Distributed Intelligent City Street Lamp Monitoring and Control（基于无线通信芯片nRF401分布式智能城市路灯监控系统）—外文翻译.doc

基于无线通信芯片nRF401分布式智能城市路灯监控系统摘要:传统路灯照明系统的控制方式的缺点是低效率，成本高，难以监测等，所以，它已不能满足现代城市的要求。为了实现分布式长距离城市路灯实时自动控制状态，我们介绍了一种基于单片机技术，电力载波通信，无线通信等技术的无线远程智能城市路灯监控系统。系统是由上端PC机，主控制器，各个终端控制器组成。上端PC机控制主控制器MSP430F19单片机，并传送控制指令给外地控制器，MSP430F149通过无线收发器nRF401控制改变相应的照明灯开关状态。电脑上能有效彻底地对无线长距离照明设备进行实时控制。通过试验，传输距离最高可达到1000米。此外，我们设计的照明监控设备，当通信网络发生故障时，它能自动关闭灯。关键词：路灯监测和控制; MSP430F149; nRF401;无线通信;AT89C51;电力载波通信1.导言路灯照明是城市基础设施的一部分，它在交通安全，社会安全，人民生活，城市外观的风格和特点起着重要的作用，以及使一个城市更有力量和成熟度。传统的路灯控制采用时间控制器或变压器（配电箱），实现分散控制，它的缺点在糟糕的集中管理和高的失败率。由于没有长途数据收集和通信功能，路灯实时管理未能实现，因此，工作灯和运行结果等不能集中监测和记录，还有静电干扰通常不能得到及时维修。本文介绍了一种路灯远程监控和控制系统，通过对基于单片机技术，无线通信技术等的工作原理、实现和特点等的研究，分析传统的监测和控制系统等弊端。该照明系统实现了根据需要监测报警，这就可以实现对长途路灯监测和控制，且具有较强的可行性1。2.系统组成和工作原理系统是由每个单灯监控终端控制器设备，路灯监控中心站和上位机等组成。每个路灯监测中心站通过无线传输与工作中心站连接，而总站通过RS232/485或USB接口以有线方式与上位机相连。根据不同的地域分布，每个工作中心站通过无线通讯链接连接一个或多个工作从站。上位机通过与终端设备通信获得照明设备的开关状态。工作总站通过RS232/485或USB总线接口与上位机通信上位机显示外地照明设备的状态。每个单灯监控终端控制器可以通过上位机实现照明灯启动或关闭，因为城市灯距离较长的，通过电力线载波通信作为媒介，我们可以把路灯监控中心站作为数据收集设备。这就是说，在于工作中心站连接后，再通过接口与上位机连接，可以适合大规城市区域的需求，同时实现较长距离数据传输。分布式网络原理结构如图1所示。图1分布式灯监测和控制系统结构图每个监控终端下位机能设置路灯工作形式或通过上位机下载控制模式，如时钟日历，打开/关闭时间等。上端机可以设定每个路灯的工作状态;监测中心站节点可以传输指示给上位机通过无线跳跃沟通在每个节点之间;每个路灯节点控制其工作的信息，通过电力线载波实现失败报警;如果某些灯节点失败，超越这个节点和通信，以及这一信息反馈到控制中心和上位机。单片机MSP430F149单片机作为监测中心站控制器;通过RS232/485或USB总线与上位机连接工作，并实现信息交流，回应整个系统监测和管理。监测中心站控制器接收各种操作控制命令和设置上位机参数，每一个外区域的路灯控制器收集开关相似，根据控制模式实现长距离照明灯控制。上位机通过RS485或USB总线接口与工作中心站连接，并通过从站上传监测数据获得和储存监测数据，以及下载控制模式和避免因网络故障导致系统失控的现象出现。此外，每一个路灯控制器具有光强度检测能力的模块，可以根据白天或黑夜实现自动开关。3 硬件电路设计路灯监控系统中心站控制器采用美国德州仪器公司的MSP430F149单片机，它是一种低功耗的混合信号控制器，16位RSIC结构，16位寄存器和恒定CPU发生器。在运行CPU时 ，如果它出错，数控振荡器将会自动启动，并保证系统正常工作。如果是程序错误，我们可以设置看门狗来解决。如果程序稍纵即逝，看门狗会出现溢出的状态，看门狗将产生复位信号，使系统重新启动，可以保证系统稳定运行。3.1单灯监控设备单灯监控终端主要功能是切换开关控制灯，实时收集灯的工作信息，并与监测中心站控制器通讯，它的硬件模块框图如图2。图2 单灯监控系统的结构图ISL29000的工作照明强度范围内在1lux和10000lux之间，并能把它转换为电流;输出电流与接收二极管照明强度成正比。