基于nRF401无线通信芯片分布式智能城市路灯监控系统

2009年网络安全、无线通信和可信计算国际会议基于nRF401无线通信芯片分布式智能城市路灯监控系统YuCHEN,ZhaoyuLIU郑州航空工业管理学院中国郑州电子信箱：[e-mail]摘要：传统路灯照明系统的控制有低效率、高成本和难监视等缺点,因此,它不符合现代城市的要求。为了实现实时分布式远程城市路灯状态的自动控制,我们介绍一种基于单片机技术、电力载波通信和无线通信技术等的无线网络城市路灯远程智能监控系统。系统由上层电脑,主控制器,各个终端控制器组成。上层PC控制主控单片机MSP430F19,传送控制指令给现场控器,MSP430F149通过nRF401无线收发器控制照明灯具开关相应变化的状态。上层PC能有效实现实时无线远程照明设备的控制。通过实验,传输距离可以最高达到1000m。此外,我们设计的照明监控设备,可以保证路灯在通信网络出现故障时自动熄灭。关键词：路灯监控；MSP430F149;nRF401;无线通讯;AT89C51单片机；电力载波I.简介路灯照明是城市基础设施的一部分,它在交通安全、社会保障、人们生活、城市外观风格和特点,以及使整个城市的力量和成熟的程度上发挥着越来越重要的位置,。传统的路灯控制采用时间控制器或变压器(配电箱)来实现分布式控制,具有恶劣的集中管理,高故障率的缺点。由于没有远程数据采集和通信功能,路灯管理无法实时实现,所以,灯的工作、操作结果等不能集中监控、记录、和静态处理,通常不能得到及时的维护。本文基于单片机技术、无线网络通信技术等在分析传统路灯监控系统的缺点基础上，通过研究工作原理、实验,和特性等，介绍了一种远程监控路灯系统。该系统实现了按需照明,并且能够监控报警，从而实现远程路灯监控,并具有较强的可行性。[1]II.系统的组成及原理系统由各盏灯监控终端控制器设备、路灯监控中心站和上层电脑等组成。每个路灯监控中心站与工作中心站通过无线传输通信,中心站通过RS232/485或USB接口或以电汇方式与上层电脑通信。根据不同的地理分布状况,各项工作的中心站与一个或多个工作奴隶站通过无线通信进行连接。上层PC通过与终端设备通信获得照明设备的开关状态。工作中心站通过RS232/485或USB总线接口与上层电脑通信。上层电脑实时显示区域照明设备状态。每盏灯终端控制器可以通过上层电脑实现照明灯具启动或关闭,是因为路灯距离远,我们可以使用电力载波线传播媒介作为监控中心站的数据采集设备。也就是说,在中心站连接后,然后通过接口连接上层电脑,可适合城市大规模领域需要和实现远程数据传输。分布式网络结构原理表现为图1。图1.分布式路灯监控系统结构每个监控终端低层电脑可以自己设置路灯工作信息或通过上层PC下载控制模式,如时钟日历,打开/关闭时间等。上层电脑可以控制每盏路灯工作状态,监视中心站的节点可以通过各个节点间的无线跳跃通信传送指令给上层电脑;每个路灯节点控制自己的工作信息,通过电力载波线实现故障报警;如果一些路灯灯节点故障,越过这个节点通信作为反馈信息反馈给控制中心和上层电脑。单片机MSP430F149作为监控中心站控制器;上层电脑通过RS232/485或USB总线与工作中心站通信和实现信息交换,这会响应整个系统监测和管理。监控中心站控制器接收各种操作控制命令和上层的电脑设置的参数，各个区域的路灯控制器根据控制方案收集开关分析和实现远程控制。上层电脑通过RS485或USB总线接口连接中心工作站;通过工作奴隶站上传监测数据获得和存储监视数据。下载控制模式以避免因为网络故障出现系统失控的现象。此外,每一个路灯控制器具有低强度检测模块的能力,可根据白天黑夜实现自动离合。III.硬件电路设计中心站路灯监控系统控制器采用美国TI公司的MSP430F149单片机;它是一种低功率混合信号控制器,它具有RSIC16位结构、16位寄存器、CPU具有持续发生器。在CPU的运行中,如果出错,数据转换操作会自动启动,保证系统正常工作。