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1、 中北大学信息商务学院2013届毕业设计说明书2009年网络安全，无线通信和可信计算国际会议分布式智能城市路灯监控和控制系统的研究无线通信芯片nRF401余晨，刘照宇郑州航空工业管理学院郑州，中国电子邮件：chenyu摘要：传统的路灯照明系统的控制风格有效率低，成本高，难以显示等缺点，因此，它已不能满足现代城市的要求。为了实现分布式长途城市路灯状态自动实时控制，我们引入了一种无线长途智能城市路灯监控系统。该系统基于单片机技术，电力控制系统，载波通信，无线通信技术等。系统由上位机，主控制器，和每个终端的控制器组成。上位机控制SCM MSP430F19主控制器，并发送控制现场，控制器MSP430F
2、149控制指令给相应的照明灯。开关的状态改变由无线收发器nRF401完成。上位机可以有效地完成对无线长距离照明设备实时控制。通过实验，传输距离最大可达千米。此外，我们设计照明监控设备，可以保证灯泡在通信网络故障时自动关闭。关键词：路灯监控和控制; MSP430F149;nRF401的无线通信; AT89C51;电 力载波通信1 引言 路灯照明是城市基础设施的一部分，交通安全，社会安全起着重要的位置，人民生活，城市外观风格和功能，以及一个城市的实力和成熟度。传统路灯灯控制采用时间控制或变压器（配电箱），以实现分散控制，其中有坏的集中管理的优缺点，高的故障率。由于没有长距离的数据收集和通讯功能，实
3、时路灯管理时间还没有实现，所以，灯的工作，操作结果等不能进行集中监控，记录，静态，通常不能得到及时维修。本文介绍了一种路灯远程监控通过研究工作原理，控制系统实现，和性格等的基础上，无线单片机技术通信技术等进行分析后传统的监测和控制系统的缺点。该系统实现根据需要的照明，并监控报警，完整长途路灯的监测和控制，并具有较强的可行性1。2 系统组成及原理系统的每个单灯monitoring control的组成路灯监控终端控制器设备，中心站和上位机，等每个路灯监控中央车站与工作中心站无线传输，和中央火车站与上PC通过RS232/485或USB接口线风格。根据不同的地理分布情况，每个工作中心站与一个或多个连
4、接上班奴站通过无线通信链路。上PC获得照明设备的开关状态通信终端设备。中央和工作站可以与上位机通讯通过RS232/485或USB总线接口。上位机显示照明领域实时的设备状态。每个单灯监控控制终端控制器可以实现启动或关闭照明灯由上位PC机，因为城市灯管距离较长，我们可以使路灯监测中心站数据采集设备通过电力载波线作为传输媒介。该是说，经过中央车站相连，然后连接通过上位机接口，可适合大规模领域城市和实现较长距离数据传输的需求。分布式网络结构原理如图1所示。 图1。分布式灯监测和控制系统结构每个监控终端PC可以自行设置路灯工作信息或下载控制模式，通过上PC，如时钟日历，打开/关闭时间等上每盏路灯的工作状
5、态监测中心站节点上位机可以发送指令，通过无线跳跃的每个节点之间的通信，每盏路灯节点控制其工作的信息，并实现故障通过电力载波线报警，如果某些灯节点故障，超出了这个节点和通信，以及作为反馈信息来控制中央和上位机。MSP430F149单片机作为监控中心基站控制器;上位机连接，工作中心站，通过RS232/485或USB总线实现信息交换，这响应整个系统的监控和管理。监控中央基站控制器接收各种操作控制上位机的命令，设置参数，每个字段路灯控制器收集开关比喻实现远距离的照明灯控制控制模式。上位机连接工作中心站RS485或USB总线接口;获取和存储监控数据通过工作从站上传监测数据。以及下载控制机制，避免系统出控
6、制的现象出现，因为网络故障。此外，每一个路灯控制器光强度检测模块的能力，可实现自动关闭根据白天或黑夜。3. 硬件电路设计路灯监控系统中心站控制器采用美国TI公司的MSP430F149单片机，它是一种低功耗的混合信号控制器，其中有16位RSIC结构的CPU，16位寄存器和常数发生器。上运行的CPU，如果出错，DCO会自动启动，并确保系统正常工作。如果程序出错，我们可以设置看门狗来解决它。和稍纵即逝程序，手表的狗会出现溢出的情况，看狗产生复位信号，使系统重新开始，这确保系统运行的稳定性。3.1.单灯监控设备单灯监控终端的主要功能是开关通断控制灯，收集工作灯实时信息和通信监控中央基站控制器，其硬件模
7、块框架图，如图2所示。图2 单灯监控和控制系统构成ISL29000工作照明强度范围之间1LUX 10000LUX，并且可以将它转移到货币;输出货币是成比例的接收照明光电二极管的强度。输出货币转换转换成电压，外部环境照明强度计算通过A / D转换，单片机法官如果街道或关闭。通过照明强度监控模块，系统可以实现自动控制路灯的开关，以避免通信故障。下位机可以得到每盏路灯终端地址通过设置数字端口编码，实现继电器驱动开关状态，以及使用的货币变压器获得灯的工作状态信息。单灯监控终端采用单片机AT89C51，实现通信与MSP430F149通过电力线载波通信。电力通信模块由电力载波通信专业芯片SSC P300和
