路灯控制系统(论文).doc

青岛黄海职业学院毕业设计 随着时代的发展，城市现代化建设步伐不断加快，对城市道路照明及城市亮化工程需求也更大，而能源的供需矛盾也越来越突出，节电节能、绿色照明的要求越来越迫切，越来越高。现在再采用那些传统的手控、钟控城市照明系统的方法已不能满足要求。如何充分利用高科技手段解决上述矛盾也就成为当前照明控制领域一个新的和紧要的课题。城市道路照明自动化控制和智能化管理作为城市现代化的标志之一，它所带来的经济和社会效益是十分显著的，它的推广和实施也将是市政工程建设中的一项重要内容。一 路灯控制的分类及特点（一）、路灯控制方法（技术）的分类：目前，市场上普遍采用的路灯控制方法（技术）主要有以下三类：1、 人工干预控制；2、 时钟控制；3、 DDS独立控制技术；（二）、各种周界防盗报警系统的技术特点1、人工干预控制：在道路照明设施建设之初，按照需要的照明方式施工建设以实现路灯的隔一亮一等特殊照明模式。在需要开启/关闭路灯时派出人员操作控制开关来实现对路灯的控制。优点：具有一定的应变能力。缺点：管理难度大、安全系数低、工作量，不能检测整个线路路灯的工作状况。2、时钟控制： 其原理是将原人工控制开关更换为时钟控制器，由此实现一般状况下的路灯自动控制。优点：一般状况下可免除人干预，工作量降低，成本较低；缺点：应变能力较差，如果将时钟控制器设置在每天19：00开启次日08：00关闭，则无论在任何季节以及任何气象条件与能见度的情况下都将死板的按照预定时间工作。3、DDS独立控制技术： 其原理是在每个路灯的线路上加装控制检测器，并采用无线或有线的方式与控制主机相连再采用有线或无线的方式与控制系统连接，以此来实现对路灯的开关控制或定时开关控制。并可实现预设的工作模式（如隔一亮一等），以及对路灯故障精确侦测并报告。优点：高程度自动化，高应变能力，提供多样的工作模式，并可检测路灯故障。缺点：造价高昂，施工难度大：要在每盏路灯下安装独立的控制器施工难度可想而知，由此又使得工程造价过高。本文将介绍基于镇流器的全数字公共照明系统。该系统在国内首次实现了远程单个路灯节点的任意监控，并重点介绍了系统的核心设备组群控制器的作用、组成、工作原理是以及主要软件结构框图。二 整体设计在该系统中，每个路灯节点采用全数字化电子镇流器，可以实现0%、50%、80%、100%功率输出，可以随时发送路灯的电流、电压信息，并具有开路、断路和路灯老化报警功能。每一个路灯节点内包含一个电力载波通信（PLC）模块，利用电力载波模块实现路灯节点之间以及路灯节点与组群控制器之间信息通信。组群控制器采用双CPU结构，负责日常系统的正常运行控制，并可以随时响应上位管理计算机发出的指令。组群控制器与照明管理计算机通过GSM/GPRS短信方式实现正常情况下的通信。在组群控制器发生故障的情况下，照明管理计算机可以通过GSM/GPRS直接实现路灯线路的开关控制，实现系统安全双保险。照明管理计算机采用地理信息系统（GIS）技术，实现图形化动态实时监控管理。三 镇流器 由于气体放电灯（如荧光灯、霓虹灯、卤素灯、金卤灯等）是一种负阻性电光源要使其正常稳定工作，需加一个限流装置。这个限流装置叫做镇流器。目前气体放电灯使用的镇流器有两种：（1）电感式镇流器；（2）高频交流电子镇流器。由于电感式镇流器工作在市电频率，体积大、笨重，还需消耗大量铜和硅钢等金属材料，散热困难、效率低、有频闪，所以现在一些电光源界的科技工作者纷纷寻找新的镇流方法，而高频交流电子镇流器就是一种有效方法。电子镇流采用高频开关变换电子线路的方法实现镇流，具有无频闪、效率高、体积小、重量轻、可调光，不使用大量铜材和硅钢材料的特点，所以自20世纪70年代以来，高频交流电子镇流器一问世，由于它的体积小、发光效率高（发光效率与工作频率关系曲线如图2 所示）无频闪效应，适应供电电压范围宽、节能的一系列优点，受到了用户的欢迎。据统计，世界上照明用电占了世界上产生的总电量的1/4，如仅将现用的200亿只灯泡中的50亿只换成节能的电子镇流灯泡，就可节省200GW的电能，从而少建几十个电站。由于高频交流电子镇流器节能和巨大的市场潜力，进入20世纪90年代后，各种气体放电照明灯广泛采用高频电子镇流器，形成一个绿色照明的新兴产业。绿色照明是90年代初国际上对节约电能、保护环境照明系统的形象说法。美、英、法、日等主要发达国家和部分发展中国家先后制定了绿色照明的计划，并已经取得明显效果。事实上，照明的质量和水平已成为衡量社会现代化的一个重要标志，成为人类社会可持续发展的一项重要标志。目前，我国已成为照明器具的生产大国，现有照明器具生产企业1000家，电光源产品有60多个门类3500多个品种规格，灯具产品30多个门类500多个品种规格。