（信号与信息处理专业论文）智能路灯测控与安全系统的研制.pdf

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协调器模块、集中 控制单元的输出端、g p r sd t u 模块，实现路灯的信号采集与数据上传。软件设计方 面，在平板式显示单元上嵌入了图形驱动库，设计了人机交互界面，移植了i - t c o s i i 实时操作系统，实现系统资源的合理分配，保证各任务的正常运行；主控器将路灯数 据以一定的通信协议格式传输，提高通信效率；安全装置中的集中控制单元利用软件 解码电网上载波的信号，同时根据路灯电缆所处的状态给出不同的指示信号。 关键词：路灯测控，电力线载波通信，电缆安全，g p r s ，z i g b e e ， a r m 作者：廖小情 导师：陈小平 t h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n c es t r e e t l i g h tt r a c k i n g a n ds e c u r i t ys y s t e m a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c h i n a su r b a ns t r e e tc o n s t r u c t i o nh a sa c h i e v e dr a p i dd e v e l o p m e n t ， s t r e e t l i g h t i n gr e q u i r e m e n t sa n dt h ei n c r e a s i n gn u m b e ro fu r b a ns t r e e tm o n i t o r i n ga n d s t r e e t l i g h tf a c i l i t i e sm a n a g e m e n ti s s u e sb e c o m em o r ea n dm o r ep r o m i n e n t ，m o r es e r i o u s i s t h a tt h ef r e q u e n tt h e f to rd a m a g eo ft h el i g h t i n ge q u i p m e n ta n dc a b l e sc a u s e dt h el a m p s d o n o tl i g h t ，w h i c hn o to n l ya f f e c tt h ei m a g eo ft h eu r b a nl a n d s c a p ea n du r b a nt r a n s p o r t ，a n d r e t u r n e dt os o c i e t yc a u s e dn os m a l le c o n o m i cl o s sa n dh a r m v i e wo ft h i ss i t u a t i o n ，t h e p a p e rd e s i g n sat i m e l yd i s p l a yo fs t r e e tl i g h to p e r a t i o na n d2 4 - h o u ra l a r mm o n i t o r i n ga n d c o n t r o lo fs t r e e tl i g h t sa n ds e c u r i t ys y s t e m s t h es y s t e mt a k e sa d v a n t a g eo ft h ee m b e d d e dp r o c e s s i n ga n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ( g p r s z i g b e e ) ，c o m p u t e rn e t w o r k s ，p o w e r l i n ec a r d e rc o m m u n i c a t i o n ss c i e n t i f i c c u t t i n g - e d g et e c h n o l o g y , c o m b i n e sw i t ht h ec i t yl i g h t i n gi n d u s t r y sm a r k e td e m a n d ，a n d b u i l d sas e to fd