基于无线模块NRF905的节能路灯控制系统设计

摘要：对基于无线模块NRF905的节能路灯控制系统的硬件电路与软件设计进行了详细论述。本系统设计能够根据环境的明暗变化、物体的动态移动来实现对LED节能路灯的定时开、关及故障报警等自动控制。其控制过程：总控制器和支路电路单片机之间通过NRF905(无线收发器)进行指令的接收与发送，总控电路实现对系统开关的定时，也可对单元电路进行单独定时，还可以根据光敏电阻对白天黑夜光线的感应来控制系统的开关，实现自动开、关灯。在支路电路中，用LM358集成运放采构成恒流源控制LED灯光的变化。通过光敏电阻对LED灯亮灭的感应检测，当支路电路发生故障灯灭时，发送相应的指令到主控制器来进行故障报警。当深夜人少时，利用红外传感器光电开关来判断行驶物体的范围来实现对LED开关状态的控制，以达到节能的目的。
关键词：NRF905；单片机；控制；报警；节能

    道路照明，各类厂区及高端住宅和商业亮化工程越来越多，也越来越重要，路灯作为这种工程不可缺少的重要组成部个小时(从晚上7点到第二天早上7点)，那么一盏路灯就要消耗200×12／1 000=2．4度电能。假设路灯之间的间距是20米，一条长2公里的街道就有2x2000／20=200盏路灯(道路两边各有一盏路灯，所以要乘2)，那么这条街道一晚上消耗的电能就有200×2．4=480度，1年消耗的电能是480x365分，对节能减排有着重要的影响。为了达到节能的目的，可设计这样一种路灯控制器系统，使它具有以下功能：1)路灯支路控制系统有时钟功能，能设定、显示开关灯时间，并控制整条支路按时开灯和关灯。2)路灯支路控制系统应能根据环境明暗变化，自动开灯和关灯。3)路灯支路控制系统应能根据交通情况自动调节亮灯状态：当有人或车经过当前路灯的监控区域时，路灯打开，离开时路灯关闭。4)当路灯出现故障时(灯不亮)，支路控制器应发出声光报警信号，并显示有故障路灯的地址编号。还可以人为的设定一段时间让路灯的亮度自动的降低或增加，这些功能可以很大的节约电能，达到节能的目的同时也达到了智能的要求。

1 系统总体设计及电路工作原理
    系统设计方案总体描述：本系统设计是以单片机作为为控制系统核心，以NRF905作为单片机与控制模块之间的数据采集通道。通过支路单片机输出控制指令给无线发射模块NRF905，经NRF905无线发送给单元电路。无线接收模块NRF905实现对单元电路的路灯进行定时开、关太故障报警等自动控制，该控制系统既智能又节能。

2 系统主要模块方案的选择
2．1 控制器模块
    本系统对单片机的要求不是太高，AT89S51单片机足以满足系统的各项要求，各引脚也可以充分的被利用，同时AT89S51单片机价格低廉，其功能和指令对于大家也是比较熟悉的，编写程序也相对简单。因此综合考虑后，选择了AT89S51单片机作系统设计的控制芯片。
2．2 无线收发模块
    对于数据的无线传送模块，系统采用了NRF905无线收发的集成模块。NRF905单片无线收发器工作在433／868／915 MHz的ISM频段。由一个完成集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。电流消耗很少，在发射功率为-10 dBm时，发射电流为11 mA，接收电流为125 mA。进入POWERDOWN模式可以很容易实现节电。此外NRF905模块性价比高，使用方便，通信距离远，编程方法简单，购买也比较方便也是本系统采用其作为数据采集模块的重要依据。
2．3 显示模块
    显示模块选用74hc595移位寄存器构成的静态显示。经过分析考虑选择的是LED数码管显示。LED数码管显示主要用来显示数据，价格低廉，减少了对I／O口的浪费，而且能够同时驱动多个数码管。其驱动程序容易编写和理解。
2．4 电源模块
    电源模块可采用开关电源或12 V蓄电池供电。开关电源好处虽然多，但价格昂贵。采用12 V蓄电池供电。电源较容易携带，具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能，且所输出的电源电压比较稳定，能适用不同场合的供电要求。
    LED恒流源驱动模块选用LM358运放为驱动芯片，用它构成射极跟随器控制LED灯光的亮与灭及功率的降低。

3 主要硬件电路的设计
3．1 单片机的最小系统、键盘与显示与电路
    单片机的最小系统、键盘与显示电路如图2所示。本系统所采用的单片机型号为AT89C51。输入键盘采用了4x4的键盘作为控制，一共用了16个按钮开关。采用串行的74HC595构成八位静态显示，只用了单片机3个端口，不用进行外围端口的扩展，大大节约了资源，提高了单片机的工作效率。C语言编程可以实现对键盘和显示器的自动扫描、识别闭合键的键号、完成显示器的静态显示。

