基于GSM遠(yuǎn)程路燈控制系統(tǒng)設(shè)計

李瑜慶，田　娟，喬愛民，楊仁好

(蚌埠學(xué)院 電子與電氣工程系，安徽 蚌埠 233030)

摘　要：針對傳統(tǒng)的路燈控制與維護(hù)手段單一、智能化程度低，提出了一種基于GSM遠(yuǎn)程路燈控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)由監(jiān)控中心、控制點、GSM通信模塊3大部分組成，短消息指令經(jīng)控制中心處理實現(xiàn)對交流調(diào)光板的控制，達(dá)到遠(yuǎn)程控制路燈的目的。該設(shè)計對于節(jié)約能源，提高城市現(xiàn)代化、智能化、智慧化城市管理水平具有現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：GSM；單片機；智能控制；交流調(diào)光板

隨著我國社會主義現(xiàn)代化快速發(fā)展，傳統(tǒng)的路燈控制與維護(hù)手段僅靠時間控制和光控以及人工控制已不適應(yīng)現(xiàn)代智慧化城市的發(fā)展要求，給人們的生活帶來諸多不便。本文設(shè)計了一種基于GSM技術(shù)遠(yuǎn)程路燈控制系統(tǒng)。在本設(shè)計中采用GSM通信模塊，以STC89C52單片機作為中央控制和信息處理中心，通過GTM900無線接收發(fā)射模塊建立無線信道，從而實現(xiàn)信號的發(fā)送和接收。再通過AD轉(zhuǎn)換輔以外圍電源電路、復(fù)位電路等組合成交流調(diào)光板，從而控制路燈的亮暗程度或亮滅，達(dá)到遠(yuǎn)程智能控制路燈。該技術(shù)能夠提高城市路燈的管理效率與現(xiàn)代化程度，提高照明質(zhì)量，減少電能消耗，延長路燈使用壽命，節(jié)省人力物力，使用維護(hù)方便，自動化程度高，具有廣闊的應(yīng)用前景。城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)將成為現(xiàn)代化文明大都市的重要標(biāo)志之一[1-2]。

1　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)主要以單片機 AT89C52 為智能核心模塊，外圍電路主要包括電源電路、GSM通信模塊、交流調(diào)光板、LCD顯示模塊等組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1　電源電路設(shè)計

該系統(tǒng)正常運行需要12 V、5 V 及3.8 V電壓，即把市電(2 201 V 交流電)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電壓。通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓過程將220 V交流電變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，并實現(xiàn)12 V電壓穩(wěn)定輸出，然后通過LM7805 或LM2596分別轉(zhuǎn)換為5 V和3.8 V電壓，為系統(tǒng)運行供電。

1.2　顯示電路設(shè)計

為實時反映溫度、濕度等環(huán)境狀態(tài)，便于用戶對參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，顯示模塊采用LCD1602[3]，其電路如圖2所示。該芯片為工業(yè)字符型液晶顯示，能夠同時顯示 16×2即32個字符。

圖2　顯示模塊電路

1.3　通信電路

通訊模塊主要是用于把保存在CPU中的數(shù)據(jù)傳送到上位機中進(jìn)行比較分析，從而能夠更好地調(diào)整和改進(jìn)控制方案，本設(shè)計中涉及兩種通訊方式，RS232通信方式和GSM通信方式。RS232采用異步通訊方式，傳輸速度和傳輸?shù)木嚯x有限，只適合短距離、少量數(shù)據(jù)的通訊，能夠很方便地與 PC機的COM口相連接，用于程序的在線調(diào)試和下載，RS232通信電路如圖3所示。GSM通訊方式能夠遠(yuǎn)距離無線傳輸，適合遠(yuǎn)程控制。

圖3　RS232通信電路

GSM通信模塊采用華為生產(chǎn)的一款三頻段GTM900無線收發(fā)射模塊，它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令集，使用時該模塊要先插入一個SIM卡，當(dāng)用戶通過手機發(fā)送短信給SIM卡時，接收到短信后經(jīng)過處理控制路燈的亮暗程度，實現(xiàn)對路燈的控制。該模塊能提供豐富的語音和信息接收、發(fā)送功能，因此在現(xiàn)實生活中具有廣泛的應(yīng)用[4]，GSM通信模塊內(nèi)部電路如圖4所示。