a t aa c q u i s i t i o n ，t e l e c o m m u n i c a t i o n s ，s t r e e tl i g h t i n ga n dc a b l es a f e t ys t a t u s d i s p l a ya n da l a r mi no n eo ft h ea r m a n dz i g b e eb a s e ds t r e e tl i g h tt r a c k i n ga n ds a f e t y s y s t e m s t h e r e b y , s t r e e tm a n a g e m e n tp e r s o n n e li nt h er o o mc a nh a v et h el a m po p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，r e d u c i n gt h eo p e r a t i n gc o s t so fs t r e e tm a n a g e m e n t ，a n db y2 4 书o u rr e a l - t i m e d e t e c t i o no fc a b l es t a t u s ，c a b l ec a nb ep r e v e n t e df r o mb e i n gs t o l e nt h e f te f f e c t i v e l y t h ei n t e l l i g e n c es t r e e t l i g h tt r a c k i n ga n ds a f e t ys y s t e mc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：t h e h a t - p a n e ld i s p l a yu n i t ，m a s t e r , a n ds t r e e ts a f e t yd e v i c e i nt h i sp a p e r , t w oa s p e c t so ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nt od e s c r i b et h ep r o c e s so ft h ew h o l es y s t e m i nh a r d w a r e d e s i g n ，t h ef l a t - p a n e ld i s p l a yu n i ta sl p c 2 4 7 8f o rt h e m i c r o p r o c e s s o r , e x p a n d st h ec o l o r l c dd i s p l a yf u c t i o n ，l c dt o u c hf u n c t i o n ，k e y sf u n c t i o n ，a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n s ；s t r e e tl i g h ts a f e t yd e v i c ew i t hap o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o nt h e o r y , s i g n a l t r a n s m i s s i o nu n i ta sas i g n a ls e n d e ra n dc e n t r a l i z e dc o n t r o lu n i ta sas i g n a lr e c e i v i n ge n d ， t oa c h i e v e2 4h o u r so fd e t e c t i o no fs t r e e tl i g h tc a b l es t a t u s ；m a s t e ra sl m 3 s 2 9 4 8f o rt h e u t h ed e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n c es t r e e t l i g h tt r a c k i n ga n ds e c u r i t ys y s t e m a b s t r a c t m i c r o p r o c e s s o r e x