O 引言
目前大空間的廣場(chǎng)或教室等場(chǎng)所的照明系統(tǒng)絕大部分都采用完全照明的方式,即使只有某個(gè)部分區(qū)域有人活動(dòng)也會(huì)開放全部的照明設(shè)備,從而造成了巨大的電能浪費(fèi)。因此設(shè)計(jì)了基于ARM9和電力線載波通信技術(shù)相結(jié)合的控制系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)大空間中各區(qū)域人員活動(dòng)情況,并根據(jù)控制指令以及事先設(shè)好的算法控制相應(yīng)區(qū)域的照明設(shè)備點(diǎn)亮及照明時(shí)間,并能夠?qū)刂菩畔?、照明情況進(jìn)行記錄,便于管理與查詢。這樣在人員較少的時(shí)候,大空間中只有局部區(qū)域照明設(shè)備點(diǎn)亮,從而實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)約電能。
1 硬件組成及原理
為了更好地實(shí)現(xiàn)控制與節(jié)能,將廣場(chǎng)照明系統(tǒng)分為若干個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域都由一個(gè)單片機(jī)從機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)單獨(dú)控制。廣場(chǎng)分區(qū)照明系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)分為主機(jī)系統(tǒng)和從機(jī)系統(tǒng)兩部分。主機(jī)以S3C2410為核心,負(fù)責(zé)接收工作人員指令和從機(jī)傳過來的信息并實(shí)施全局控制,還支持信息存儲(chǔ)和查詢等;從機(jī)以單片機(jī)為核心,負(fù)責(zé)某特定區(qū)域檢測(cè)人員情況,并與主機(jī)以電力線載波的方式進(jìn)行通信,還負(fù)責(zé)該區(qū)域照明控制。下面就重要部分進(jìn)行分別介紹。
1.1 主控制器
本系統(tǒng)的主控制器采用三星公司的S3C2410處理器,與電源電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器系統(tǒng)及復(fù)位電路共同組成微控制系統(tǒng)。復(fù)位電路選用了系統(tǒng)監(jiān)視復(fù)位芯片IMP811S,可提供高效的電源監(jiān)視功能,確保系統(tǒng)工作正常。
S3C2410是一款基于ARM920內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式處理器微處理器,運(yùn)行頻率可達(dá)203 MHz,在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一系列完整的通用外圍接口單元,能夠提供高性價(jià)比的嵌入式解決方案。S3C2410系統(tǒng)外圍接口單元包括支持55個(gè)中斷源的中斷控制器,4路DMA控制器,117個(gè)通用I/O口,3個(gè)可編程波特率的UART,LCD控制器,8路10位A/D轉(zhuǎn)換器,SD卡接口,1個(gè)多主機(jī)I2C總線控制器,2個(gè)SPI接口等。
1.2 電力線通信接口
主機(jī)與多個(gè)從機(jī)之間的通信是基于電力線載波方式的,因此必須在一個(gè)變壓器供電范圍內(nèi)。電力線載波通信的實(shí)現(xiàn)選用了高性能的通信芯片M1200E,MI200E是一款針對(duì)低壓電力線環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)的高性能通訊芯片,內(nèi)部集成了諸如多階開關(guān)電容濾波器,高效數(shù)字放大器,CRC-16硬件校驗(yàn)等多種電路,Mi200E數(shù)據(jù)速率為200~1 600 b/s。同時(shí),通過系統(tǒng)設(shè)計(jì),它可以實(shí)現(xiàn)200~1 600 b/s的自適應(yīng)速率。MI200E的頻率為57.6 kHz,76.8 kHz和115.2 kHz,該頻段符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)。
圖2所示為S3C2410與MI200E芯片的硬件接線圖,圖中未給出MI200E的電源連接,實(shí)際使用需將其3個(gè)電源均接+5 V。S3C2410的SPI接口與MI200E的SPI引腳相連,并用GPF口控制其復(fù)位和片選,還將Q1和Q2的輸出接S3C2410的EINTO中斷引腳,這樣發(fā)送完畢就會(huì)產(chǎn)生中斷,以方便編程。圖2中各參數(shù)是在76.8 kHz的載波頻率情況下給出的,若載波頻率變化,則參數(shù)應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整。
從機(jī)側(cè)MI200E與單片機(jī)的連接與圖2類似,只需將MI200E的SPI口線、復(fù)位及片選與單片機(jī)普通I/O口相連,用模擬SPI方式進(jìn)行通信即可。
1.3 人機(jī)接口與信息存儲(chǔ)
為了便于自診斷與參數(shù)設(shè)置,系統(tǒng)加入了矩陣鍵盤和LCD顯示器。S3C2410內(nèi)部含有一個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)控制器,能自動(dòng)產(chǎn)生LCD驅(qū)動(dòng)控制所需的控制信號(hào),因此能與TFT型的彩色LCD屏直接連接,不需要外加控制器。本系統(tǒng)采用了南京普易電器公司生產(chǎn)的8寸的PY080TFT01型液晶屏。鍵盤通過ZLG7290芯片以I2C總線接口形式與S3C2410相連。