圖4 GSM通信模塊內(nèi)部電路

1.4　交流調(diào)光板電路

交流調(diào)光板可根據(jù)外界光照強度或者通過AD轉(zhuǎn)換器手動調(diào)節(jié)路燈的亮暗或亮滅。它主要由TCA785、晶閘管、PCF8591等器件組成，電路圖如圖5所示。晶閘管相當(dāng)于三極管，當(dāng)3號引腳來一個脈沖時，1號引腳的電壓大于2號引腳電壓，此時晶閘管導(dǎo)通。TCA785是一個移相控制芯片，可以用于控制半導(dǎo)體晶閘管、雙向可控硅開關(guān)等，其觸發(fā)脈沖可以在0～180度之間的相位角內(nèi)移動。PCF8591是低功耗CMOS單片機8位數(shù)據(jù)采集器件，有4個模擬輸入、1個輸出、1個串行I2C總線接口，3個地址引腳A0、A1、A2都是用于編寫硬件地址，最多允許8個器件連接至I2C總線上，功能包括多路復(fù)用輸入、片上跟蹤和保持、8位AD/DA轉(zhuǎn)換。

當(dāng)輸入方波信號進(jìn)入到芯片TCA785時，5號引腳為外接同步信號輸入端，用于檢測交流信號是否過零點，同時該芯片內(nèi)10號引腳會產(chǎn)生同步鋸齒波，其斜率大小由9，10號引腳端的電阻和電容決定，這里是由輸入的方波經(jīng)過積分運算電路轉(zhuǎn)化為鋸齒波，由于11號引腳輸入方波信號，在分析時可以選取方波的一段高電平進(jìn)行分析。當(dāng)10號引腳的電壓大于當(dāng)前輸入的11號引腳的電壓時，14、15號引腳的Q1、Q2端就會輸出相應(yīng)的正邏輯脈沖，但是在兩個輸出端有30 μs的延時，從而在相位上發(fā)生相移，其中脈沖寬度是由12號引腳的C12控制，通過改變電容C12的值，改變兩組輸出正向脈沖的相位差，通過改變11號引腳的V11大小，實現(xiàn)正向脈沖的波形相位變化。

通過控制器控制路燈的亮暗或亮滅有兩種方式，即手動和軟件控制。手動控制主要是通過調(diào)節(jié)10K電位器來使15號引腳產(chǎn)生脈沖，從而使晶閘管導(dǎo)通，控制路燈的亮滅。軟件控制主要通過8位AD轉(zhuǎn)換器把人工輸入數(shù)字量轉(zhuǎn)化為電壓或電流模擬量輸出至光電耦合器，輸入數(shù)字量不同，發(fā)光二極管亮度不同，從而使光敏電阻阻值發(fā)生變化，分得的電壓不同，這樣也使15號引腳產(chǎn)生脈沖，從而使晶閘管導(dǎo)通來控制路燈的亮滅。

圖5交流調(diào)光板電路圖

2　系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)控制軟件采用C語言編程和模塊化設(shè)計思想，各功能模塊都有相應(yīng)的子程序，通過主程序調(diào)用。系統(tǒng)包括的功能模塊子程序主要包括液晶顯示處理程序、GSM通信子程序、交流調(diào)光板子程序等幾個部分。

2.1　主程序

主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖　　　　　圖7　GSM通信子程序流程圖　　　　圖8　交流調(diào)光板子程序流程圖

2.2　GSM通信子程序

GSM通信子程序如圖7所示。AT指令即賀氏指令，是GSM模塊與計算機間的通信協(xié)議。GSM模塊通過串行通信UART接口發(fā)送AT指令，串行線另一端的應(yīng)用設(shè)備包括終端設(shè)備TE、數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE等其他應(yīng)用設(shè)備。