8、SSC2。3.2无线收发电路设计 系统采用nRF401的无线收发器芯片北欧的挪威，作为无线通信的核心模块。蓝牙技术的核心架构，抗干扰能力是非常强的调制类型FSK3。工作频率稳定可靠，外围元件很少。因此，它是适应设计便携式手持产品。由于它的低发射频率，高接收灵敏度和载波频率值是433MHz的ISM频段。 nRF401的无线监事满足要求，并允许许可证是不必要的。 nRF401的待机状态转换常见的一种或接收一个发送状态。据真正的设计要求，控制端口PWR_UP，CS，nRF401的TXEN连接到单片机通过下拉电阻4。所以，当相应的端口MSP430F149是在输入状态，由于拉下电阻，电流消耗几乎为零。由
9、于单片机MSP430F149系列自动串行通信端口，它可以连接到nRF401的收发电路。电平变换为不必要的。工作频段无线电频率模块是由串行接口CS外围设备的nRF401.In此外，通过调整偏置电阻端口RF_PWR，辐射功率可以调整的。最大辐射功率可以+10 dBm的。此外，该芯片的VCO电路需要外部连接的VCO电感器22nH和值电感是非常重要的。433MHz的，精度为2。该无线收发器的原理如图3所示。图3 无线通信模块检查装置的结构是相同的，因为每检测装置的无线收发器单元。所述无线接口被设计成线圈天线具有体积小和成本低，它可以被直接腐蚀PCB板。这是非常适合便携式和低功耗制作。3.3 系统的抗干
10、扰设计为了防止电磁干扰，本系统采用由于电磁干扰的抗干扰措施;频率段为0.1Hz50MHz的，所以，系统通信采用433MHz的频率，可避免主要的电磁干扰。根据现场的情况下，天线选择可以改善系统抗干扰的功能，所以，检查巡回站选择高增益全向天线。为了避免多更多的终端数，天线调谐的PCB外，圆天线场调教麻烦，等我们选择低价格单鞭天线，并修复它合适的顶部的位置，能够获得最好的收发效果。 nRF401的DC接近VDD采用高字符容量去耦，nRF401的电源已被过滤，让隔离数字电路。此外，由于检查巡演设备控制器与中央台PCRS-485总线，输出端口为双端平衡驱动器，输入端口是双不同的放大器。因此，干扰噪声可以
11、取消了。因为工作从站单灯监控和控制设备有延迟开关动作，其中生产微可变电压的du / dt和微观货币的di / dt所有的干扰源。减少干扰源的方法的du / dt平行的能力，并减少干扰源的di / dt串联电感或电阻，以增加飞轮二极管。在这个系统中，我们增加延迟线圈飞轮二极管消除干扰的反向电动势时断开线圈。但是，如果只加飞轮二极管产生的时间延迟，因此，我们添加了齐纳二极管，以实现行动在单位时间内更多的时间5。4系统软件设计软件设计是实现系统功能的关键。为了方便补种和资源共享，软件系统采用结构化的流程设计方案，它可以使系统具有更好的模块性和可移植性。软件设计是由单灯监控控制程序，路灯监控中心站的控
12、制程序，上PC显示控制程序，无线通信程序，系统软件设计等关键路灯监控站和无线通信模块的设计，等单灯监控控制从站软件负责数据收集和通讯等无线通信模块是由初始程序，发送和接收程序，因为系统的节点中的任何一个可以与其他节点通信在任何时间。因此，每个显示器控制节点通信程序基本相同。系统的主要程序包括两部分组成，其中一个是路灯监控中心站MSP430F149接收上位机正确的指令，然后发送相应的指令，现场照明灯。另一部分则是根据控制每个单灯状态接收指令。4.1上位机通信 上位机采用VB语言设计的朋友式人机接口，可达到更高的控制需求，和成本更低。以及满足多少控制系统的要求。我们使用Microsoft Comm
13、控件通信控制，VB提供的文件，只需要编制的小程序代码，并能实现数据收发器。MSP430F149的SCM采用IARC430个语言设计并完成与上位机的通信。上位机监控软件结构流程如图图4。图4上位机监控程序流程4.2 无线收发模块 收发模块之间的通信设计监测中心站控制器MSP430F149和更低PC控制器AT89C51通过无线连接收发器nRF401的芯片，从而实现数据传输。当收发模块发送或接收任务，SCM满足中断风格，从而保证控制主程序正常运行6。传输数据必须符合通信协议，可确认接收器。因此，我们需要分组数据，并增加协议头，传输长度，检查等分组数据可以发送到接口，并且通过无线模块发送。数据标记头是