我国照明节能大有潜力可挖。目前，荧光灯、稀土三色紧凑型荧光灯已生产出适合家用的H、双H、O、D、双D、SL型等多种产品。这种灯与照度相同的管型荧光灯相比约节电27%，与白炽灯相比，可节电70%。2001年，按每户仅用一只节能灯计算，全国4亿只节能灯就可节电2000万千瓦电力，投资只需120亿元，而要生产2000万千瓦的电力，即需投资500亿元。所以在我国照明节能是一项很重要的课题。目前，世界上一些著名的大专院校、科研院所、公司都投入了较大的力量进行高频交流电子镇流器的科研开发、生产。如美国弗吉尼亚大学功率电子研究中心（VPEC），李泽元教授领导的科研中心每年都有相关论文和实验报告在IEEE功率电子学学刊刊出，并提出了如高频能量反馈、采用电荷泵功率因数校正的电子镇流器等概念，美国加州理工大学（UCT）的S.CUK教授关于单级高功率因数电子镇流器，一种用于紧凑型荧光灯的E类电子镇流器，西班牙、巴西、我国台湾和香港地区的一些著名高等院校、科研院所、公司都投入了一些高水平的科研人员进行开发。同时，国内一些著名科研院所、大学也投入了较大力量进行科研开发。这点可从国内相关科技文献看出。勿容置疑的是我国是世界上电子镇流器的一个生产大国，我国有较多的公司、企业从事这种绿色电光源产品的生产。特别是自20世纪80年代末、90年代初，IEC928（1990）、GB15143（1994）管形荧光灯用交流电子镇流器一般要求和安全要求及IEC929（1990）、GB/T15144管形荧光灯用交流电子镇流器的性能要求等技术标准相继颁布与实施，使交流电子镇流器的研究、开发、生产有了统一技术规范。由于高频交流电子镇流器要求体积小、造价低，并且对电磁辐射干扰、输入功率因数、波峰因数、可靠性等技术指标严格，所以要做出一个满足高性能、低价格、体积小、低电磁辐射干扰，使用安全可靠的高频交流电子镇流器并非件易事，所以往往让人感到：看似简单的一个电子产品，但是技术含量很高，是一个涉及电路拓扑、高频电子变换、谐振开关（ZVS、ZCS）、LC串并联谐振、功率因数校正、电磁干扰抑制（EMC、EMI）、信号传感、采集和控制、电子元器件、电光源器件等电力电子技术的方方面面。同时，如何测量高频交流电子镇流器的技术参数，如功率、高频谐波成分、效率、电磁辐射干扰（EMI），也是高频交流电子镇流器的研究热点。实践证明，要做出一只高性能的高频交流电子镇流器，还需对它的负载-灯的技术特性、灯对电源的技术要求有所了解，否则要做出高性能的高频交流电子镇流器是不现实的。由于对电网供电质量的要求不断提高，国际电工技术委员会1982年分别制定了IEC555-2家用设备及类似电器设备对供电系统的干扰标准，和IEC1000-3-2电磁兼容性标准，分别对相关电器设备的功率、谐波成分、电磁辐射干扰等技术指标做出了要求，对高频交流电子镇流器而言也相应增加了电路的设计难度和制造难度。二、常用高频交流电子镇流器电路与改进（一）单级半桥谐振式由于半桥谐振式逆变电路工作可靠，对开关管耐压要求较低，所以采用半桥谐振式逆变电路为灯负载供电的功率变换电路使用最为广泛。它主要由：交流市电供电整流电路（滤波）、启动电路、串联谐振高频逆变电路、保护电路、灯负载几部分组成。这是一个典型的、自激振荡、自启动的LC串联谐振半桥逆变的高频交流电子镇流器电路，谐振主要由L、C3、C4完成，利用谐振时C4上的高频电压点亮灯负载，当灯负载电流发生变化时，会影响谐振回路Q值，从而影响谐振电容C4上的谐振电压，来实现稳定灯负载电流的作用。由于这种电路采用元件少、造价低，所以目前国内市场上见到的高频交流电子镇流器大多采用类似的这种电路。但这种电路存在以下缺点：（1）无灯丝预热功能，易产生灯丝电极溅射作用，而降低灯丝的使用寿命，使用时间一长易造成灯管一端发黑的现象；（2）由于采用市电整流后直接给半桥逆变级供电，所以会产生很强的高次谐波干扰，降低交流市电输入侧的功率因数，并降低电源供电效率,采用这种电路的高频交流电子镇流器大量使用时，会造成三相四线供电电网的地电位偏移，因而造成用电设备的损坏；（3）由于半桥逆变级工作在高频开关逆变状态，所以产生的高次谐波，会产生相应的电磁幅射干扰，影响其它用电设备的正常工作；（4）由于电路没有设保护电路，所以一旦市电电源供电发生故障（如电网电压升高过多）或灯负载发生破裂等故障时，易造成电路损坏，严重时还会发生火灾事故。（二）双级谐振式高频交流电子镇流器针对单级半桥谐振式高频交流电子镇流器电路存在的以上缺陷，人们又开发设计出了双级谐振式高频交流电子镇流器电路。