基于物联网嵌入式技术的LED路灯控制器设计

目前，所使用的大功率LED 路灯大部分都是简单的直接照明，缺少必要的智能控制，或者有些虽然具备有智能控制的功能，但是却不能自动检测路灯的照明状况，也不能方便地对路灯进行远程及本地调控。 并且现有的照明管理系统大都采用有线电缆控制照明灯具，对LED 路灯进行调控，通信协议比较复杂，建设成本和运营成本都比较高。 本文将物联网嵌入式技术引入路灯控制器，实现LED 路灯的智能控制。

　　物联网，是指将各种信息传感设备，如射频识别( RFID) 装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，将沟通从任何时间任何地点任何人之间的沟通连接扩展到人与物( Human to Thing) 和物与物( Thing to Thing) 之间的沟通连接。 发展物联网的关键在于射频标签、传感器、嵌入式系统及传输数据计算等领域。 其中，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统是物联网的“大脑“和“中枢神经”，物联网内的所有个体都需要嵌入式系统来传输和处理处理信息，嵌入式系统的好坏将直接影响物联网的运做。

　　本文以路灯控制器为应用背景，设计了支持CDMA 及ISM 无线通信的智能路灯控制器，将物联网嵌入式技术应用其中，利用控制器提供的专用接口和CDMA 网络平台，实现与各类传感器的连接，实现“人—物”、“物—物”、“物—人”之间的信息交流。

　　1 路灯控制系统

　　本文设计的路灯控制系统由3 个控制层、2个通信层组成。 系统的结构如图1 所示。 操作人员通过监控软件或手机将需求数据发送到CDMA网络进而传送给路灯主控器; 路灯主控器对接收数据分析、处理，并通过自组ISM 无线网络将数据送给节点控制器; 节点控制器做出响应并发出返回数据，数据按原路径返回给操作人员。 本文设计了系统核心部分： 智能路灯控制器，包含了主控器及节点控制器的设计。

图1 路灯控制系统结构图

　　2 主控器设计

　　主控器包括： ATmega128 主控模块、CDMA 通信模块、ISM 通信模块、显示输入模块，结构图2所示。

图2 主控器结构图

　　2. 1 主控模块

　　在主控模块采用核心板设计，结构如图3 所示。

图3 主控模块结构图

　　主控芯片采用AVR ATmega128 芯片。 ATmega128是高性能、低功耗的AVR8 位微处理器，它的运行速度快，大多数指令可以在一个时钟周期内完成; 寿命： 10， 000 次写/擦除周期; 具有独立锁定位、可选择的启动代码区; 通过片内的启动程序实现系统内编程; 真正的读- 修改- 写操作硬件乘法器只需两个时钟周期; 具有128K 字节的系统内可编程Flash; 4K 字节的内部SRAM; 可以对锁定位进行编程以实现软件加密; 具有JTAG 接口，方便程序在线调试、下载; 两个可编程的串行USART; 可工作于主机/从机模式的SPI 串行接口。

　　2. 2 CDMA 模块

　　CDMA 模块内部封装了完善的TCP /IP 等协议栈，可为远程无线传输提供透明的TCP /IP 通道，主要完成主控器与远程控制中心通信，完成指令数据的双向传输。 CDMA 模块与主控器通过UART1 双向传送数据。 本系统选用电信公司提供的CDMA 模块，通过MAX232 电平转换芯片和ATmega128 的UART1 口相连，实现全双工的数据通信。 模块采用5V 供电，ATmega128 的PD6 口经MAX232 电平转换芯片转换后接到模块的DTR.

　　DTR 信号用来通知CDMA 模块准备发送数据还是发送已经结束。

　　2. 3 ISM 通信模块

　　ISM 通信模块主要完成主控器与节点控制器通信，模块芯片及接口如图4 所示。

图4 ISM 模块芯片及接口设计

　　本文选用nRF24l01 作为ISM 通信模块无线收发芯片。 nRF24l01 芯片是工作在2. 4 ～ 2. 5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片，无线收发器包括： 频率发生器、增强型SchockBurstTM 模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器解调器、输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。 它具有内置链路层，自动应答及自动重发功能、地址及CRC 检验功能、数据传输率1 或2Mbps、SPI 接口数据速率0 ～ 8Mbps、125 个可选工作频道。 芯片具有极低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为- 6dBm 时电流消耗为9. 0mA，接收模式时为12. 3mA.