(1)“AT+CMTI”有新短消息提示，判斷模塊有沒有發(fā)送新消息提示，如有，則執(zhí)行下面程序。

(2)“AT+CMGR=1\r\n”讀取短信指令，設(shè)置1代表短信為文本格式，“\r\n”代表回車換行。

(3)“AT+CMGD=1,4\r\n”讀取完短信指令后刪除短信。

(4)“AT+CMGS”發(fā)送消息

2.3　交流調(diào)光板子程序

交流調(diào)光板子程序如圖8所示。PCF8591是8位A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，采用的是I2C總線通信協(xié)議，所以一開始要進(jìn)行I2C總線初始化，設(shè)置SDA=1、SCL=1開啟I2C通信。然后輸入數(shù)據(jù)，發(fā)送地址，等待從機是否應(yīng)答，如果從機發(fā)送非應(yīng)答子程序則把位置標(biāo)志為1并返回等待下次發(fā)送；如果從機發(fā)送應(yīng)答子程序則發(fā)送數(shù)據(jù)字符，再判斷從機是否等待應(yīng)答，若從機不應(yīng)答則返回再次等待發(fā)送數(shù)據(jù)，若從機應(yīng)答則接收I2C通信，把輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為模擬量，從而實現(xiàn)D/A輸出，再設(shè)置SDA=0、SCL=1停止I2C通信，這樣就可完成對控制器的控制。

3　結(jié)　論

本文介紹的GSM遠(yuǎn)程路燈控制系統(tǒng)，其監(jiān)控中心由上位機及外圍設(shè)備、GSM通信模塊等組成，用于對轄區(qū)各路燈節(jié)點進(jìn)行監(jiān)控。分控點主要由下位機、GSM通信模塊及交流調(diào)光板等組成，用于執(zhí)行監(jiān)控中心發(fā)出的命令，還有就是對各分控點路燈支路的信息進(jìn)行監(jiān)測和采集，響應(yīng)監(jiān)控中心的命令，從而對分控點路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程路燈控制，監(jiān)控中心與分控點之間通過GSM網(wǎng)絡(luò)以SMS短消息的形式進(jìn)行通信。本設(shè)計主要實現(xiàn)的以下兩點功能：(1)交流調(diào)光板具有定時開關(guān)，季節(jié)性調(diào)節(jié)，隨著周圍環(huán)境光照強度的變化來調(diào)節(jié)路燈的亮暗或亮滅。(2)監(jiān)控中心與分控點之間以SMS短消息形式發(fā)送和接收路燈的電流、電壓和路燈開關(guān)狀態(tài)信息，并形成報表存儲于上位機，正常狀態(tài)時可以定時發(fā)送。

參考文獻(xiàn):

[1] 李立.智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)的研究[D].天津:天津理工大學(xué),2013.

[2] 梁連偉,李欽,張彪，等.智能家居安防系統(tǒng)[J].傳感器世界,2013(1):27-31.

[3] 趙亮．跟我學(xué)51單片機(七)—LCD1602液晶顯示模塊[J]．電子制作，2011(7):74-77．

[4] Gao Guanwang, WangYanpeng. The design of embedded MCU network measure and control system[J]. Energy Procedia, 2012:356-358.

Design of Remote Street Lamp Control System Based on GSM

LI Yu-qing, TIAN Juan, QIAO Ai-min, YANG Ren-hao

(Departments of Mechanical and Electronic Engineering, Bengbu University, Bengbu, Anhui 233030,China)

Abstract: The traditional street lamp’s control and maintenance methods are not perfect, and its degree of intelligence is also low. To deal with this problem,one street lamp control system based on GSM remote control technology is proposed. This system includes monitoring center, sub-control point and GSM communication module. The short message command is processed by the control center firstly, then we realizes the control of exchange AC dimmer board, and finally achieve the goal of remote control street lamp. The design has practical significance in energy conservation and the improving of management level for modern, intelligent and wisdom city.

Key words: GSM, microcontroller, intelligent control, AC dimmer board

文章編號：1007-4260(2016)01-0087-05

中圖分類號：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.01.023

作者簡介：李瑜慶，男，河南周口人，碩士，蚌埠學(xué)院電子與電氣工程系講師，主要從事電子工業(yè)、測控方面的研究。E-mail：lilac5218@126.com通訊作者：田娟，女 湖北鐘祥人，碩士，蚌埠學(xué)院電子與電氣工程系講師，主要從事測控技術(shù)研究。E-mail：puffin2008@163.com

基金項目：蚌埠學(xué)院院級科研項目(2015ZR11)和國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201411305030)。

*收稿日期： 2015-07-17

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-03-15 17:05　網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.023.html