它主要在普通的单级谐振高频交流电子镇流器的基础上，再加了一级有源功率因数校正（APFC）电路，用以进行交流市电输入整流滤波的功率因数校正，并限制高次谐波成分，从而达到减小电磁幅射干扰，提高输入侧功率因数的目的。并且由于有源功率因数校正（APFC）还有预稳压的作用，同时还可以调光（调节APFC输出电压），所以既可提高电子镇流器的电性能，又可提高电子镇流器的可靠性。有源功率因数校正按电路构成可分为：降压式、升/降压式、反激式、升压式等几种。按控制市电输入电流的工作原理可分为：平均电流型、滞后电流型、峰值电流型、电压控制型几种。按功率因数校正电路中电感电流的工作方式又可分为：电流连续型（CCM）、电流不连续型（DCM）。由于升压式有源功率因数校正电路具有PF值高、THD小、效率高，但需输出电压高于输入电压，适用于75W-2KW的应用场合，所以目前应用最为广泛。由于DCM型APFC电路简单，开关管应力小的优点，所以在电子镇流器中应用广泛。两级式具有APFC功能的高频交流电子镇流器电路由于增加了一级有源功率因数校正电路，所以增加了电路的复杂性，使成本提高许多，虽然双级式高频交流电子镇流器性能好，但由于成本、体积等原因也很难于大范围推广使用。(三)无源功率因数校正针对两级式有源功率因数校正电路的缺点，人们又试图探讨用无源功率因数校正的方法来提高高频交流电子镇流器的性能，如经常提到的有采用三只二极管和二只电容器的逐流电路的无源功率因数校正和高频复合能量反馈等方法，虽然在理论分析上可行，并有相应的实验结果、结论，但是至今未见广泛使用。还需进一步提高技术性能，但无疑这是一个很好的发展方向。（四）常用高频交流电子镇流器调光由于高频交流电子镇流器具有节能的优点，特别是在不需电子镇流器满功率进行的场合下，采用调光控制节能效果会更加明显。调光控制有一个用户可控制的调光控制输入端并应具有以下基本功能：能检测灯电流、灯电压、灯功率；利用反馈电路来调节用户设定的亮度。常用的调光方法主要有以下四种：占空比调光法、调频调光法、调节高频逆变器供电电压调光法、 脉冲调相调光法。1、占空比调光法这种调光控制法利用调节高频逆变器中功率开关管的脉冲占空比，实现输出功率调节，对半桥逆变的最大占空比为0.5，以确保半桥逆变器的两个开关管有一个死时间，以免两个开关管共态导通损坏。这种调光方法存在的问题是：如果电感电流连续并滞后于半桥电压Uxy，则开关可能导通时工作在零电压状态，关断瞬间需采用吸收电容达到ZCS工作条件，这样可进入ZVS工作方式，这是优点，EMI和开关管应力可明显降低。然而，如果占空比太小，以至电感电流不连续，将失去ZVS工作特性，并且由于供电直流电压较高，而使开关管上的应力加大，这种不连续电流导通状态将导致可靠性降低和加大EMI幅射。除了小的脉冲占空比，当灯管发生故障时，也会出现不连续电流工作状态，当灯为开路故障时，电感电流将流过谐振电容，由于这个电容的容量较小，所以阻抗较大。除非两个开关管有吸收电路保护，否则开关管将承受很大的电压应力。2、调频调光法调频调光法也是常用的调光方法。如果高频交流电子镇流器的开关频率增加，则电感的阻抗增加，这样，电感电流就会下降。调频调光法的局限性：A调光范围由调频范围决定，如果调频范围不大，则功率调节范围也不大。B为了实现在低灯功率工作条件下实现调光，则调频范围应很宽（即从25KHZ-50KHZ）。磁芯的频率范围、驱动电路、控制电路可能限制调光范围。C在整个调频范围内不易实现软开关。轻载时，不能实现软开关，并使开关管上的电压应力加大。硬开关的瞬态过渡是EMI幅射的主要来源。D如果半桥逆变器不工作在软开关状态，则导致逆变器的损耗加大，导致效率降低。E当开关频率在红外遥控的频率范围内时，荧光灯将发射低电平的红外线，如果调频范围很大，其它的红外遥控装置如电视机将会受到影响。F灯电流近似反比于逆变器开关频率，调光与开关频率间不是线性关系。G当灯管发生开路故障时，将出现DCM工作状态，特别是当开关频率很低时。3、改变半桥逆变器供电电压调光法利用改变半桥逆变器供电电压法实现调光有以下优点：A调节半桥逆变器供电电压来实现调光。B采用固定占空比（约0.5）的方法，使半桥逆变器工作在软开关电感电流连续的宽调光范围调光（这也可使开关控制电路简化）。C由于开关频率固定，所以可以针对给定的灯型号简化控制电路设计。D由于开关频率刚好大于谐振频率，所以可以降低无功功率和提高工作效率。E由于开关频率固定，所以可以较方便的确定无源器件的参数。F在较宽的灯功率范围内（5%-100%）保持ZVS工作条件。G在很低的半桥逆变器供电电压下，将会失去软开关特性，将会出现电感电流不连续的工作状态。然而在直流供电电压很低的情况下，这种工作状态不再是个问题，这时的开关管应力和损耗将很小，即使硬开关在低直流供电电压情况下（如20V），也不会产生太多EMI幅射。