t e r n a lz i g b e ec o o r d i n a t o rm o d u l e ，c e n t r a lc o n t r o lu n i to fo u t p u t ，g p r s d t u m o d u l e ，s t r e e t l i g h t ss i g n a la c q u i s i t i o na n dd a t au p l o a d i n s o f t w a r ed e s i g n ，t h e f l a t b e dh o s ti se m b e d d e dg r a p h i c sd r i v e rl i b r a r y , d e s i g n e da n dw r i t t e nm a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ，t r a n s p l a n t e d “c o s i ir e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，t h er a t i o n a l a l l o c a t i o no f s y s t e mr e s o u r c e s ，t oe n s u r et h en o r m a lo p e r a t i o no fe a c ht a s k ；m a s t e rm a k e st h es t r e e tl i g h t d a t aa sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o r m a tf o rt r a n s m i s s i o nt oi m p r o v ec o m m u n i c a t i o n e f f i c i e n c y ；c e n t r a l i z e dc o n t r o lu n i tu s e ss o f t w a r ed e c o d e rp o w e rl i n ec a r r i e rs i g n a l s ，a tt h e s a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h es t a t u so fs t r e e tl i g h tc a b l ew h i c hg i v e st h ei n d i c a t i o ns i g n a l k e y w o r d s ：l i g h tt r a c k i n g ，p l c ，c a b l es a f t y , g p r s ，z i g b e e ，a r m w r i t t e n b y ：x i a o q i n gl i a o s u p e r v i s e db y ：x i a o p i n gc h e n 目录 第一章绪论。1 1 1 本课题研究背景l 1 2 本课题的研究内容及任务3 1 2 1 本课题的研究内容3 1 2 2 本课题的研究任务3 1 3 本论文的章节安排。4 第二章智能路灯测控与安全系统总体设计。6 2 1 系统设计要求。6 2 2 系统设计。6 2 2 1 系统框架6 2 2 2 平板式显示单元7 2 2 3 主控器微控制器9 2 2 4g p r s 通信模块9 2 2 5 路灯安全装置检测方案1 0 2 3 本章小结1 0 第三章智能路灯测控与安全系统硬件设计1 l 3 1 平板式显示单元硬件设计11 3 1 1 微处理器l p c 2 4 7 8 介绍1 l 3 1 2l p c 2 4 7 8 基本系统设计1 3 3 1 3l v d s 显示器驱动模块设计1 5 3 1 4 触摸屏驱动模块设计1 8 3 1 5 键盘驱动模块设计1 9 3 2 主控器硬件设计2 0 3 2 1 微处理器l m 3 s 2 9 4 8 介绍2 0 3 2 2 微处理器l m 3 s 2 9 4 8 基本系统设计2 1 3 2 3g p r sd t u 模块电路连接2 2 3 2 4z i g b e e 协调器模块电路连接2 3 3 3 路灯安全装置硬件设计2 4 3 3 1 电力线载波通信原理2 4 3 3 2 路灯安全装置工作原理。