    16个按钮的作用如表1所示。

3．2 无线发射与接收电路
    无线装置的功能是用来对单片机的指令进行发送与接收，它是由无线收发器NRF905来构成。NRF905单片无线收发器工作在433／868／915MHZ的ISM频段。它是由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调制器组成。该电路天线部分使用的是50 Ω单端天线。在NRF905的电路板设计中，也可以使用环形天线，把天线布在PCB板上，这可减小系统的体积。无线发射与接收电路图如图3所示。

3．3 LED的驱动电路
    LED的驱动电路由D／A转换器TLC5615、集成运放LM358高功三极管8050构成，如图4所示。数控恒流源，通过改变恒流源的外围电压，利用电压的大小来控制输出电流的大小。驱动电路采用单片机控制的方式，利用单片机输出数字量，经过D／A转换转变成模拟信号，再送到运算放大器和大功率三极管进行放大输出电流。该设计通过软件方法实现输出电流稳定，易于功能的实现，便于操作。

3．4 声光报警电路
    系统要求在LED灯损坏时具有报警功能，声光报警电路图如图5所示。利用LM358可以作为电压比较，开关的敏感元件采用光敏电阻RD。提供给LM358的3端为一个固定的电压值，作为一个比较电压值U3。当无光线照射到光敏电阻上时，RD呈高阻值，所以U2>U3，1端给单片机一个高电平，使单片机发送声光报警指令。当有光线照射到光敏电阻上时，RD呈低阻值，因此U2<U3，1端给单片机一个低电平，使单片机正常工作。

4 主要电路软件的设计
4．1 4x4键盘子程序
    所谓“4x4”是指4行与4列所构成的按键数组，相当于16个按钮，此键盘可以节省很多的单片机I／O资源，它与单片机只有8个I／O的连接，为了说明方便起见，由上而下各列编制为Y0、Y1、Y2、Y3，由左到右各行编制为X0、X1、X2、X3，而每个按键按照顺序编制为1-16。其键盘连接方式如图6所示。
    根据键盘扫描原理可得到16个键的特征编码。将16个键的特征编码按顺序排成一张表(前述表1)，然后用当前读得的特征编码来查表，当表中有该特征编码时，它的位置就是对应的顺序编码。键盘扫描程序流程图如图7所示。

4．2 4x4键盘与显示部分的编程
    键盘功能如前述表1所示，其中：0-9按键为数字输入键；10按键为校时确定键，用来校准和设定系统时间；11、12按键为左右移键，主要用来选取需要设定的显示位；13、14按键为加减键，用来对数进行加减操作；15按键为功能键，主要用来设定系统各个功能的模式，如校时模式、定时开关机模式、自动降低功率模式等。这样根据键盘设定表，可得到键盘与显示部分的流程图如图8所示。

4．3 物体位移感应(光电开关)的编程
    本系统要求支路控制器应能根据交通情况自动调节亮灯状态：当可移动物体M(在物体前端标出定位点，由定位点确定物体位置)由左至右到达S点时(见图2)，灯1亮；当物体M到达B点时，灯1灭，灯2亮；若物体M由右至左移动时，则亮灯次序与上相反。根据此要求设计出流程图如图9所示。

4．4 无线发送模块NRF905
    发送模式编程要点：1)当微控制器(单片机)有数据要发送时，通过SPI口按时序把接收机的地址和要发送的数据传给NRF905。2)微控制器置高TRX_CE和TX_CE触发NRF905的ShockBurst TX发送模式并发送数据。3)如果AUTO_RETRAN被置高，NRF905将不断重发，直到TRX_CE被置低，否则只发送一次。4)当TRX_CE被置低，NRF7905发送过程完成，自动进入空闲模式。据此得到发送模式程序流程图如图10所示。

4．5 无线接收模块NRF905
    接收模式编程要点：1)当TRX_CE为高、TX_EN为低时，NRF905进入ShockBurst RX接收模式650μs后，NRF905不断监测，等待接收数据。  2)当一个正确的数据包接收完毕，NRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把数据准备引脚DR置高，TRX_CE置低，NRF905进入空闲模式。3)微控制器通过SPI口以一定的速率把数据移到微控制器内。4)当所有的数据接收完毕，NRF905把数据准备引脚DR和地址匹配引脚AM置低。此时，NRF905可以进入ShockBurstRX接收模式，ShockBurst TX发送模式或关机模式。NRF905接收模式程序流程图如图11所示。

4．6 支路控制总设计
    根据以上各个模块程序的编写，最终设计出支路控制总流程图12与单元电路控制总流程图13，分别如下所示。

5 结论
    本系统设计通过无线装置NRF905来实现设计要求，如果应用在实际路灯中，设备维护方便，成本较低，并且容易控制，不易受到干扰，信号稳定。所以使用无线模块的电路设计简单，应该是将来路灯控制发展的方向。无线控制模块的应用在实际路灯的控制中已经成为一种主流，并且也是将来发展的趋势，值得进一步研究。