H可实现平滑和几乎线性的灯功率控制特性。I可得到低功率解决方案，半桥逆变器的供电电压可以选得很低（如5%-100%的调光范围对应30-120V），这样可采用低电压电容和MOSFET。J调光控制仅通过控制SEPIC变换器输出电压实现。由于半桥逆变器工作在恒频工作状态，所以可采用简单的AC/DC控制即可实现调光。K灯电流近似和DC变换器的电压成正比，调光几乎和SEPIC DC变换器的输出直流电压成正比。调光曲线如图6所示。4、脉冲调相调光法利用调节半桥逆变器中两支开关管的导通相位的方法来调节输出功率，从而达到输出调光的目的。调相法调光曲线图如图7所示。相控调光法主要有以下特点：可调光至此1%；可在任意调光设定值下启动；可应用于多灯应用场合；调光相位灯功率关系线性好。（五）两级高功率因数电子镇流器常用IC及特点由于高频交流电子镇流器的巨大市场和经济效益，国际上许多有实力的半导体厂商纷纷开发相应的集成电路，以方便用户、生产厂商使用，大批量生产。有的半导体厂商还给出了相关的电子镇流器设计软件。世界上主要生产、开发高频交流电子镇流器的主要生产厂商有：美国国际整流器公司（IR）、莫托罗拉公司（MC）、美国微线公司（ML）、韩国三星公司等。下面以美国IR公司为例，介绍其主要电子镇流器用控制集成电路、相关设计软件。美国国际整流器公司（IR）主要有以下型号的新型高频交流电子镇流器控制集成电路，它们分别为： IR21571、IR2159/IR21591、IR2167、IR2153、IR2156等型号。它们分别用于以下场合：IR21571：驱动600V MOSFET的荧光灯和高强度放电灯（HID）的电子镇流器驱动控制集成电路。IR2159/IR21591：调光控制和600V MOSFET驱动控制功能合一的电子镇流器控制集成电路。IR2167：具有PFC功能的高集成度，600V MOSFET驱动控制集成电路，常用于荧光灯和高强度放电灯（HID）的驱动控制。IR2153：IR2153/IR2151驱动控制集成电路的改进型，用以驱动半桥功率变换级。IR215振荡频率可偏程和用于高压半桥驱动。IR2153、IR2156：常用于卤素灯的控制驱动。下面以IR21571、IR2159/IR2157为例介绍其主要功能。如表1所示。表1 常用IR 电子镇流器IC特点特 点 型 号IR21571 IR2159/IR2157启动功率低 电源供电稳压二极管保护 600V半桥驱动 工作频率可编程控制 -死时间控制 固定闭环调光 -模拟调光接口 -过流保护 故障保护 过温保护 邻近谐振保护near resonance protection 自动再启动关断 功率因数校正 - -电源供电电压稳压 - -DIP和SOLC封装 16 16（六） IR公司的相关设计软件美国IR公司为了方便它的IC使用和高频交流电子镇流器电路设计，它推出了相关设计软件，软件具有以下特点：IR公司的相关电子镇流器设计软件具有以下功能和相应设计步骤：1、设计步骤：(1)对给定的电路类型和输入电压范围，可生成相应的电路图、元件表和印刷电路板图。(2)良好的图形设计界面，可给出电子镇流器的电参数、元件值和整个电子镇流器的相关文件。2、主要特点：三步设计流程；灯型号流览；设计流览；良好的显示界面；电子镇流器工作点的计算；电子镇流器工作点的图形表示；Windows的图形显示界面； LC谐振腔元件参数计算；PFC元件参数计算；IR21571外围相关元件参数计算；电路图；元件清单；PCB图；电参数图；元件参数表。灯的选择和电路基本设计选择主要包含：灯的选择含以下内容：灯型号、灯功率、灯管工作电压、最大灯管预热电压、灯管最小点火电压、预热电流、预热时间（秒）。基本设计选择含以下内容：最低电源电压、最大电源电压、预热直流总线电压、启动点火直流总线电压、直流工作总线电压、PFC工作频率、镇流器工作频率。并且BDA软件有两种工作方式：1标准3步法（含以下步骤）：选灯型、选择电路形式、自动生成设计结果。2高级工作方式（含以下设计步骤）：工作点计算和IR21571外围元器件计算；允许预先设定所要求参数值；设计灵活，方便。三、单级高性能、高功率因数高频交流电子镇流器由于双级式高频交流电子镇流器使用元件多，价格较高。所以尽管性能指标好，但也难于大批量生产、使用，为了进一步简化电路，提高电子镇流器的性能指标，国内外的一些科研院所、高等院校、大公司纷纷提出了单级新型、高功率因数高频交流电子镇流的新概念、新电路，下面分别加以介绍。（一）高功率因数、低电磁幅射、具有宽调光范围的电子镇流器这种电路由香港城市大学的S.Y.Ron Hui教授（Ph.D）提出。