2 6 3 3 3 信号发送单元模块设计2 8 3 3 4 集中控制单元模块设计3 0 3 4 本章小结3 3 第四章智能路灯测控与安全系统软件设计3 4 4 1 平板式显示单元软件设计3 4 4 1 1l c d 控制器软件设置3 4 4 1 2 嵌入式图形模块移植3 7 4 1 3 触摸屏模块软件设计3 8 4 1 4 键盘模块软件设计3 9 4 1 5 9 c o s i i 工作原理与移植4 l 4 2 主控器软件设计4 4 4 2 1 主控器与z i g b e e 协调器模块的通信协议4 5 4 2 2 与g p r sd t u 模块通信协议4 6 4 3 路灯安全装置软件设计4 7 4 4 本章小结4 8 第五章智能路灯测控与安全系统测试与分析4 9 5 1 平板式显示单元工作界面显示4 9 5 2 路灯安全装置信号分析5 0 5 3 主控器的消息处理5 2 5 4 本章小结5 3 第六章总结与展望5 4 参考文献5 6 攻读硕士学位期间公开发表的论文5 9 附录1 实物照片6 0 附录2 智能路灯测控与安全系统电路图6 l 致j 射6 4 智能路灯测控j 安伞系统的研制第一章绪论 1 1 本课题研究背景 第一章绪论 1 国外研究背景 随着计算机通信技术的发展，路灯控制系统的结构己从第四代的集散控制方式， 发展到如今第五代的分布式控制方式。分布式控制的特点包括：布局上高度分散化， 控制上高度模块化，控制器性能上高度智能化、并能够自我诊断和容错，信息通过总 线方式或无线通信方式高速传输。分布式控制方式的结构简单可靠，易于设计、安装、 运行与维护【l l 。 物联网是近年来新兴的一个产业，虽然出现的时间不长，但其相关产业一直在发 展，尤其是z i g b e e 技术。目前，国外物联网技术的发展进入了一个比较成熟的阶段， 物联网一些相关的业务应用也开始大力发展，并在此基础上建立了比较完善的商业运 营模式2 1 。不过，物联网的基础技术主要还是集中在美国。德州仪器( t d 是美国著名 的数字嵌入及应用处理半导体解决方案和模拟器件解决方案供应商，在物联网领域提 供高性能的基础芯片和通信模块，如z i g b e e 芯片和移动通信芯片产品。 在国外，电力线是在上个世纪2 0 年代就出现了。国外对电力线载波通信技术的 研究也很早就开始了。基于电力线载波通信的调制解调芯片被多家公司研究开发出 来，并且制定了一些相关的通信标准【3 1 。目前在德国、英国、法国等国，该技术的应 用已趋于广泛化。美国主要研究低压电力线载波通信在智能化家电及智能化小区建设 等领域的应用，欧洲国家则将精力主要放在了低压载波通信技术应用于因特网高速接 入等方面的研究【4 】。 2 国内研究背景 随着中国城市和经济的迅速发展，城市道路照明正成为城市形象的一个重要亮 点。城市照明不仅使城市“靓 起来了，而且在人们生活、交通安全、社会治安以及 吸引外商促进经济发展等方面起着非常重要的作用。但是，随着城市照明范围扩大化 发展，城市照明的管理问题、照明设备及照明电缆被破坏等问题也越来越突出1 5 1 。 第一章绪论 智能路灯测控与安全系统的研制 最原始的路灯管理方式是依靠安排大量的路灯工作人员巡视或市民保修等手段。 有时在人流比较稀少的地方，很难发现照明设备或电缆出了问题，这同时也给一些不 法分子作案提供了有利环境。这种监管不仅需要耗费较大的人力、物力、财力，而且 不能实现实时监控路灯设施的运行状态，造成设施故障信息滞后，不能及时进行维护， 很难满足现代高亮灯率的要求 6 1 。 近年来，随着计算机技术的快速发展，应用计算机技术、嵌入式微处理技术、电 子通信技术等技术均取得了显著成效1 7 1 。利用计算机技术及嵌入式微处理技术等现代 化技术1 8 1 来实现路灯控制系统的科学化、智能化管理势在必行【9 1 。因此，研制一种新 型的路灯测控与安全系统，对及时掌握各路路灯亮灯状况及路灯线路安全状况，提高 城市路灯管理水平，同时降低管理成本，提高效率，具有非常重要的意义和社会应用 价值。 针对目前城市照明分布范围广、线路复杂等特剧1 0 1 ，g s m g p r s 远程无线通信 技术1 1 、z i g b e e 技术、电力线载波通信技术【1 2 1 等也被运用在了路灯智能控制领域。 g s m g p r s 远程无线通信技术主要用于将路灯控制器的指令或现场收集的运行数据 上传给路灯监控中心，实现遥信【”】。z i g b e e 技术是一种新兴的短距离、低速率、低 复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术【1 4 1 。z i g b e e 技术在物联网中的应用主要是 传感网络和传输网络。在路灯控制系统中，z i g b e e 单灯负责采集单灯电流、控制单 灯开关等；所有z i g b e e 单灯将采集的信息通过路由上传给z i g b e e 协调器，组成传输 网络。