為了能夠?qū)⒖刂菩畔⒓罢彰鞴芾硇畔⑦M(jìn)行存儲(chǔ)與查詢,系統(tǒng)加入了SD卡存儲(chǔ)裝置。由于S3C2410芯片本身帶有SD卡接口,因此只需將SD卡座與S3C2410的SD卡接口直接相連即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫。
1.4 紅外檢測(cè)電路
從機(jī)要不斷檢測(cè)所轄區(qū)域的人員情況,因此設(shè)計(jì)了基于熱釋電紅外傳感器的檢測(cè)電路,如圖3所示。
該電路中選用了BISS0001集成芯片對(duì)熱釋電紅外傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大處理。BISS0001是一款高性能的傳感信號(hào)處理集成電路,靜態(tài)電流極小,配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外傳感器。BISS0001的輸出引腳經(jīng)三極管反向后與單片機(jī)的中斷引腳相連,這樣在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)有人員經(jīng)過就會(huì)產(chǎn)生中斷。
2 主機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
在整個(gè)廣場(chǎng)照明控制系統(tǒng)中,S3C2410作為主機(jī)核心完成接收控制信息、接收從機(jī)信息、參數(shù)輸入與顯示、遠(yuǎn)傳控制指令等功能。整個(gè)主機(jī)系統(tǒng)軟件部分包括主程序、人機(jī)接口程序、電力線載波通信程序、SD卡讀寫程序、照明控制程序、自診斷等功能模塊。由于軟件較復(fù)雜,所以實(shí)際編程中嵌入了uC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)。
2.1 μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)
μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)是真正源碼公開的,采用占先式的實(shí)時(shí)內(nèi)核,支持多達(dá)56個(gè)用戶任務(wù),穩(wěn)定性和可靠性高,而且移植方便,占
用內(nèi)存小。μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)中各任務(wù)要分配不同的優(yōu)先級(jí),優(yōu)先級(jí)用數(shù)字表示,數(shù)字越小其優(yōu)先級(jí)越高。針對(duì)本系統(tǒng)中各任務(wù)的重要性,為各任務(wù)分配了表1所示的優(yōu)先級(jí)。
2.2 主程序
主程序完成S32410 GPIO初始化、中斷初始化、SD卡初始化、SPI接口初始化、MI200E初始化、操作系統(tǒng)初始化、任務(wù)創(chuàng)建與操作系統(tǒng)的啟動(dòng)等。
2.3 電力線載波通信程序
電力線載波通信程序主要完成基于MI200E的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收,要嚴(yán)格遵守其發(fā)送及接收時(shí)序。
MI200E在發(fā)送時(shí)的數(shù)據(jù)包由8個(gè)字節(jié)組成,其中前4個(gè)字節(jié)中包含引導(dǎo)碼、后續(xù)發(fā)送采用的波特率以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度;第5、6個(gè)字節(jié)為從機(jī)地址和控制信息;第7、8個(gè)字節(jié)為CRC校驗(yàn)信息。每次發(fā)送數(shù)據(jù)前都需要對(duì)MI200E狀態(tài)寄存器的最高位(TI)進(jìn)行查詢,只有在TI為‘1’時(shí),才能將數(shù)據(jù)配置進(jìn)MI200E。
MI200E處在接收狀態(tài)時(shí),需要反復(fù)查詢狀態(tài)寄存器的RI/Carr/Frame標(biāo)志。當(dāng)Carr/Frame被硬件置‘1’后,先讀取接收模式寄存器,取出Package信息,將接收到的波特率信息寫入模式寄存器,然后按照取得的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行接收。注意,每讀取一個(gè)字的數(shù)據(jù)前都需要查詢RI/Carr/Frame標(biāo)志,只有在RI/Carr/Frame都被硬件置‘1’的情況下,再讀取MI200E中的接收數(shù)據(jù)。在讀取完所有的數(shù)據(jù),包括CRC校驗(yàn)結(jié)果后,查詢狀態(tài)寄存器中的CRC標(biāo)志,判斷是否已正確接收到了數(shù)據(jù)。
3 結(jié)語
本文所設(shè)計(jì)的廣場(chǎng)分區(qū)照明系統(tǒng)具有成本低、響應(yīng)快、可靠性高、通信距離遠(yuǎn)、無需鋪設(shè)通信線纜等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于信號(hào)的處理及照明控制方式可以通過修改程序來靈活改變,因此特別適用于空間較大的廣場(chǎng)、地下停車場(chǎng)、教室等場(chǎng)所。本系統(tǒng)在西安外事學(xué)院3#教學(xué)樓安裝試驗(yàn)后,工作穩(wěn)定,可及時(shí)將無人的教室燈光關(guān)閉,經(jīng)改動(dòng)還可關(guān)閉電風(fēng)扇等電氣設(shè)備,因此大幅度地節(jié)約了電能,有著良好的推廣前景。