这种镇流器具有以下特点：(1)低电磁幅射，传导干扰低，可调光范围宽；(2)功率调节范围为10%-100%；(3)采用SEPIC DC/AC变换调压；(4)低EMI，低电压应力；(5)可用于单管、多管荧光灯照明。（二）一种改进电荷泵功率因数校正（CPPFC）的电子镇流器这种电路由美国李泽元教授领导的VPEC的Jin Rong Qian教授（Ph.D）和李泽元教授提出。主要有以下特点：(1)引入了电荷泵的概念、工作原理、电路；(2)提高功率因数的工作原理分析；(3)波峰比为1.6，200V交流电压输入，效率为80%；(4)只用一个电感，由于电荷泵采用了一个电容，而电容又比电感在电路上好处理。（三）一种用于紧凑型荧光灯的新型自激E类电子镇流器由美国（CIeveland State University的Louis Robert Nerone 教授（Ph.D）提出。论文和实验对点火和灯电路稳态运行进行了分析、讨论，并给出了实验结果。有限流保护功能，可适用于任何Q值和占空比，价格低。（四）一种改进单级电子镇流器起动特性的新方法由我国台湾National Chung Cheng University的Tsai-fu 教授（.）和他的学生YongJing Wu提出，并给出了实验结果。这种方法主要有以下特点：、利用同步开关技术（Synchronous Switch Technique,SST）来改进电子镇流器的启动特性。、利用变形单级电子镇流器技术实现镇流（Single-Stage Inverter、SSI）。、讨论了半级和逆变电路半级间功率不平衡而引入的较高电压应力对开关器件的影响。、讨论了电子镇流器的工作状态、控制策略和元件电压应力间的相互关系。、讨论了利用热阻检测电路来减小灯丝溅射的问题，并通过实验证明了这种电路灯管开关工作18000次后灯丝无明显溅射。、论文和实验电路对单级镇流电路的变化特性进行了分析，并给出了实验结果。（五）采用反激推挽集成变换器的电子镇流器该电路和实现主要由巴西federal University of Minas Genais的Ricardo Nedersondo Prado教授（P.）等人完成。这种电子镇流器具有以下特点：(1)由于采用反激式电路，所以电路简单，使用灵活；(2)具有隔离、自启动、单开关的电路特点；(3)可实现短路保护；(4)反激式，所以具有不必使输出电压高于输入直流电压，可在工作方式下，在固定导通时间控制方式下得到功率因数近似为的效果；(5)由推挽变换器实现灯的高频交流供电、镇流；(6)仅用一级电路就可实现和高频变换，实现了单开关变换，简化了电路；(7)通过占空比控制可实现调光。（六）基于单级高功率因数的电子镇流器该工作由巴西Federal University of Espirito SantO,Vitoria的Marcio Aimeida Co教授（P.）及他的同事完成的。它具有以下特点：(1)单功率级，高功率因数，半桥功率逆变器工作在谐振状态；(2)自激振荡式，功率因数校正工作在DCM模式，输入、输出隔离；(3)由于工作在自激振荡方式，所以具有保护作用；(4)实验模型：40W荧光灯、40KHZ、220V交流市电供电；(5)给出了实验结果和模型分析。（七）一种新型单级恒功率高功率因数电子镇流器这项工作由西班牙的University of Oviedo,Gijon大学的Manuel RicoSecades教授（P.）和他的几个同事共同完成的。该电子镇流器具有以下特点：(1)由buckboost和半桥LC谐振共同组成单级高频交流电子镇流器；(2)具有可调光和恒功率特性；(3)高功率因数（0.98）；(4)给出了实验电路、稳态分析、低频电路模型；(5)给出了设计实例、方法；(6)给出了实验结果。（八）基于反激变换器的单级高功率因数电子镇流器该项工作由西班牙的3.7部分的科研课题组完成。该项工作具有以下特点：、将反激变换PFC和半桥变换合为一体，作为单级高频交流电子镇流。、反激工作于恒频、恒占空比。、由于在中引入了一个变压器，所以逆变器的输入电压可以设定，从而优化了逆变器的设计。、给出了实验电路、稳态分析、实验结果。四、总结通过以上的分析讨论可以看出，貌不惊人的高频交流电子镇流器的设计、制作是一个涉及电路拓扑、电子元器件选择、电路动态静态分析，电光源等多学科的一个知识密集性电子产品。它主要要求在电路尽可能简单的条件下实现高效率、高可靠、低谐波成分、低电磁幅射干扰、高功率因数。所以对电路设计、选型、生产提出了较高的要求。随着电子技术、电子元器件、电路拓扑水平的不断提高，高频交流电子镇流器的质量、性能会不断提高。