控制單元使其具備了在低壓電力線上組網(wǎng)遠(yuǎn)程通信的強(qiáng)大功能；CPU通過配置寄存器來實(shí)現(xiàn)對載波通信的控制，接口方便；擴(kuò)頻通信單元具有較強(qiáng)的抗帶內(nèi)同頻干擾、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。
3．1．2 路由算法的實(shí)現(xiàn)
路由器是網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)部件，可提供比網(wǎng)橋更豐富、靈活的網(wǎng)絡(luò)互連功能，是目前使用最多的網(wǎng)絡(luò)互連部件之一。路由算法是用軟件方法實(shí)現(xiàn)路由的功能。
由于一般的電力載波芯片的可靠通信距離在500 m左右，在實(shí)際應(yīng)用中遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最大通信距離，所以在本次設(shè)計(jì)的路燈控制器中增加了路由協(xié)議層，并以其性能優(yōu)越的物理層設(shè)計(jì)及完善的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，保證了可靠的網(wǎng)絡(luò)通信性能。在同一轄區(qū)電力線上的設(shè)備只要整合入了此芯片及相關(guān)通信模塊就可成為能利用電力線來進(jìn)行控制的智能控制產(chǎn)品。
路由動作包括兩項(xiàng)基本內(nèi)容：尋徑和轉(zhuǎn)發(fā)。尋徑即判定到達(dá)目的地的最佳路徑，路徑信息根據(jù)使用的路由算法不同而不同。路由算法根據(jù)許多信息來填充路由表，并通過交換路由信息維護(hù)、更新其路由表，路由更新信息通常包含全部或部分路由表，通過分析來自其他路由器的新信息，該路由器就可以建立起新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。在一些環(huán)境復(fù)雜且大規(guī)模的項(xiàng)目中，采用動態(tài)路由算法，通過分析收到的路由更新信息來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的改變。如果信息表示網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了變化，路由軟件就重新計(jì)算路由并發(fā)出新的路由更新信息。這些信息滲入網(wǎng)絡(luò)，促使路由器重新計(jì)算并對路由表做相應(yīng)的改變，并且在適當(dāng)?shù)牡胤揭造o態(tài)路由作為補(bǔ)充，以使系統(tǒng)整體穩(wěn)定運(yùn)行。鑒于有些項(xiàng)目規(guī)模較小，載波網(wǎng)絡(luò)的硬件十分固定，而且相對來說傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也比較少，所以也可以只使用靜態(tài)路由表算法，這使得算法更容易設(shè)計(jì)，工作效果也很好。轉(zhuǎn)發(fā)即沿尋徑好的最佳路徑傳送信息分組。
路由動作的操作過程主要包括下面幾點(diǎn)：
(1)接收、分解數(shù)據(jù)包。當(dāng)路由器接收到數(shù)據(jù)包之后，首先驗(yàn)證其合法性，然后把報頭、報文和校驗(yàn)字節(jié)分離開來。再根據(jù)報頭的不同，選擇操作。
(2)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。當(dāng)接收到有效的報文時，路由器必須決定該數(shù)據(jù)是本地提交還是向前轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)IP廣播或多播時，也可能是一種混合的情況。對這些情況的判斷，主要根據(jù)下面三個規(guī)則進(jìn)行處理：
①當(dāng)IP目的地址中有一個源路由選項(xiàng)時，根據(jù)路由表的相應(yīng)表項(xiàng)將其發(fā)送到下一個站點(diǎn)，而不進(jìn)行本地提交。
②當(dāng)IP目的地址中的某一個地址與路由器的某個端口地址相符時，將進(jìn)行本地提交。
③當(dāng)IP目的地址是一個廣播地址，或者是個既要轉(zhuǎn)發(fā)又要本地提交的多播地址時，將同時進(jìn)行兩個操作。
(3)轉(zhuǎn)發(fā)尋址。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何將分組發(fā)送到下一個站點(diǎn)(路由器或主機(jī))，如果路由器不知道如何發(fā)送分組，通常將該分組丟棄；否則就根據(jù)路由表的相應(yīng)表項(xiàng)將分組發(fā)送到下一個站點(diǎn)，如果目的網(wǎng)絡(luò)直接與路由器相連，路由器就把分組直接送到相應(yīng)的端口上。
(4)轉(zhuǎn)發(fā)驗(yàn)證。在轉(zhuǎn)發(fā)之前，路由器應(yīng)該對數(shù)據(jù)包進(jìn)行一些校驗(yàn)工作，而只有驗(yàn)證無誤的時候才能進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，否則將數(shù)據(jù)包拋棄而重新提示數(shù)據(jù)包的廣播源重發(fā)。這里的校驗(yàn)分為兩個部分：一個是IP的驗(yàn)證，看是否接受到得數(shù)據(jù)包目標(biāo)IP符合要求；二是具體數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，看校驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)是否有誤。
3．2 路燈節(jié)能控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
3．2．1 集中控制器
主程序結(jié)構(gòu)分為兩個部分：一是初始化段，另一部分是循環(huán)主體。為了便于調(diào)試，維護(hù)，本設(shè)計(jì)中采用了多模塊的組織結(jié)構(gòu)。每個任務(wù)都是一個子函數(shù)，在主程序循環(huán)體中，逐一調(diào)用任務(wù)模塊，這些模塊功能的執(zhí)行取決于其條件標(biāo)志是否滿足，主程序流程圖如圖3所示。
為了避免各任務(wù)搶占時鐘資源，造成時間沖突，采取以下措施：
(1)根據(jù)任務(wù)的不同給予不同的時間調(diào)度。例如LCD顯示刷屏處理只需要1 s調(diào)用一次；按鍵處理為10 ms調(diào)用一次；設(shè)備巡檢按照設(shè)備編號5 min調(diào)用一次，定時處理程序流程圖如圖4～圖6所示。
(2)為了避免因某些任務(wù)的單次執(zhí)行過長影響其他任務(wù)的及時處理，可以將一個任務(wù)分為多個時間片處理。例如：按鍵處理程序中，當(dāng)首次監(jiān)測到按鍵閉合時，是需要10 ms的延時時間來消抖，但是如果在程序中用10 ms的延時程序來實(shí)現(xiàn)就會影響到其他程序的執(zhí)行，故應(yīng)該把這10 ms的等待時間讓給其他任務(wù)執(zhí)行。
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