如果程序错误,我们可以设置监视器来解决它。在程序快速运行时,监视器可能出现溢流情况,监视器会产生重置信号,使系统重启,即可保证系统运行的稳定性。A.单盏灯监测设备单盏灯监控终端开关的主要功能是灯开关控制,收集灯的实时工作信息以及与监控中心站控制器的通信,它的硬件模块框架图表现为图2。图2.单盏灯监控系统结构.ISL29000工作照明强度范围在1到10000之间,可以把它转化成电流；输出的电流是二极管接受的照明强度成正比。输出电流被转换成电压,通过A/D转换计算外界环境的亮度、单片机判断路灯开关。通过照明强度监控模块,系统即可实现自动控制路灯开关,以避免通讯失败。低层电脑通过设定数字港口代码可以得到各位路灯终端地址,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的工作状态信息。单盏灯采用单片机AT89C51单片机监控终端,通过电力载波通信与MSP430F149进行通信。电力通讯模块由电力载波通信专业芯片SSCP300和SSCP111组成。[2]B.无线收发电路设计北欧挪威的系统采用nRF401无线收发器芯片为核心的无线通信模块[3]。蓝牙技术和抗干扰能力的核心结构式一种很强大的数字调频调制类型。工作频率的稳定可靠，周边设备的却很少。所以它很适应设计便携式交换产品。由于其低发射信号频率、高灵敏度和载波接收频率值是ISM频段的433兆赫，nRF401满足无线监管的需求,且不需要许可证。nRF401可以将正常状态转换成待机状态或传递状态给接受到的。根据实际设计要求，控制端口芯片上电,代码段寄存器,nRF401通过连接单片机克服阻力的发射使能。所以,当相应MSP430F149的端口在输入状态,由于克服阻力,当前消费几乎为零。[4]因为单片机MSP430F149系列拥有自动的串行通讯端口,它能连接nRF401收发电路。标准变化是没有必要的。无线电频率模块的工作频段通过nRF401的周边设备的CS的串行接口进行设置。此外,通过射频功率控制端口偏置电阻的调整、辐射功率可以调整。最大的辐射功率可达到+10dBm。同时,晶片的压控振荡器电路需要值为22nH的外部压控振荡器电感的连接,电感是非常重要的。Q433兆赫,精度为2%。无线收发原理为图3。图3.无线通信模块.检测装置的结构和无线收发单位检测仪器一样。无线接口被设计小体积中空线圈,低成本,它可以直接到PCB板上腐蚀而成。这是非常适合便携式和低消费产品。IV.系统软件设计软件设计是实现系统功能另一个关键。便于更新、资源共享和软件系统采用结构化程序设计方案使系统具有良好的模块化和可移植性。软件设计由各盏路灯的程序、路灯中心站监控控制程序、上层电脑显示控制程序、无线通讯程序等组成。系统软件设计的关键是路灯监控站和无线通信模块的设计等。单盏灯监控奴隶站软件负责数据采集和通信等。无线通讯模块,由最初始化程序,发送和接收程序等组成。因为系统的任何一个节点可以与其他节点在任何时间通信。因此,每个节点通信程序基本相同。系统主程序包括两个部分,一是路灯监控中心站MSP430F149接收上层电脑的正确指令,然后传送相应的指令给现场照明灯具。另一部分是根据接受的指令控制每盏灯的状态。A．上层电脑通信上层电脑采用VB语言设计友好的人机界面,可以达到更高的控制要求,和更低的成本。为了符合大量控制系统要求，我们使用VB提供的微软委员会通信控件文件,只需要编写的小程序代码,并能实现数据收发。MSP430F149单片机采用IARC430语言设计和完成与上层电脑的通信。上层电脑监控软件结构流程图如图4.图4.上层电脑监控程序流程图B.无线收发模块中心站MSP430F149监测控制器和低层电脑控制器AT89C51通过无线收发器nRF401芯片进行联系的收发模块之间的通信的设计实现了数据传输。当收发模块一旦发射或接收任务,单片机实现中断方式,保证控制主程序的正常运行。[6]传输数据必须适合被接收器认可的通信协议。