回顾自20世纪70年代世界上第一只高频交流电子镇流器的面市，到今天高频交流电子镇流器广泛进入家庭、楼堂馆所的照明，印证了高频交流电子镇流器的不断发展，质量、性能不断提高的过程。四 组群控制器工作原是与系统组成41 组群控制器系统组成图1给出了一种组群控制器设计方案。它包括CPU模块、线路状态检测模块、交流接触器驱动模块、后备电源模块、时钟模块、控制策略模块、电能计量模块、温湿度检测模块、GSM通信模块和电力载波通信模块。CPU模块采用CPU结构。主微控制器采用高性能、8位、40引脚、具有8KBFlash、多路8位A/D的RISC单片机PIC16F877，负责与GSM通信模块和电力载波模块通信，与交流接触器驱动控制，与实时时钟的读取和校准以及根据照明控制策略发送控制指令等功能。从微控制器采用与主微控制器同一系列的高性能8位、28引脚、多路8位A/D、具有4KB Flash的RISC单片机PIC16F873。该控制器负责管理电能计量模块、后备电源及监控模块、温湿度监控模块和线路状态检测模块等。4.2 GSM模块GSM(Global System for Mobile communication)系统是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统。目前已建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众移动通信网的主要方式。基于GSM的短信息服务，是一种在移动网络上传送简短信息的无线应用,是一种信息在移动网络上储存和转寄的过程。由于公众GSM网络在全球范围内实现了联网和漫游,建立上述系统不须再组建专用通信网络，所以具有实时传输数据功能的短信应用将得到迅速普及。笔者开发设计的基于GSM网络的温度数据采集与无线传输系统正是借助该网络平台,利用短信息业务实现数据的自动双向传递。系统模型图如图2所示终端处理模块存储器数据收发模块数据采集模块E2PROM单片机2MSC12101210PC机 GSM模块2单片机1单片机GSM模块1GSM网络图2 系统模型图本系统由数据采集部分、数据接收和发送部分、终端处理部分等三个模块组成。数据采集模块将采集到的温度数据存入存储器中。数据收发模块采用双单片机共用E2RPOM的方式，单片机2控制数据从存储器转存入E2PROM中；单片机1负责将数据从E2PRROM中读出，并经GSM模块2借助GSM网络将数据发送出去，单片机1不仅控制数据的发送，也控制数据的接收。在这里E2PROM是数据临时存储和上传的中转站。终端处理模块负责将接收到的数据交给计算机处理，并将处理后的结果存放到数据库中，以供查询。当终端处理模块需要向GSM模块2发送控制命令时，GSM模块2接收过程正好与上述过程相反，从而实现数据的自动双向传递。系统中三个模块相互独立，彼此又相互依赖，共同完成数据的传输。数据收发模块在系统中起着承上启下的作用，是系统的核心模块。该模块以双单片机为核心，以RS232通信接口，在物理层上实现与GSM模块的连接。由于篇幅的限制，本文主要介绍单片机控制这一模块工作的软件实现过程。旨在对怎样用单片机控制GSM模块收发短信息进行探讨。1 GSM模块MZ28 MZ28是中兴通讯推出的GSM无线双频调制解调器，主要为语音传输、短信发送和数据业务提供无线接口。MZ28集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器，特别适合于迅速开发基于GSM无线网络的无线应用产品。带有人机接口（MMI）界面的应用产品内部与MZ28的通讯可通过标准的串行接口（RS232）进行。MZ28使用简单的20-PIN ZIP插座与用户自己的应用系统相连，此ZIP连接方式提供开发所需的数据通信、音频和电源等接口信号。MZ28可以作为无线引擎，嵌入到用户自己的产品当中，用户可以用单片机或其他CPU的UART口，使用相应的AT命令，对模块进行控制，达到使其产品可以轻松进入GSM网络的目的。2 串口控制SMS的工作原理单片机与GSM模块一般采用串行异步通信接口，通信速度可设定，通常为19200bps。采用这种RS232电缆方式进行连接时，数据传输的可靠性较好。RS232接口方式连接，通过串行接口集成电路和电平转换电路与GSM模块连接，电路比较简单，所涉及的芯片包括单片机89C52和电平转换芯片MAX232，是非常常见的接口电路。需要说明的是，该接口通过I2C总线扩展了一个E2PROM存储器芯片AT24C64，它的主要作用是存储采集到的数据。该芯片能够反复擦/写，能够持久保存数据，而且断电信息也不会丢失，这些特性正是存储数据所必需的。GSM的短信息业务SMS利用信令信道传输，这是GSM通信网所特有的。