电力线载波通信，英文简称p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) ，是利用电力线为 载波信号的传输媒介，实现信息传递的电力系统通信【1 5 1 。自上世纪5 0 年代，中国也 开始着力于研究电力线载波通信技术1 1 6 1 。但在这之后的一段时间内，我国对p l c 研 究的应用基本上只仅限于电力行业，如传输电网远程信息及低速率的语言通信。近年 来，随着数字技术的发展，p l c 技术也开始向数字化发展，如远程抄表应用、电力线 扩频载波芯片等等。 2 智能路灯测控j 安全系统的研制 第一章绪论 1 2 本课题的研究内容及任务 1 2 1 本课题的研究内容 本文针对路灯管理的需求，提出了一种基于a r m 及z i g b e e 的嵌入式路灯测控 与安全系统。系统包含三部分：平板式显示单元、主控器和路灯安全装置。平板式显 示单元作为监控中心的显示器，具有人机交互功能，能及时显示路灯单灯的运行状态 和照明电缆安全状态。主控器作为整个系统的信息收集器，利用z i g b e e 模块收集单 灯信息，利用路灯安全装置获取电缆状态，通过g p r sd t u 无线传输给平板式显示 单元。路灯安全装置由信号发送单元和集中控制单元组成，两者通过电力线载波实现 通信。 本系统基于两个嵌入式微处理器平台，一个是以l p c 2 4 7 8 为核心的平板式显示 单元：一个是以l m 3 s 2 9 4 8 为核心的主控器。其中，在l p c 2 4 7 8 微处理器平台上， 移植g c o s i i 操作系统，带有按键功能、扩展了触摸功能的彩色液晶显示及无线通 信功能。路灯安全装置主要用于检测路灯电缆线路是否被剪断或损坏，可用于电缆防 盗。路灯安全装置的信号发送单元和集中控制单元分别接在某一路灯回路的两端，信 号发送单元利用数字信号控制l c 振荡载波在路灯电力线上传输，集中控制单元接收 载波，并在无供电情况下全天候检测路灯电缆安全。 1 2 2 本课题的研究任务 1 平板式显示单元 平板式显示单元主要包括l v d s 接口液晶驱动电路、触摸屏控制电路、按键扫描 电路和串口通信电路。l v d s 接口液晶驱动电路主要实现t t l 电平与l v d s 电平转 换功能，即将l p c 2 4 7 8 内置l c d 控制器输出的并行t t l 电平数据控制信号转换成 工业级l v d s 信号标准的串行数据驱动液晶，从而完成系统的人机交互任务。触摸屏 控制电路实现当屏幕被触摸时，采集接触所产生的电压，通过微处理器将电压信号转 化为相应坐标值。按键扫描电路由b c 7 2 8 1 芯片和7 4 h 1 6 4 芯片组成，完成按键扫描， 能节省占用微控制器i o 管脚的数目并减少c p u 负担。串口通信电路将t t l 电平转 换为r s 2 3 2 的负逻辑电平，实现l p c 2 4 7 8 与g p r s 模块之间的数据传输。 3 第一章绪论智能路灯测拄与安伞系统的研制 2 平板式显示单元界面 为了设计出丰富多彩的人机交互界面，本次设计采用了德州仪器公司( t i ) 提供的 源代码丌发的群星系列图形驱动库( t is t e l l a r i sg r a p h i c sl i b r a r y ) 。该图形驱动库提供 了一些基本图形和为创建图形用户界面的w i d g e t 控件，给使用图形l c d 应用程序提 供了独立于硬件的图形用户接口( a p i ) 。此外，该图形驱动库除了必须用汇编编写的 地方外，所有代码完全用c 语言编写，易于理解，方便移植到各种a r m 处理器上， 并支持任何大小的图形显示器。 3 p c o s i i 操作系统移植 与其他操作系统不同，p c o s 1 1 只有一个内核，提供任务调度、任务问的通信与 同步、任务管理、时间管理和内存管理等基本功能。p c o s - i i 代码大小只有百来k b ， 在一般微控制器上都能运行。因此，在平板式显示单元的软件设计上采用多任务工作 方式，利用p c o s i i 操作系统实现系统资源的合理分配，保证各任务的正常运行。 4 主控器与模块通信 主控器与g p r s 模块和z i g b e e 协调器模块通信，在通信过程中，为了提高通信 效率，将收集到的数据按一定的协议格式传输。与g p r s 模块通信，实现主控器与平 板显示单元的远程通信，与z i g b e e 模块通信，实现路灯数据的近程传输。 5 路灯安全装置电路 路灯安全装置电路的设计包括信号发送单元电路和集中控制单元电路。