14、用来表达一个新的数据块的起点;块长度，保证数据不能丢失。在编程中，我们应预先设计的通信协议，并认为数据纠错。可以采用纠错校验风格或校验CRC校验风格，添加数据，除了打印头，保证接收的数据没有错误因为情况干扰。收发器的工艺流程如图5所示。图5 无线收发信机的工艺流程图4.3 单灯监控模块单灯监控终端管理模块，主要完成的功能的显示器控制器单灯监控地址设置，添加和修改，等单灯控制和状态检测模块，主要完成中央基站控制器时间调整，单灯控制开关和状态监测，以及上线编程timingcontrolling，和夜间灯控制等;故障报警模块，这是实现路灯远程异常，状态异常，或货币等故障，记录和报警声光的风格，直到用
15、户通知后及时处理正常照明灯率模块，维护管理模块，等。五 实验及结论本文设计了一种无线长距离照明基于电力载波控制系统通信和无线通信技术，基于芯片，AT89C51单片机MSP430F149nRF401的等，实现集中管理和分布式控制功能等实验结果表明，该传输距离之间的PC机与多工作从站控制器通过系统可以达到千米实验，并完成字段路灯照明设备的控制精度。本文主要介绍无线通信的硬件和软件设计模块和上位机接口模块。系统采用VB可视字符设计的应用程序，实现自动控制照明灯长途在Windows环境下的效果。系统有许多高抗干扰性，更好的可扩展性优势，结构简单，成本低，实用性强7。系统采用无线数据传输技术，它不但提高
16、了SNR（信号噪声比）和显示器精度，而且避免了许多繁重的工作，如信号传输电缆通信，电缆布线，电缆连接，电缆显示器等，并减少显示器和系统监测的工作量，时间和成本，因此，在很大的程度上，它有更广泛的适用性和更好的经济性。如果我们改变测量的风格，例如，修复等监测传感器，并修改相应的软件，我们可以很容易地实现许多其他行业的实时监视控制值。这样煤矿有害气体浓度监测，粮食存储温度监控，智能楼宇监控等。所以，系统具有较好的推广价值和应用前景。 6 结论本文介绍了路灯远距离上PC监控和控制系统的设计方法，结构，硬件/软件设计等。系统采用无线通信技术和电力载波电缆通信技术等，完成城市街道灯实时监测和控制。系统还
17、可以找到故障时间，维修方便，达到晚上控制灯以节约能源，以及程序分组的定时控制，可确保照明灯率，以此实现城市路灯信息管理。 系统采用先进的路灯长途监测和控制技术，使系统具有自动化程度高，运行可靠，高效省电，方便维护等优点，可以弥补传统路灯照明系统的不足。REFERENCES1 Cui Guimin, Qin Huibin, Luo You. “The Study of Wireless Street Lamp Control System,” Electronics & Packaging, 2007.12, p.42.2 Tang Guizhong, Zhang Guangming, Ji C
18、huihua. “Design of Wireless Monitor Terminal for City Street Lamp Based on MSP430,”Microcomputer and Information, 2004.9, pp. 77-79.3 Nordic VLSI. “nRFTM Radio Protocol Guidelines Nan400-07,” Http:/www.nvlsi.no. 2002.12.4 Li Jinfeng Cao,Shun Wei, Lifeng. “The Application of Wireless Receive Transmit
19、ter nRF401 in the Mine System,” Microcomputer Information. 2006.1-2, pp. 242-243.5 Zeng Shuiping, Shi Kai. “The Design For Universal Serial Bus Based On MSP430F449,” China Science and Technology Information,2008.11, pp. 143-144.6 Han Xuejun, Liu Bintao, Chen Yonghui. “Design of Circuit Breaker Temperature On-line Monitoring System Based on WirelessCommunication,” Automation of Electric Power Systems, 2006.8, pp.84-85.7 Song Chengyan, Li Yang, Mei Yunhua. “The City Street Lamps Monitor and Control System Based on Wireless Communication,”Microcomputer Information, 2007.2-3, p.19-20.13 第 页，共13页