它不用拨号建立连接，把要发的信息加上目的地址发送到短信息服务中心，经短信服务中心完成存储后再发送给最终的信宿。所以当目的GSM终端没开机时信息不会丢失。每个短信的信息量限制为160字节。现在市场上大多数手机均支持GSM07.05规定的AT指令集。该指令集是ETSI（欧洲通信技术委员会）发布的，其中包含了对SMS的控制。利用GSM手机的串行接口，单片机向手机收发一系列的AT命令，就能达到控制GSM模块收发SMS的目的。必须注意的是，用单片机实现时，编程必须注意它发送指令与接收到的响应都是字符的ASCII码。用单片机控制GSM模块收发短信息所涉及到的AT指令见表1。表1 AT指令AT指令功能描述AT+OFF关机并重新启动AT+CSDH=0在TEXT模式下在返回值中不显示详细的头信息ATE0关闭回显AT+CMGF=1选择短信格式为TEXT模式AT+CMGS发送短信息AT+CMGR读取短信息AT+CMGD=0删除全部短信息3软件的实现上位机模块和下位机模块半双工通信协议的实现3.1.1 应答和重发上位机模块和下位机模块的通信双方遵照半双工通信方式进行。即数据传送是双向的，但是任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。因为E2PROM的读出和写入不能同时进行，为了避免一方在发送信息帧时（这里的信息帧指的是下位机模块发送的数据帧和上位机模块发送的命令帧，下同），另一方也会发送数据，必须把信道变成半双工方式，尽管效率可能不如全双工方式，但通过此举牺牲效率可以换取模块工作性能的稳定。双方采取的顺序是：发收到应答后再发。按照整个系统的设计思路，上位机模块（即图1中的GSM模块1，下同）发送的帧包括命令帧、确认帧和非确认帧；下位机模块（即图1中的GSM模块2，下同）发送的帧包括数据帧、确认帧和非确认帧。其中确认帧和非确认帧是发送数据后等待对方发送的应答帧，以此作为继续发送下一帧和重新发送上一帧的依据；命令帧和数据帧是信息帧。当一方先发送完信息帧，如果收方接收到对方的信息帧，而又没有信息帧需要发送，那么情况就比较简单，收方将根据信息帧的正确与否决定发送确认帧还是非确认帧，以使对方决定是继续发送还是重新发送；如果此刻收方也有信息帧需要发送，那么收方将不立即发送应答帧，而是立即发送本方的信息帧给对方，并等待对方对此帧的应答帧，在收到对方的应答帧后，收方将依据应答帧的内容（即确认帧或者是非确认帧，下同）决定是继续发送下一信息帧，还是重新发送原来的信息帧。如果由于链路本身不可靠等因素造成应答帧的丢失，收方将在一定时间内因为没有收到应答帧而延时重发原来的信息帧。在收到对方的应答帧后，收方将继续发送下一信息帧，并等待对方的应答帧，如此反复，直到收方全部发送完信息帧。在本方收到对方最后一个应答帧后，表明本方全部的信息帧发送完毕。然后收方将发送对方仍然等待的应答帧，通知对方收到的信息帧的正确与否。3.1.2延时重发在双方通信过程中，有两个时间T1和T2，分别表示重新发送信息帧的最大延时。T1表示一方发送完信息帧到收到对方应答帧的时间，如果等待应答帧的时间超过了T1,则发方会重新发送原来的信息帧；当收方接收到对方发送的信息帧，如果收方此时有需要发送的信息帧，则收方此刻不发送应答帧，而是发送信息帧给对方。也就是说利用对方等待收方应答帧的时间T1内,收方插入发送本方的信息帧,同样本方的发送也存在一个延时重发的问题，在规定的时间内如果没有收到对方应答帧，收方也同样需要重发原来的信息帧，这个规定的时间就是T2。显然由于收方是利用间隙时间发送本方信息帧，所以T2、CMGS、+CMGR、OK，根据接收到的不同参数，下位机模块将转向不同的操作步骤，判断并改变标志位的值。比如，如果某时刻接收到,这表明呼叫对方模块号码获得成功，接下来需要发送数据，这时SHELL函数将检查发送不同数据所代表的标志位f_sending、f_ack、f_nack，从而决定需要发送何种类型的数据。如果f_sending1，需要发送E2PROM中的某个数据块；如果f_ack1，需要发送确认帧，告诉对方已经成功接收到了对方发送的数据；如果f_nack1，需要发送非确认帧，表明本方接收到的数据是错误的，并等待对方重新发送上一帧数据。需要说明的是，在同一时刻这三个标志位只有其中之一等于1，这是双方通信的半双工协议所强行约定的。对于其余三个返回参数，处理思想基本类似，在此不一一罗列。如果操作失败，模块返回ERROR，也有三种可能的情况，分别是发短信出错、阅读短信出错、删除短信出错。SHELL函数将检查上述操作的标志位是否为1，并根据标志位的情况重新发送该AT指令。