基于MSP430单片机的路灯/饰灯无线监控终端的设计

1 引言

    随着社会经济的发展，城市照明设施的功能从单纯的以照明为主转变为实现美化环境、改善形象、活跃夜市经济的目的。对城市灯饰的管理与控制迫切需要一种科学、合理、高效的方法。因此，提供一种有效而合理的控制与管理的方法，对城市路灯与饰灯的运行状态进行远程智能监控显得极为重要。针对城市路灯和饰灯“终端多、地域广、户外、分散、信息量不大”等特点，总体上选择无线通讯方式比较合适。但对路灯进行单灯控制和相邻楼宇的亮化控制时，可以采用有线通信的方式。这样，既克服了传统的路灯控制方法、控制方式单一而无法满足实时监控和管理要求的弱点，又能适应现代城市队灯饰控制的要求。而无线监控终端是灯饰监控系统的下位机，是确保开关灯及时性、准确性、节约能源，提高亮灯率等指标的重要环节。
    在开发张家港路灯和饰灯的远程智能监控终端时，采用美国TI公司的16位单片机MSP430F149工业级芯片为主的测控系统，MSP430F149内含 CPU、RAM、ROM、E2PROM、WATCHDOG和12位A/D等。与其它微处理器相比，MSP430系列具有能耗小、启动迅速、抗干扰能力强、低电压供电等特点，寻址空间达64KB、中断与子程序调用层次无限制、I/O口具有中断能力，这样大大减少和方便了外围电路设计。满足了系统对监控终端的要求。

2 监控系统的结构原理与工作过程

    路灯监控系统主要有中央控制室和监控终端年部分组成，其中监控终端根据用途分为路灯监控终端、饰灯监控终端、饰灯扩展终端与路灯单灯控制终端是部分，其系统结构如图1所示。虚线筐内为监控终端。图中虚线表示无线通讯，实线表示有线通讯。
    中央控制室与路灯、饰灯监控终端之间的通信采用VHF/UHF无线电台进行数据交换。数据传输的速率为1200Bps, 调制方式为FSK，工作在异频双工方式。由于外围站点较分散，因此通信体制采用大区制，其结构为星形拓扑，一点对多点。饰灯扩展终端与饰灯监控终端之间采用串行通讯交换数据。路灯监控终端与单灯控制器之间采用电力载波通信技术实现数据交换。

3监控终端的硬件设计

    由于该监控系统终端用来控制路灯与饰灯，而路灯与饰灯的控制要求也有所不同，因此路灯监控终端与饰灯监控终端在硬件设计上有所不同。
 
 
图1  监控系统硬件结构图

3.1 饰灯监控终端及其扩展终端
    饰灯监控终端既是系统的远程测控单元，又具有自我运行的能力。硬件主要包括无线通讯电路、数据采样及A/D转换电路、控制输出电路、键盘与显示电路等，其结构如图2所示。
 

图2 饰灯监控终端硬件结构图

    采样回路实时采集总电路电流和电压量以及所有支路的电流量。信号经V/I变送器、多路转换开关、信号调理电路送入MSP430的A/D转换口。每个终端可输出四种不同的控制方式（如时段灯、半夜灯等）。无线通讯电路的核心部分是调制/解调芯片和Motorol的GM950i电台。另外，设计两个RS- 485口分别用系统扩展与远程抄表。
    饰灯扩展终端适用于两个站点距离较近，且铺设电缆比较容易，或无线通信信号不能到达的情况（如地下室等），其结构与饰灯监控终端大致相同，与监控终端之间通过RS-485口相连，因此饰灯监控终端不需要电台，这样可大大节约成本。
3.2  路灯监控终端及单灯控制终端
    路灯监控终端是在饰灯监控终端的结构基础上再增加一个单灯管理单元。单灯管理单元采用AT89C51单片机，与MSP430之间通过串行通讯进行数据交换。
    单灯控制终端实现对路灯的单灯控制，其结构见图3。电流电压信号经电流电压互感器到信号调理电路，通过A/D转换器转换成数字信号。开关量电路主要采集各种开关量，如灯杆倾斜，开关合闸等。地址编码单元主要用于设置单灯控制终端地址。通信模块主要由电力载波通讯专用芯片SSC P300 与 SSC P111组成，主要完成路灯控制终端与单灯控制终端之间的通信。继电器输出单元控制路灯的开关。

 
图3 单灯控制终端结构图[page]

4监控终端的软件设计

4.1 通讯的数据格式
    饰灯监控终端与其扩展终端之间是主站与从站的关系，它们之间通讯的主要目的是主站向从站发出命令，从站执行命令并向主站发回当前的工作状态。其规程是：主站向从站发送命令；从接收到命令后执行命令，且立即向主站返回当前状态；主站发送命令后，２秒内为收到从站应答则认为通讯超时。其通信格式如表１、表２所示。

    路灯监控终端与单灯控制终端（ＬＣＵ）之间的通讯格式与饰灯监控终端与其扩展终端之间格式有所不同，这主要由路灯自身的特点决定。路灯监控终端与单灯控制终端发送命令格式中命令标志包括单灯控制器查询、开关操作与地址配置等。单灯控制终端（ＬＣＵ）返回格式中的部分故障信息包含路灯故障、灯杆倾斜和通讯超时等。其通信格式如表３、表４所示。

表３　路灯监控终端向单灯控制终端（ＬＣＵ）发送命令格式

4.2　监控终端的软件设计
    饰灯/路灯监控终端的软件开发环境采用IAR公司的WINDOWS WORKBENCH软件，与之相配套的是TI公司提供的开发软件MSP-FET430P140，用户可完成设计编码、模拟操作、应用测试等工作，由PC环境下的JIAG控制实现FLASH的编程。饰灯监控终端包括通讯模块（含与中央控制室的通讯和与从站的通信）、实时显示与键盘处理模块等。通讯采用中断方式。主站与从站的站点地址存于主站的存储器内，当主站接收到中央控制室的广播时，主站不需要应答，只需执行命令。当中央控制室以点名方式时，主站必须应答中央控制室，向中央控制室发送数据。其主程序流程如图4所示。实时显示与键盘处理程序（程序流程图略）用于处理人机交换，如终端地址设置等。
    饰灯扩展终端与饰灯扩展终端分别接收主站的命令并执行，同时将从站的状态信息反馈回主站，再由主站反馈到中央控制室。

 
图4 路灯／饰灯监控终端软件框图

5结束语

    基于MSP430开发的路灯／饰灯远程监控终端，充分利用单片机内部资源，具有电路简单，体积小、抗干扰能力强及低功耗等优点。在张家港市投入运行一年多，实践证明该系统能够对城市路灯饰灯进行有效的控制，成本低、稳定可靠，取得了良好的社会经济效益。同时，该终端经少量修改也可用于电力系统远程负荷监控，对其它智能RTU的设计也有一定的参考价值。

参考文献：
[1]  蔡卫峰．城市路灯无线通信监控系统的实现[J]．电气自动化，2002，(5)．
[2]  李朝青．PC机及单片机数据通信技术[M]．2000．
[3]  魏小龙．MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M]．北京航空航天大学出版社，2002．
[4]  袁世仁．电力线载波通信[M]．四川成都：四川大学出版社，1998．