输出的电流转换成电压，通过A/D转换器，计算外部环境的照明强度，单片机决定打开或关闭街道路灯。通过灯光强度监测模块，系统可实现自动控制路灯开关，以避免沟通失败。下位机通过设置数字编码可以获得到每个路灯终端地址，并实现继电器驱动开关状态，以及通过使用电流变压器获取灯工作状态的信息。单灯监控终端采用单片机AT89C51单片机，通过电力载波实现与MSP430F149单片机通信。电力通信模块是由电力载波通信专用芯片SSC P300和SSC P111组成2。3.2无线收发电路设计系统采用挪威Nordic公司的nRF401无线收发芯片作为无线通信模块的核心3。以蓝牙技术作为核心结构，有很强的抗干扰能力的FSK信号调制方式。工作频率稳定可靠，外围元件少。因此，适应设计便携式手持产品中。由于其传输频率低，高接收灵敏度和载波频率的值是433MHz的ISM频段。nRF401满足无线监控的需求，并不需要授权允许。nRF401可以设置位待机状态或发射状态。根据实际设计要求，nRF401的控制端口PWR_UP，CS，TXEN通过下拉电阻连接到单片机。因此，当MSP430F149单片机相应的端口处于输入状态，由于下拉电阻，电流几乎是零4。由于MSP430F149系列单片机有自动串行通信端口，可以连接到nRF401收发器电路。一级变换是没必要的。无线通信频率的工作频率是由nRF401外围设备串行接口CS设定的.另外，通过调节RF_PWR串口的偏压电阻RF_PWR，辐射功率可以调节。最大发射功率可达+10 dBm的。并且，该芯片的振荡器电路需要外部连接22nH的VCO电感，电感系数是非常重要的。 Q 433MHz ，精度为2 。无线收发器的原理如图3所示。图3 无线通信模块检测装置的结构与探测装置无线收发单元一样，因为每个检测仪器无线收发股。无线接口被设计小体积成环形天线，成本低，可以直接腐蚀对PCB板。这是非常适合于便携式和低消费的产品。3.3系统抗干扰设计为了防止电磁干扰，该系统采用的抗干扰措施;因为电磁干扰的频率段为0.1Hz 50MHz，所以，系统通信采用433MHz频率，可避免主要的电磁干扰。根据区域环境，天线选择可以提高系统的抗干扰功能，因此，转动检查站选择高增益全方位指向天线。为了避免更多的终端站编号，PCB板外天线调谐，和循环天线场调整的困扰等等，我们选择低价单鞭天线和安装在最合适的位置，从而获得最佳的收发器的效果。 nRF401电源附近直流采用高能力去耦，nRF401功率已经被过滤并让它与数字电路分离。此外，由于转动检查设备控制器通过RS - 485总线与中心站的PC机连接，输出端口是双端平衡驱动器，输入端口是双重不同放大器。因此，可抵消干扰噪声。由于工作从站单灯监测和控制设备的延迟开关作用，生产微型可变电压du/dt，和微型可变电流di/dt，这些都是干扰源。减少干扰源du/dt的方法是平行容量，而减少干扰源di/ dt的方法是增加续流二极管的串联电感或电阻。在这系统中，我们增加续流二极管拖延线圈，以消除断开线圈时反向电动势的干扰。但是，如果只增加续流二极管时会产生时间延迟，因此，我们增加稳压二极管以实现在单位时间多次执行5。4系统软件设计软件设计关键是实现系统功能。为了方便移植和资源共享，软件系统采用结构化的程序设计方案，它可以使系统具有良好的模块化和可移植性。软件设计是由单灯监控程序、路灯监控中心站控制程序、上位机显示和控制程序、无线通信程序等组成。系统软件设计的关键是路灯监控站和无线通信模块等的设计。单灯监控从站软件负责数据收集和通信等，无线通信模块是由最初的程序、发送和接收程序等组成。由于系统的任何一个节点在任何时间可以与其他节点进行通信。因此，每个监控节点的通信程序是基本相同的。主要系统程序包括两部分，其中一个是路灯监控中心站MSP430F149单片机能正确接收上位机的指令，然后给区域的照明灯转交相应的指示。另一部分是根据接收指令控制单灯状态。4.1上位机通信上位机采用VB语言设计有好的机器界面，可以达到更高的控制要求，较低的成本。以及满足许多一些控制系统的要求。我们使用微软VB提供的通信控制文件，只需要很少汇编程序代码，并可以实现数据传输。MSP430F149单片机单片机采用IARC430语言设计和完成与上位机通信。上位机监控软件结构流程如图4所示。图4 上位机监控程序流程图4.2无线收发模块收发器模块的设计是实现监测中心站控制器MSP430F149单片机与下位机控制器AT89C51之间通过无线收发器nRF401芯片的通信连接，实现数据传输。