基于nRF905的智能道路照明节能系统

目前，国内大部分城市的道路照明管理系统至今仍在沿用相对单一的光控、时控等传统控制方式。这些系统普遍存在着难以反馈路灯运行状态信息、难以进行远程控制等局限，节电效果不理想。另外我国大部分城市路灯采用“全夜灯”的方式进行照明，普遍存在的问题有两点：一方面，后半夜行人稀少，采用“全夜灯”的方式浪费太大，因此，有的地方采取前半夜全亮，后半夜全灭的“半夜灯”照明方式；有的地方在后半夜采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的节电措施，此种方式虽然节约了电费支出，却带来了社会治安和交通安全问题，不利于城市形象。

1 系统方案概述
    该系统由照明区域控制器与智能节点组成，照明区域控制器负责所辖路段的智能化照明控制，而智能节点负责单个路灯的控制和状态检测。智能节点和照明区域控制器之间采用无线通信方式进行数据传输。
    该系统是通过路况具体情况来设定输出功率等级，以此改变路灯的光照来实现节能。其基本思想是：路灯可以随着马路上车辆或行人的行进速度以及数量来调节灯光的亮度，即动态调光策略。其工作框图如图1所示。

    智能控制器1的工作过程：在智能控制器1的控制下，通过光敏元件来探测周围环境的光线强度，并根据光敏元件的探测结果向功率调节单元发出指令来实现夜晚时灯光开启及天亮时路灯熄灭的操作。在路灯开启的情况下，对射检测单元开始工作，当车辆或行人通过马路时，对射探测接收单元会产生相关的脉冲信号传送给控制器1，控制器会根据脉冲信号以及时间间隔，通过软件得到车辆或行人的数量及行进速度等相关参数，并向功率调节单元发出相关指令，使其采取不同的灯光亮度等级并持续一段时间。与此同时，控制器1将相关参数通过无线通信单元传递给下一个或几个单片机。
    下一个接收到信号的单片机会在人未到达前改变亮度等级，而持续的时间可满足车辆或行人通过此灯一定距离，此灯也实时检测车辆或行人的通过，并把相关参数传递给以后的路灯。各个路灯节点与主控制室的计算机相互通信，可实时监控路灯运行状况。其系统框图如图2所示。

2 系统主要单元硬件结构设计
2．1 移动物体监测单元
    信号发生电路由两个555电路来实现。前一个555用来产生的1 kHz的调制信号，并由③引脚输出至后一个的复位端④脚，后一个555用来产生38 kHz方波信号。由④脚作为调制端，即当④脚为高电平时，555是常规的方波振荡器；当④脚为低电平时，555的③引脚处于低电平。此信号发生器和38 kHz红外接管即可实现行人或车辆的检测，其电路原理图如图3所示。

2．2 无线传输单元
    本系统的主控制器采用了Atmel公司的ATmegal6，它是真正的RISC结构的单片机，内部资源非常丰富，并在片内集成了各种功能强大的外围接口和通信接口。在本次设计中，单片机的任务主要是完成对经过降压处理而采集到的市电电压进行变换，通过软件完成对节电等级的判断，并控制相应的继电器进行相应的通断动作；还要对一段时间内的开关灯时间及状态进行记录，以及完成和外部设备的通信等功能。
    该系统的无线通信模块是Nordic VLSI公司推出的单片射频收发芯片nRF905，工作电压为1．9～3．6 V，体积小，可工作于333／868／915 MHz三个ISM频道，输出增益范围为-10～+10 dE，最大无线数据传输速率达50 Kb／s，适用于无线数据通信、无线报警及安全系统等诸多领域。该芯片通过单片机的简单控制即可方便实现无线收发模块的设计，它通过SPI口与单片机进行数据交换，工作于从方式时，时钟由单片机的SPI时钟确定。