信号发送 单元电路，采用电力线载波通信原理，将载波信号发送到路灯电力线上。集中控制单 元电路负责监测路灯电缆安全还是被剪断或损坏。在晚上路灯开灯期间，检测信号发 送单元发送过来的载波信号：在白天路灯关灯情况下，检测路灯电缆上的阻抗值。这 样实现了路灯电缆的安全检测。 1 3 本论文的章节安排 全文共分为6 章，主要研究工作及章节安排如下： 第一章绪论。首先介绍基于a r m 路灯测控与安全系统研究的背景及意义；其 次，给出本论文的研究内容和研究任务。 第二章智能路灯测控与安全系统总体设计。本章首先提出了系统的设计要求， 4 智能路灯测挖。j 安伞系统的研制第一章绪论 然后介绍了系统的基本构架，并针对系统的各个主要部分进行了硬件选型分析、方案 选择。 第三章智能路灯测控与安全系统的硬件设计。本章介绍了整个系统的硬件设计， 包括嵌入式主芯片l p c 2 4 7 8 基本系统，液晶驱动，触摸屏及按键驱动，l m 3 s 2 9 4 8 基本系统，g p r sd t u 与平板式显示单元和主控器的连接电路，z i g b e e 模块与主控 器的连接电路，路灯安全装置的电路结构与分析。 第四章智能路灯测控与安全系统的软件设计。本章根据该系统要实现的功能进 行软件设计，主要涉及实现方法，以及软件程序流程图描述。其中主要包括g c o s i i 操作系统的移植与系统多任务的实现和集中控制单元的软件设计等。 第五章智能路灯测控与安全系统测试与分析。给出该系统设计的实验结果及分 析。 第六章总结展望。本章节对本论文进行总结，评价在设计过程取得的成果和存 在的不足，以及对该系统的市场运用前景和功能扩展进行展望。 5 第二章系统总体设计智能路灯测j 窄与安全系统的研制 第二章智能路灯测控与安全系统总体设计 2 1 系统设计要求 路灯测控与安全系统是新一代的智能化照明控制系统，相比于已有的以服务器为 主的控制系统应具有体积小、重量轻、性价比高等优点。系统包括平板式显示单元、 主控器和路灯安全装置，其外观和技术要求如下所示。 1 外观要求 平板式显示单元的显示屏使用彩色液晶屏，可扩展触摸功能，具有按键功能，此 外，系统要求具有l e d 指示灯和蜂鸣器报警。 2 技术要求 平板式显示单元技术要求：1 ) 可以与主控器通过g p r s 进行远程通信，需确保 通信质量，要求信号稳定，不易受干扰，不易受阻隔影响；2 ) 显示单元操作界面通 过按键或触摸获取命令和更改信息，包括添加、删除主控器，显示照明回路、单灯的 状态，当出现故障信息时应能进行报警。 主控器技术要求：1 ) 可以与平板式显示单元进行远程通信；2 ) 可以与近距离的 z i g b e e 单灯控制器通信；3 ) 可以进行8 路检测回路故障。 路灯安全装置技术要求：1 ) 误报率低；2 ) 受季节干扰小；3 ) 在有电与无电情 况下均能全天候防盗；4 ) 装置本身最好还能自身防拆。 2 2 系统设计 2 2 1 系统框架 系统结构如图2 1 所示。路灯测控与安全系统是一个典型分散式测控、集中式管 理的系统。路灯测控与安全系统主要由三个部分构成：一是用于路灯监控的主控器， 二是用于路灯电缆防盗的路灯安全装置，三是位于管理处的显示路灯运行状态的平板 式显示单元，可以同时监控多个主控器。主控器完成信息采集与发送，外接有8 路路 6 智能路灯测控与安全系统的研制第二二章系统总体设计 灯安全装置，一个z i g b e e 协调器，一个上传消息的g p r sd t u 。路灯安全装置的集 中控制单元与信号发送单元协调工作，能全天候检测路灯电缆安全，同时将消息传给 主控器，z i g b e e 协调器通过它的无线路由功能与路灯上的z i g b e e 单灯进行通信，获 取单灯开关状态等等。主控器收集到这些信息后，把这些消息根据通信协议格式通过 无线g p r sd t u 模块上传消息给服务器，服务器再把消息转发给平板式显示单元的 g p r sd t u 。平板式显示单元将信息显示在1 0 4 寸的彩色液晶显示屏上。 各灯 平板式显示单元 图2 1 路灯测控与安全系统结构 2 2 2 平板式显示单元 1 液晶显示器选择 液晶显示器是一种采用液晶为材料的显示器。液晶为介于固态和液态间的有机化 合物。根据液晶分子的排布方式，常见的液晶显示器可分为：窄视角t n - l c d ， s t n - - l c d ，d s t n - - l c d ：宽视角i p s ，v a ，f f s 等。目前市场上t n 型是最主流的液 晶显示器所采用的模式。根据液晶面板的驱动方式，最常见的液晶驱动是t f t ( t h i n f i l mt r a n s i s t o r ) 型驱动。