李瑜庆，田 娟，乔爱民，杨仁好
(蚌埠学院 电子与电气工程系，安徽 蚌埠 233030)
摘 要：针对传统的路灯控制与维护手段单一、智能化程度低，提出了一种基于GSM远程路灯控制系统。本系统由监控中心、控制点、GSM通信模块3大部分组成，短消息指令经控制中心处理实现对交流调光板的控制，达到远程控制路灯的目的。该设计对于节约能源，提高城市现代化、智能化、智慧化城市管理水平具有现实意义。
关键词：GSM；单片机；智能控制；交流调光板
随着我国社会主义现代化快速发展，传统的路灯控制与维护手段仅靠时间控制和光控以及人工控制已不适应现代智慧化城市的发展要求，给人们的生活带来诸多不便。本文设计了一种基于GSM技术远程路灯控制系统。在本设计中采用GSM通信模块，以STC89C52单片机作为中央控制和信息处理中心，通过GTM900无线接收发射模块建立无线信道，从而实现信号的发送和接收。再通过AD转换辅以外围电源电路、复位电路等组合成交流调光板，从而控制路灯的亮暗程度或亮灭，达到远程智能控制路灯。该技术能够提高城市路灯的管理效率与现代化程度，提高照明质量，减少电能消耗，延长路灯使用寿命，节省人力物力，使用维护方便，自动化程度高，具有广阔的应用前景。城市路灯监控系统将成为现代化文明大都市的重要标志之一[1-2]。
系统主要以单片机 AT89C52 为智能核心模块，外围电路主要包括电源电路、GSM通信模块、交流调光板、LCD显示模块等组成。系统硬件结构设计如图 1 所示。
图1 系统硬件结构
1.1 电源电路设计
该系统正常运行需要12 V、5 V 及3.8 V电压，即把市电(2 201 V 交流电)转换为系统所需的电压。通过变压、整流、滤波、稳压过程将220 V交流电变为稳定的直流电，并实现12 V电压稳定输出，然后通过LM7805 或LM2596分别转换为5 V和3.8 V电压，为系统运行供电。
1.2 显示电路设计
为实时反映温度、湿度等环境状态，便于用户对参数进行设定，显示模块采用LCD1602[3]，其电路如图2所示。该芯片为工业字符型液晶显示，能够同时显示 16×2即32个字符。
图2 显示模块电路
1.3 通信电路
通讯模块主要是用于把保存在CPU中的数据传送到上位机中进行比较分析，从而能够更好地调整和改进控制方案，本设计中涉及两种通讯方式，RS232通信方式和GSM通信方式。RS232采用异步通讯方式，传输速度和传输的距离有限，只适合短距离、少量数据的通讯，能够很方便地与 PC机的COM口相连接，用于程序的在线调试和下载，RS232通信电路如图3所示。GSM通讯方式能够远距离无线传输，适合远程控制。
图3 RS232通信电路
GSM通信模块采用华为生产的一款三频段GTM900无线收发射模块，它支持标准的AT指令集，使用时该模块要先插入一个SIM卡，当用户通过手机发送短信给SIM卡时，接收到短信后经过处理控制路灯的亮暗程度，实现对路灯的控制。该模块能提供丰富的语音和信息接收、发送功能，因此在现实生活中具有广泛的应用[4]，GSM通信模块内部电路如图4所示。
图4 GSM通信模块内部电路
1.4 交流调光板电路
交流调光板可根据外界光照强度或者通过AD转换器手动调节路灯的亮暗或亮灭。它主要由TCA785、晶闸管、PCF8591等器件组成，电路图如图5所示。晶闸管相当于三极管，当3号引脚来一个脉冲时，1号引脚的电压大于2号引脚电压，此时晶闸管导通。TCA785是一个移相控制芯片，可以用于控制半导体晶闸管、双向可控硅开关等，其触发脉冲可以在0～180度之间的相位角内移动。PCF8591是低功耗CMOS单片机8位数据采集器件，有4个模拟输入、1个输出、1个串行I2C总线接口，3个地址引脚A0、A1、A2都是用于编写硬件地址，最多允许8个器件连接至I2C总线上，功能包括多路复用输入、片上跟踪和保持、8位AD/DA转换。
当输入方波信号进入到芯片TCA785时，5号引脚为外接同步信号输入端，用于检测交流信号是否过零点，同时该芯片内10号引脚会产生同步锯齿波，其斜率大小由9，10号引脚端的电阻和电容决定，这里是由输入的方波经过积分运算电路转化为锯齿波，由于11号引脚输入方波信号，在分析时可以选取方波的一段高电平进行分析。当10号引脚的电压大于当前输入的11号引脚的电压时，14、15号引脚的Q1、Q2端就会输出相应的正逻辑脉冲，但是在两个输出端有30 μs的延时，从而在相位上发生相移，其中脉冲宽度是由12号引脚的C12控制，通过改变电容C12的值，改变两组输出正向脉冲的相位差，通过改变11号引脚的V11大小，实现正向脉冲的波形相位变化。