所以,我们需要分组数据,并加入议定书的头,传输长度,止回阀,等等。分组数据就可以进入接口,并通过无线模块传送。数据标记头是用来表达一种新的数据块的开始;栈长确保数据长度不被丢失。在编程方面,我们认为应预设通信协议与考虑到数据能够纠错。误差修正可以采用校验码模式或CRC校验模式,校验码除了标识头部外还可增加数据，保证接收数据不出错由于外界干扰。收发工艺流程表现为图5。图5.无线收发工艺流程表。C.单盏灯监控模块单盏灯监控终端管理模块主要完成监测控制器、单盏灯监控地址的设置,增加,修改等功能；单盏灯的状态控制和检测模块,主要完成中心站控制器时间调整、单盏灯的开关控制和状态监测,以及在线编程时间控制器和夜灯控制等；故障报警模块实现路灯远程异常，状态异常,或电流故障等以声光形式记录和报警直到用户及时通知正常；照明灯具率模块、维修管理模块等。V.实验和结论本文基于电力载波通信和无线通信技术,并基于MSP430F149单片机芯片、AT89C51单片机、nRF401等设计了一种无线远程照明控制系统，实现集中管理和分布式控制功能等。实验结果显示一台电脑和多个工作奴隶站控制器的传送距离通过系统实验可达1000米，并完成现场路灯照明设备控制精度。本文主要介绍无线通信模块和上层电脑接口模块的硬件和软件设计。系统在Windows条件下采用VB可视化特点设计应用程序,实现路灯远程自动控制照。系统具有高抗干扰、可扩展性,结构简单、成本低、实用性强的优点。[7]系统采用无线数据传输技术,它不仅可提高snr(信噪比)和监视器精度,而且也避免了许多繁重的工作,如信号交通传输电缆,电缆路由,有线连接,和有线电视监视等。并可减少监测和系统监测工作量、时间和费用,所以在很大程度上,它有更广泛的适用性和较好的经济性。如果我们改变测量的形式,例如,改用其它监测传感器,和修改相应的软件,我们可以很容易实现许多其他的工业控制值的实时监控。例如煤矿有害气体浓度监测、粮食贮藏温度监控,楼宇智能化监控等。因此,系统具有良好的推广应用价值和应用前景。VI.总结本文介绍了路灯远距离上层电脑机监控和控制系统设计方法、结构、设计的硬件/软件等。系统采用无线网络电力载波通讯技术和电缆通讯技术等,实现城市路灯实时监控。系统还可以及时发现故障,维修方便,达到夜灯节省能源的控制,以及线性分组的时间控制,可以有效保证照明灯具率,从而实现城市路灯的信息管理。系统采用先进的路灯远程监控技术,使系统具有自动化程度高、运行可靠、高节能效率、便于维护等优点，它可以弥补传统路灯照明系统的不足。参考文献[1]CuiGuimin,QinHuibin,LuoYou.“TheStudyofWirelessStreetLampControlSystem,”Electronics&Packaging,2007.12,p.42.[2]TangGuizhong,ZhangGuangming,JiChuihua.“DesignofWirelessMonitorTerminalforCityStreetLampBasedonMSP430,”MicrocomputerandInformation,2004.9,pp.77-79.[3]NordicVLSI.“nRFTMRadioProtocolGuidelinesNan400-07,”[4]LiJinfengCao,ShunWei,Lifeng.“TheApplicationofWirelessReceiveTransmitternRF401intheMineSystem,”MicrocomputerInformation.2006.1-2,pp.242-243.[5]ZengShuiping,ShiKai.“TheDesignForUniversalSerialBusBasedOnMSP430F449,”ChinaScienceandTechnologyInformation,2008.11,pp.143-144.[6]HanXuejun,LiuBint