t f t 型驱动的原理简单来说，是以有源丌关的方式，使面板 极性不断变换，从而达到独立精确地控制各个像素，与之前的无源驱动相比，显示效 7 第二章系统总体设计 智能路灯测控1 j 安令系统的研制 果可以达到更高、更精细。因此，t n 型的窄视角模式多用于液晶显示器，而i p s 型的宽视角等模式多用于液晶电视，都通称为t f t - l c d 。 萤光管、偏光板、导光板、滤光板、薄模式晶体管、玻璃基板、液晶材料等等构 成了t f t - l c d 。首先，液晶显示器利用背光源发射出光源，这些光源经过偏光板、 液晶、彩色的滤光膜与另一块偏光板，穿透光线的偏振角度会随着液晶分子的排列方 式的改变而改变【1 7 1 。因此使最后显示在液晶上的的光线色彩与强度变化，只需要外界 改变加在液晶上的电压值。 本系统采用了三菱公司1 0 4 寸t f t - - l c d 液晶显示屏a a l 0 4 s g 0 2 ，显示像素8 0 0 6 0 0 ，对比度6 0 0 ，亮度4 0 0 ，响应时间2 5 m s ，接口方式l v d s ，屏表面抗反射处 理，阳光下可视。 2 微控制器选择 微控制器，出现于上世纪7 0 年代，随着微电子和芯片等技术的飞速发展，其性 能越来越强大，但成本越来越低，这使得它的应用遍及各个领域。微控制器 ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，简称m c u ) 可以从不同方面进行分类：根据数据总线宽度可分 为8 位、1 6 位和3 2 位机；根据指令结构又可分为c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o n s e t c o m p u t e r ) 和r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 微控制器；根据内嵌程序存储器 的类别可分为o t p 、掩膜、e p r o m e e p r o m 和闪存f l a s h ；根据存储器结构可分为 h a r v a r d 结构和v o nn e u m a r m 结构【1 踟。 目前在嵌入式微控制领域，使用较多的是基于a r m 内核的微控制器。常用的 a r m 处理器核有a r m 7 系列，a r m 9 系列，a r m l 0 系列，a r m ll 系列，i n t e l 的 s c a l e 系列和m p c o r e 系列，此外还有针对低端8 位m c u 市场推出的c o r t e x - - m 3 系列， 其具有3 2 位c p u 的性能，8 位c p u 的价格。 本系统根据应用要求选择了基于a r m 7 t d m i - s 内核的l p c 2 4 7 8 。l p c 2 4 7 8 的 工作频率最高可达7 2 m h z ，具有5 1 2 k b 的f l a s h ，9 8 k b 的s r a m ，片上具有丰富的 外设接口，包扩了u a r t 、6 路l o 位a d 、外部存储控制器( e m c ) 、通用d m a 控制 器、支持t f t 和s t n 显示器的l c d 控制器等等。 3 触摸屏选择 随着多媒体技术的发展，人们越来越多的使用触摸屏。触摸屏具有坚固耐用、反 8 智能路灯测榨j 安伞系统的研制第一二章系统总体设汁 应速度快、易于交流等优点。通过使用触摸屏技术，在人机交互时，用户只需要在显 示屏需要输入的地方用手指轻轻一碰，就能实现对主机的输入操作，既方便又快捷。 触摸屏( t o u c hs c r e e np a n e l ，t s p ) 按其技术原理可以分为五类：红外式、矢量压 力传感式、表面声波式、电容式和电阻式9 1 。其中，红外线式触摸屏在使用时，容易 由于外界的干扰导致不灵敏，易产生失真，而且其外框易碎；矢量压力传感式触摸屏 由于性能低劣已经退出了市场；表面声波式触摸屏优点是光学性能好，能防刮擦，无 漂移现象且分辨率高，缺点是当屏幕表面有灰尘和水滴、油污等时会使触摸屏变得迟 钝：早期的电容式触摸屏存在图像失真问题，随着技术的发展，现在已经生产出高性 能的二代电容式触摸屏，有的还支持多点触控，应用于各类电子产品，如i p a d 、手机 等等；电阻式触摸屏，不支持多点触控，信号线数越多定位越精确，缺点是怕刮易损。 综合以上因素并结合本系统的设计要求，选择了性价比较高，在嵌入式系统中应用也 较广泛的电阻触摸屏。 