当收发器模块有发送或接收任务时，单片机通过中断设计来完成，保证控制主程序正常运行6。传输的数据必须符合通信协议，以得到接收器的确认。因此，我们需要打包数据，并添加头协议，传输长度，检查等。打包数据可以发送到接口，并通过无线模块转交。数据标记头是用来表示一个新的数据块的开始;块长度可以保证数据不会丢失。在编程时，我们应该预先设计的通信协议，并考虑数纠错校验。纠错校验可以采用求和校验方式或CRC校验方式，除标记头外增加了数据校验，保证接收的数据不会因为环境的干扰而出错。收发流程如图5所示。图5 无线收发流程图4.3单灯监控模块单灯监控终端管理模块，主要完成功能的监测控制器和单灯监控地址设置，添加和修改等;单灯状态控制和检测模块，主要完成中心站控制器时间调整，单灯开关控制和状态监测，以及在线设计时间控制，以及夜间灯控制等;失败报警模块，这是实现路灯远程异常，状态不正常，或电流衰竭等记录和声光方式报警，直到用户通知正常后及时处理数据；照明灯评估模块，维护管理模块等。5 实验及结论本文设计了一种基于电力载波通信和无线通信技术的无线长距离照明控制系统，并以MSP430F149单片机，AT89C51和nRF401等芯片为基础，实现了集中管理和分散控制功能等。实验结果表明PC机与多工作从站控制器之间的传输距离可以达到1000米，并通过系统试验，完成对实地路灯照明设备的精确控制。本文主要介绍了无线通信模块和上位机接口模块的硬件和软件设计。系统采用VB可视化特征设计应用程序，在Windows环境作用下实现照明灯长途自动控制。系统具有高抗干扰好的扩展性，结构简单，成本低，实用性强许诸多优点7。系统采用无线数据传输技术，它不仅提高了信噪比（信号噪声比）和监测精度，而且还避免了许多繁重的工作，如交通信号传输电缆，电缆布线，电缆连接。和电缆监测等。并减少监测和系统监控的工作量、时间和成本，因此，在很大的程度上，它更广泛的适用性和更好的经济效益。如果我们改变测量的方式，例如，修复其他监测传感器，并修改相应的软件，我们可以轻松实现对许多其他行业的控制值进行实时监测。如煤矿井下有害气体浓度的监测，粮食储藏温度监控，智能楼宇监控等。因此，系统具有较好的推广价值和应用前景。6 结论本文介绍了路灯长距离上位监控和控制系统设计方法，结构和设计硬件/软件等系统使用无线通信技术和电力线载波通信技术等，完成城市路灯实时监测和控制。系统还可以实时发现故障，易于维修，达到节约能源的夜间灯控制，以及在线程序划分群体的定时控制，可以保证照明率，因此，实现城市路灯信息化管理。系统采用先进的路灯远程监测和控制技术，使系统具有自动化程度高，运行可靠，高效节能，方便维修等，可以弥补了传统路灯照明系统的不足。参考文献：1 Cui Guimin, Qin Huibin, Luo You. “The Study ofWireless StreetLampControl System,” Electronics & Packaging, 2007.12, p.42.2 Tang Guizhong, Zhang Guangming, Ji Chuihua. “Design of Wireless Monitor Terminal for City Street Lamp Based on MSP430,” Microcomputer and Information, 2004.9, pp. 77-79.3 Nodic VLSI. “nRFTM Radio Protocol Guidelines Nan400-07,” Http:/www.nvlsi.no. 2002.12.4 Li Jinfeng Cao,Shun Wei, Lifeng. “The Application of Wireless Receive Transmitter nRF401 in the Mine System,” Microcomputer Information. 2006.1-2, pp. 242-243.5 Zeng Shuiping, Shi Kai. “The Design For Universal Serial Bus Based On MSP430F449,” China Science and Technology Information, 2008.11, pp. 143-144.6 Han Xuejun, Liu Bintao, Chen Yonghui. “Design of Circuit Breaker