3 系统工作模式与软件设计
3．1 系统工作模式
    照明区域控制器与智能节点之间通过nRF905模块实现数据传输，依然采用主／从结构，即照明区域控制器给出控制指令，在指令中包含目标智能节点地址信息，以广播的方式下传，智能节点接到指令后根据指令中的节点地址信息判断是否执行操作。对于需要作为中继的节点，接到指令后首先判断控制字和目标节点地址信息，当为单点控制或查询指令时，如果自身地址等于目标节点地址，则执行该操作，否则判断该目标节点地址是否处于自己中继的有效范围，是则中继该指令，反之不做任何操作。
3．1．1 智能化照明控制策略设计
    在没有人为或管理中心干预的情况下，照明区域控制器按照预设的照明控制策略完成自主的现场照明控制。本设计中采用了时间控制(时控)、环境参数辅助控制和手动控制相结合的照明控制策略。环境参数辅助控制为可选功能，禁止使用时，为时控和手控相结合。三种控制方式的优先级遵循以下原则：
    (1)手动控制优先级最高，手动控制时，时控和环境参数辅助控制被屏蔽。
    (2)当手动控制取消后，环境参数辅助控制、时间控制恢复正常使用，如果处于时控有效期内，系统按照时间控制策略维持／更新运行状态；如果处于时控有效期外，则根据环境状况进行控制。
    (3)系统退出手动控制模式时，由照明区域控制器判断当前所属时段，决定各交流接触器是否打开或关闭。
3．1．2 环境参数与流量控制策略
     智能化的道路照明控制系统还应该能够根据天气、交通流量等实际的环境参数调整照明控制措施，以获得更好的照明质量和节电效果。
    (1)照度辅助控制考虑到天气异常变化的影响，需综合考虑自然环境照度和当前时间，执行相应的开灯或关灯操作。需要注意的是，为了保证系统的稳定性，在进行环境照度采集时必须采取延时或者软件滤波等措施消除环境照度尖峰干扰(如闪电)。此外，还应该限定根据照度进行控制的作用时间段或者采用模糊控制手段区分干扰和正常情况，避免因突变持续性干扰造成的误动作。
    (2)交通流量辅助控制在智能化的照明控制系统中要实现人性化的照明控制，还必须考虑同一照明季节内交通流量变化规律的异常情况，尤其是在一些比较重要的节假日，人们的作息习惯会和平时出现差异，因此道路交通流量曲线与平时相比会出现较大波动，这时就不能再按照正常的时间段划分进行控制，而必须借助于交通流量辅助控制。考虑到这种波动主要集中在较集中的时段内，因此在软件设计时就只限定在特定的时段内有效。
3．1．3 区域控制策略
    无线通信技术的发展使得低成本的单灯控制和检测成为可能，也使路灯的控制变得更加灵活。同一路段的不同路灯，由于其所处位置的不同，对其照明控制的要求可能也不相同。比如某个路段处于十字路口的路灯，由于位置的重要特殊性，就不能和其他路灯同时进行相同的场景控制。另外对于一杆多灯的情况，需要考虑在交通流量减小时部分关闭以节约电能。区域控制可以通过配置控制系统底层(照明区域控制器智能节点)之间的通信协议实现。区域控制数据帧格式如下：

    控制类型声明单灯智能控制器应该执行何种控制操作，起始地址、终止地址和作用范围一起声明了对受控路灯节点的地址编号要求，这样就相当于将符合相同条件的路灯节点绑定在了一起，从而可以实现区域控制。作用范围根据单灯智能控制器地址编号的数学特征可以分为奇数有效、偶数有效等多种情况，因此可以实现多样化的控制区域组合。
3．1．4 时间控制策略
    时间控制主要包括每天的开关灯控制和夜间按照道路交通流量分时段进行的调光控制。这些控制操作不仅应该能够取得明显的节电效果，还应该能够提高道路照明质量。
    (1)开关灯时间可以一个月为时间段将一年分为12个时间段。每个月的起止时间应以当地具体日照情况为准，可采用多次测量后的平均值得到，并将得到的数据保存在单片机中供软件查询用。
    (2)夜间分时段多样化控制。夜间的路灯照明控制主要是根据道路夜间交通流量变化规律进行分时段控制，尽管在一条道路上每天夜间不同时刻的交通流量会略有差异，但在一段时间(一个月或几个月)的统计规律来看，这种变化的波动并不很大，所以完全可以按照平均交通流量变化规律把一年的照明周期划分成若干照明季节。由于每个照明季节的开关灯时间有所差别，又将每天的整个时段分为三个小时段，每个小时段可以配合行人检测对路灯进行调光、部分开关或者全部开关等。
3．2 系统软件设计
    本文采用了ICCAVR编辑器，结合Atmel公司的AVR Studio集成开发平台进行设计。