2 2 3 主控器微控制器 主控器主要是收集信息，需要有足够的信息处理速度，而且与g p r s 模块、z i g b e e 模块通信均是通过串口通信的，考虑到成本及功能等因素，主控器的微控制器选用 a r mc o r t e x - - m 3 处理器的l m 3 s 2 9 4 8 。a r mc o r t e x - - m 3 处理器具有成本低，引脚数 目少以及功耗低的优势，是款具有极高运算能力和中断响应能力的处理器内核。 l m 3 s 2 9 4 8 微控制器工作频率可达5 0 m h z ，片上带有2 5 6 k b 的h a s hr o m 和6 4 k b 的s r a m ，有3 路u a r t 、5 2 个g p i o 口外设接口等等，完全能够胜任。 2 2 4g p r s 通信模块 随着移动通信技术的不断发展，采用g p r s c d m a 通信方式的移动数据通信网 络已经覆盖了全国各地，网络运行稳定可靠1 2 0 1 。 g p r s 通信模块目前市场上有很多种类型，有不带m c u 控制的g p r s 无线模块 和自带m c u 控制的g p r sd t u 模块。两者相比，不带m c u 控制的g p r s 无线模块， 具有短信传输功能，有些还配备了t c p i p 网络传输功能。在使用它的网络传输功能 是，外接的m c u 主要通过使用a t 命令来操作它，包括连接网络、登入网关、设置 m 端口等，数据传输时还需要调整数据输入输出格式，此外，它不支持永远在线功 9 第二章系统总体设计智能路灯测控与安伞系统的研制 能；自带m c u 控制的g p r sd t u 模块，主要用于t c p i p 网络数据传输，使用也非 常方便。在正式运行之前，使用电脑的超级终端配置好参数，它能自动完成拨号登录， 与数据中心建立t c p 连接，自动发送心跳包，保持永远在线。用户传输数据时，利 用串口直接发送数据到模块，数据就能传送到网络上。 基于上述比较，本系统选择了g p r sd t u 模块作为通信设备。 2 2 5 路灯安全装置检测方案 路灯安全装置是一种安装在电缆进线上，用来检测路灯电缆安全的装置，是电缆 的保护神。一旦电缆被剪断或损坏，该装置立即发出报警，从而可以达到预防电缆被 盗、减少电缆偷盗损失，及时检修电缆的目的1 2 1 1 。 以往具有这种功能的装置，其检测原理一般采用简单的电压检测式或电流检测式 2 2 1 。电压检测式，通过检测电缆上的交流电压，判断有电压即正常。电流检测式，则 通过检测电缆上的交流电流，判断若是电流突减即为电缆被盗或损坏。这两种检测方 式都存在一些问题，比如误报率低但存在有警不报的情况，能解决夜问防盗，但对白 天的偷盗却无能为力，此外受季节的干扰也较大。为了解决这些问题，提高质量，节 约成本，人们希望能够找到一种利用已有的路灯供电系统，实现全天候保护路灯电缆 安全的目的。 近些年，随着低压电力线载波通信技术的迅猛发展，利用电网电力线载波通信在 实现数据传递和信息交换等领域有十分广泛的运用。电力线载波通信是一种利用电力 线作为传输媒介实现数据传输和信息交换的通信方式1 2 3 1 。由于信号传输的实际介质电 力线供电系统已经存在，无需再投入资金进行通信线路建设，与其他有线通信方式相 比，具有不需要重新布线，成本低，易施工等优点。因此，本系统的路托安全装置选 择一种基于电力线载波通信的检测方式。 2 3 本章小结 本章首先介绍了智能路灯测控与安全系统的总体设计要求，根据要求提出了本系 统的框架，然后针对系统的每个部分对其硬件器件进行了选择分析。此外，通过分析 目前路灯安全装置存在的问题，寻找到一种更为有效的检测方式。 智能路灯测控j 安伞系统的研制 第三章路灯测控j 安伞系统硬件砹计 第三章智能路灯测控与安全系统硬件设计 本系统主要以a r m 为硬件平台，设计了各个模块的硬件电路。平板式显示单元 的硬件设计主要包括l p c 2 4 7 8 基本系统，l v d s 接口液晶驱动、触摸屏驱动、按键 驱动，主控器的硬件设计主要包括l m 3 s 2 9 4 8 基本系统、g p r sd t u 连接电路、z i g b e e 协调器连接电路，路灯安全防盗装置的硬件设计包括集中控制单元和信号发送单元的 硬件设计。 3 1 平板式显示单元硬件设计 平板式显示单元作为整个系统的显示输出，以l p c 2 4 7 8 为微处理器，外接了3 2 m 的s d r a m ，1 0 4 英寸的具有l v d s 接口的t 同r - l c d 液晶显示器a a l 0 4 s g 0 2 ，并 扩展了触摸功能，8 2 矩阵按键以及无线模块g p r sd t u 。平板式显示单元的硬件