还有一个返回参数比较特殊，即在等待接收返回参数的过程中接收到了CMTI。这不是本方主动操作获得的返回参数，而是表明上位机模块此刻有短信数据到来。SHELL函数将首先提取短信数据在SIM卡中的存放序号，并将此序号存放到单片机2的指定单元中，然后根据序号发送阅读短信指令。如果没有接收到任何GSM模块返回的参数，即字符缓冲区中字符个数为0，发生这种情况有两种可能。其一，当单片机和模块初始化完毕后，如果首次遍历E2PROM时发现有数据块需要发送，SHELL函数将会呼叫对方号码，试图建立连接，准备发送数据。因为在呼叫对方号码之前，下位机模块没有进行任何AT指令操作，模块也就不会返回任何参数，这是情况之一。其二，当下位机模块发送完数据块后，在等待对方应答帧的过程中，如果在最大的延时范围内没有收到对方的应答帧，SHELL函数也将会呼叫对方号码，准备重新发送上一数据块，超时重发机制在这里得到了反映。3.43 短信数据的处理ExecData函数进入时钟中断调用SHELL函数时，如果接收到了返回的参数CMTI，表明上位机模块向下位机模块发送了短信数据，可能是命令帧，也可能是确认帧或者非确认帧。在这种情况下，SHELL函数需要对短信内容进行分析，并根据短信的内容进行不同的处理，负责完成以上功能的就是ExecData函数，它是被SHELL函数调用的，用来分析并处理短信数据。ExecData函数首先判断接收到的短信数据是否为有效帧，这里的有效帧仅仅指帧的格式是正确的，并不表明帧的内容也是正确的。判断的依据是判断帧头是否为规定的字符“WQ”。在有效帧的前提下，ExecData函数将根据帧的性质进行不同的处理。按照帧的性质来划分，有效帧分为信息帧和应答帧，这在3.2节有详细的介绍。因为接收的是上位机发送的短信数据，所以这里的有效帧只包括命令帧和应答帧。第一种情况，如果接收到的有效帧的帧号为00H，则表明该帧为命令帧。ExecData函数的处理方式是，首先判断I2C总线是否被占用，如果没有被占用就抢占，如果I2C总线忙则丢弃该帧。抢占总线后需要判断命令帧的校验子是否正确，如果正确表明该帧数据无误，接着将数据写入E2PROM的指定区域，该指定区域位于E2PROM前两个数据块的119134字节处，如表6所示，并修改相应的标志位f_ack，准备向上位机模块发送确认帧；如果校验子不正确，则表明该命令帧错误，ExecData函数将丢弃该命令帧，并置位f_nack,期待对方重发。第二种情况，如果接收到的有效帧的帧号不是00H,则表明该帧一定是应答帧。ExecData函数首先判断帧号是否正确，从而确定该帧是否是本方期待的应答帧。如果帧号不正确，ExecData函数会丢弃该帧，表明此帧并非本方所发送数据帧相应的应答帧。帧号正确的应答帧，既可能是确认帧，也可能是非确认帧。如果收到的是确认帧，表明对方已经正确接收到了本方发送的数据帧，ExecData函数将会改变相应的标志位，并清除E2PROM中的块标记。接下来遍历E2PROM，看是否还有数据块需要发送。如果有，标志位f_sending被置位为1，反之，将会清除E2PROM中的发送标记，即将首字节清成00H,如表6所示；如果收到的是非确认帧，表明对方接收到了本方发送的数据帧，但是数据帧是无效的。这种情况ExecData函数处理起来比较简单，仅仅将标志位f_sending置为1即可，表明该数据帧需要重发。通过以上的分析，我们不难发现，整个程序错综复杂，函数之间相互牵扯。标志位在程序的实现过程中扮演着非常重要的角色，正是依靠这些标志位，程序才能很好地实现各个功能之间的切换，而标志位的值是通过GSM模块返回的参数修改的。因此程序的实现过程应该是：阅读参数修改标志位发送指令。主函数、时钟中断和串口中断程序、SHELL函数、ExecData函数是贯穿整个程序的主线和核心部分，对它们的分析可以理解程序的主体思想，这也正是笔者着重介绍的原因所在。然而这些函数和中断程序的实现，还需要依靠其它函数的配合，比如基于I2C总线的E2PROM操作函数、字符串操作函数、以及串口发送函数等，由于篇幅所限，在此不再介绍。GSM网络本身是不完全可靠的，可能会发生帧发送错误、帧丢失的现象，但是由于重发、延时重发机制的存在，程序可以最大程度避免上述情况的发生。在实际应用过程中，模块运行正常，性能稳定，实时性好。 4.3电力载波通信模块电力载波通信模块框图如图3所示。设计中采用AT89S52作为微控制器,电力线载波调制解调器采用专用芯片ST7536。AT89S52和ST7536之间采用通用串行通信接口,用I2C总线和串行EEPROM通信,EEPROM采用铁电的24C02,此芯片具有无限次可擦写功能。通过电力载波实现整个网络的通信,通