    系统的工作流程如图4所示，系统在外界光线达到照明需求时开始初始化，并进入工作状态，此时红外探测器将不断监测路段行人或车辆，将检测到的数据传送给AVR主控制器，主控制器将根据数据量来点亮路灯，并开始利用nRF905向后一组路灯传送消息，后一组在接收到消息后在主控制器中处理信息，提前点亮路灯，等待着再次监测到物体，如此循环。其中软件记录开启时间，进入相应划分的时段时开启相应调光程序。
    单片机芯片和无线收发芯片在开始工作前都要进行初始化配置，本系统中的包含了以下两个部分的配置：
    (1)ATmegal6L的SPI接口初始化。ATmegal6L的异步串行接口和SPI接口用同一个USART模块，且要选择SPI的主／从机方式，还要保证系统中只有一个主机，对于此系统应将AVR单片机设置为主机，nRF905模块设置为从机。
    (2)nRF905的初始化配置。对无线收发芯片的初始化参数的配置是通过nRF905的配置寄存器进行设置的。nRF905中有一个144 b的配置字，该配置字规定了无线收发器的无线收发工作模式、收发频率、发射频率、收发地址宽度、接收地址、无线传输速率、晶振频率以及CRC校验和的长度及有效数据长度等。在同一时刻，nRF905无线收发只能处于工作模式之一。不管模式想发送还是要接收数据，模块上电后都要进行初始化配置。
    nRF905发送数据时，系统通过软件设置TRX_CE，并使得TX_EN和PWR_UP为高电位来激活nRF905的Shock Burst TM发送模式来实现数据发送。通过Shock Burst TM可以使收发芯片自动上电，且完成数据打包(加字头和CRC校验码)并发送数据包。当数据发送完成后，数据准备(DR)引脚被置高，若AUTO_RETRAN被置高，那么，nRF905将连续地发送数据包，直到检测到TRX_CE为低电平；而当TRX_CE被置为低电平时，表明nRF905数据传输已经结束，并且会自动进入节电模式。
    当TR_CE为高TX_EN为低时，nRF905进入Shock Burst TM接收模式；再650μs后，nRF905不断检测，等待数据接收；当nRF905检测到同一频段的载波时，载波检测(CD)引脚被置高；但检测到一个相匹配的地址后，地址匹配(AM)引脚被置高；之后就开始接收数据包，接收完成后，nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把DR引脚置高。在此之后，单片机会将TRX_CE置低，使nRF905处于空闲模式；然后单片机会通过SPI接口将数据以一定的速率传送到单片机内；当所有的数据都接收完毕后，nRF905会把DR引脚和AM引脚置低。至此已完成整个接收流程。
    单片机接收到信息后，会对和已存信息进行分析比较，并发出相关指令，之后开始进入下一个发送周期。

4 结语
    该智能路灯照明控制系统运用多种控制方法，配合当地具体时段来管理路灯开关状况及亮度等级，并运用无线射频通信技术实现路段的区域控制和实时信息交换，实现“追光”照明。配有自动故障报警功能，同时它降低了运行维护费用，该系统使用方便，制造成本合理，维护较容易，综合来看，有广阔的前景。