通过控制器控制路灯的亮暗或亮灭有两种方式，即手动和软件控制。手动控制主要是通过调节10K电位器来使15号引脚产生脉冲，从而使晶闸管导通，控制路灯的亮灭。软件控制主要通过8位AD转换器把人工输入数字量转化为电压或电流模拟量输出至光电耦合器，输入数字量不同，发光二极管亮度不同，从而使光敏电阻阻值发生变化，分得的电压不同，这样也使15号引脚产生脉冲，从而使晶闸管导通来控制路灯的亮灭。
图5交流调光板电路图
系统控制软件采用C语言编程和模块化设计思想，各功能模块都有相应的子程序，通过主程序调用。系统包括的功能模块子程序主要包括液晶显示处理程序、GSM通信子程序、交流调光板子程序等几个部分。
2.1 主程序
主程序流程图如图6所示。
图6 主程序流程图 图7 GSM通信子程序流程图 图8 交流调光板子程序流程图
2.2 GSM通信子程序
GSM通信子程序如图7所示。AT指令即贺氏指令，是GSM模块与计算机间的通信协议。GSM模块通过串行通信UART接口发送AT指令，串行线另一端的应用设备包括终端设备TE、数据终端设备DTE等其他应用设备。
(1)“AT+CMTI”有新短消息提示，判断模块有没有发送新消息提示，如有，则执行下面程序。
(2)“AT+CMGR=1\r\n”读取短信指令，设置1代表短信为文本格式，“\r\n”代表回车换行。
(3)“AT+CMGD=1,4\r\n”读取完短信指令后删除短信。
(4)“AT+CMGS”发送消息
2.3 交流调光板子程序
交流调光板子程序如图8所示。PCF8591是8位A/D和D/A转换器，采用的是I2C总线通信协议，所以一开始要进行I2C总线初始化，设置SDA=1、SCL=1开启I2C通信。然后输入数据，发送地址，等待从机是否应答，如果从机发送非应答子程序则把位置标志为1并返回等待下次发送；如果从机发送应答子程序则发送数据字符，再判断从机是否等待应答，若从机不应答则返回再次等待发送数据，若从机应答则接收I2C通信，把输入的数据经过D/A转换转化为模拟量，从而实现D/A输出，再设置SDA=0、SCL=1停止I2C通信，这样就可完成对控制器的控制。
本文介绍的GSM远程路灯控制系统，其监控中心由上位机及外围设备、GSM通信模块等组成，用于对辖区各路灯节点进行监控。分控点主要由下位机、GSM通信模块及交流调光板等组成，用于执行监控中心发出的命令，还有就是对各分控点路灯支路的信息进行监测和采集，响应监控中心的命令，从而对分控点路灯进行远程路灯控制，监控中心与分控点之间通过GSM网络以SMS短消息的形式进行通信。本设计主要实现的以下两点功能：(1)交流调光板具有定时开关，季节性调节，随着周围环境光照强度的变化来调节路灯的亮暗或亮灭。(2)监控中心与分控点之间以SMS短消息形式发送和接收路灯的电流、电压和路灯开关状态信息，并形成报表存储于上位机，正常状态时可以定时发送。
参考文献:
[1] 李立.智能路灯节能控制系统的研究[D].天津:天津理工大学,2013.
[2] 梁连伟,李钦,张彪，等.智能家居安防系统[J].传感器世界,2013(1):27-31.
[3] 赵亮．跟我学51单片机(七)—LCD1602液晶显示模块[J]．电子制作，2011(7):74-77．
[4] Gao Guanwang, WangYanpeng. The design of embedded MCU network measure and control system[J]. Energy Procedia, 2012:356-358.
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
文章编号：1007-4260(2016)01-0087-05
中图分类号：TP29
文献标识码：A
DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.01.023
作者简介：李瑜庆，男，河南周口人，硕士，蚌埠学院电子与电气工程系讲师，主要从事电子工业、测控方面的研究。E-mail：lilac5218@126.com通讯作者：田娟，女 湖北钟祥人，硕士，蚌埠学院电子与电气工程系讲师，主要从事测控技术研究。E-mail：puffin2008@163.com
基金项目：蚌埠学院院级科研项目(2015ZR11)和国家级大学生创新创业训练计划项目(201411305030)。
*收稿日期： 2015-07-17
网络出版时间：2016-03-15 17:05 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.023.html
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