摘要
本文介绍了一种基于51单片机的节能型城市路灯监控系统，该系统将路灯监控具体到了每个路灯的每个LED路灯。每个路灯由四组LED路灯组成，通过对每个路灯的打开或者关闭来对照度进行控制，从而达到了控制路灯照射亮度和减小能耗的目的。LED路灯有节约电能、质量好，发热小等优点。与此同时，该系统可对每个路灯好坏状态进行巡检，从而有效避免了人工巡检中存在的巡检不及时、劳动强度大、错误率高等难题。整个系统主要以现在主流的STC公司生产的89C51单片机为主芯片的集成电路上。STC公司生产的单片机具有保密性好，程序容易写入，无需烧卡器等诸多优点。路灯主要应用的电子元件有光敏电阻和AD7705型号A/D转换芯片，UPS电源实现交直流无缝切换以及太阳能电池板在有阳光的时候进行充电。西门子公司的MC55无线通讯GPRS模块，通过模块结合来实现路灯状况的报警以及时通讯、太阳能利用、电源无缝切换、同时配合数码管显示的数据接收和总控模块的报警显示功能。整体电路中包括有路灯照明组，光线感应模块，充放电转换模块和无线通讯模块以及总控模块。
关键词 单片机；光线感应；GPRS；集中控制；报警
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Abstract
In this paper,a energy-saving streetlight monitoring and control system based
on singlechip is presented.The system extend monitoring and control scope to each lamp.by controling the illumination of each lamp,Each lamp has four LED lamp.To control the on or off of each LED to control the whole system.The LED is very energy-saving and very useful.At the same time,The system is effective for energy conservation.In addition,the individual lamp status could be detected by system.This decreases the maintenance and managment costs.Therefore,the system can take checks of each road lamp time by time.which can forbid the shortage of people check,and make the work more efficient.The whole system mainly use the most popular microchip which the name is STC 89C51 singlechip as the main chip on board.Combine the light dependent resistor ,AD7706 and the UPS power to make the swich between the DC and the AC.The siemens MC55 wireless to make the communication.Through combining the module to achieve the monitoring and the real-time communication and alarm,sunlight saving,charging/passing electricity switch with seamless convert,and the nixietube display,data reseving and sending module.GPRS communicationg module and focus-control module of the alarm fonction.The whole circuit includes the Lamp lighting part,sunlight induces module,charging/passing electricity switch with seamless convert module and GPRS communicationg module and focus-control module
Keywords compilation language;sunlight-receiving;GPRS;focus-control;alarm
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目录
1 绪论 ......................................................... 1
1.1 路灯集中监控及综合节能系统设计的实际意义 ............... 1 1.2 路灯集中监控及综合节能系统设计的设计思路及内容 ......... 1 2 系统设计基础 ................................................. 3
2.1 STC89C51单片机简介 ................................... 3 2.2 AD转换模块AD7705 ...................................... 6 2.3 汇编语言简介 ........................................... 8 2.4 UPS(Uninterruptible power system)电源 .................. 9 2.5 GPRS(General Packet Radio Service)通用分组无线服务技术 10 3 路灯集中监控及综合节能系统设计与实现 ........................ 12
3.1 路灯照明组 ............................................ 12 3.2 光线感应模块 .......................................... 13 3.3 电源存储及电源切换模块 ................................ 17 3.4 GPRS无线通讯模块 ..................................... 18
3.4.1 西门子MC55模块 ................................. 18 3.4.2 GPRS数据传输模块硬件设计 ....................... 18 3.5 总控模块 .............................................. 19
3.5.1 数据接收模块 .................................... 19 3.5.2 显示模块 ........................................ 20
4 系统工作流程 ................................................ 22 结束语 ......................................................... 23 致谢 ........................................................... 24 参考文献 ....................................................... 25
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路灯集中监控及综合节能系统设计
1 绪论
1.1 路灯集中监控及综合节能系统设计的实际意义
在今天，我们无法避免的要提及一个很敏感的问题 --- 能源问题，最近的一次联合国气候峰会上，能源问题再一次被提出而且受到很广泛的重视。节约能源刻不容缓。
夜晚的照明对于路人和司机都是很重要的，可以提高行人和车辆的安全系数。但是我们经常能看见损坏而不能及时修理的路灯，夜晚公路照明亮度不足，或者根本没有照明是非常危险的事情，无论是对于司机还是行人。因此，路灯的长时间、无故障的照明就会大大增加路行人和车辆的安全系数，但是，与此同时，大量的电能消耗也是无法避免的增加着，城市的扩大人口的增加使得买车人越来越多，行人也越来越多，由于新修道路必然会带来路灯数量的增加，而路灯数量的增加带来的问题也就在渐渐的体现出来：电能的消耗；路灯的损坏；维修的花费；路灯损坏带来的安全隐患等等问题都在逐渐地显现出来，基于这些原因，路灯的集中监控和综合节能就显得尤为重要，路灯的集中监控和综合节能不仅能够大大的减少人力的投入，并且可以很好的对输出的能源进行限制而且不用担心意外情况的出现带来的措手不及和安全事故。
1.2 路灯集中监控及综合节能系统设计的设计思路及内容
现在市场上很多路灯节能的设计思路都是简单的用一个存储芯片把全年这个地区的日出日落时间输入进去，然后根据这个日出日落的时间来控制路灯的亮起和熄灭，这样的设计表面上看来很符合常理，但是实际应用起来可以说是问题多多。因为日出日落的时间和天气的明亮程度实际上的关系并不是很大，而天空中云层的薄厚，温度，空气湿度才是影响光线强度的主要原因，所以不能单纯的以日出日落时间来控制路灯，而且路灯的明暗程度也是需要进行控制的，因为傍晚的时候和午夜的时候的黑暗程度不一样，照明的亮度也应该是不同的，否则就会出现要么是傍晚的时候光线太亮导致电能的浪费，要么就是午夜的时候照明亮度不足带来安全隐患。虽然路灯不是非
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常容易损坏，但是一旦损坏不能及时维修就容易出现事故。这些都是现如今路灯节能的设计上的明显的技术不足和设计漏洞。
在接下来的文章中我们将要提到的这个路灯系统的设计是完全不同的一个运行方式，它就是由室外的光线强度，也就是亮度来控制路灯的亮度的，这样的设计既可以降低不必要的电能的浪费又可以使室外的照明亮度得到很好的控制。与此同时可以通过光线强度是否达到规定强度来判断路灯是否正常运行，如果出现损坏的情况，可以发送一个信号通过GPRS通讯模块发出数据到监控端来提示损坏路灯的位置，这样就避免经常的检测带来的时间上和人力上的浪费，可以做到哪里有问题就修哪里，不需要进行无谓而又盲目的检查。
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2 系统设计基础
2.1 STC89C51单片机简介
图 2-1 89C51引脚
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用STC高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，STC的89C51是一种高效微控制器，89C51是它的一种精简版本。89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
（一）主要特性： (1)与MCS-51 兼容
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(2)寿命：1000写/擦循环 (3)数据保留时间：10年 (4)全静态工作：0Hz-24MHz (5)三级程序存储器锁定 (6)128*8位内部RAM (7)32可编程I/O线
(8)两个16位定时器/计数器 (9)5个中断源
(10)可编程串行通道
(11)低功耗的闲置和掉电模式 (12)片内振荡器和时钟电路 （二）管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为STC89C51的一些特殊功能口，如下所示： 口管脚 备选功能
P3.0 RXD（串行输入口）
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P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 （三）振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
（四）芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，
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支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的
内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 （五）结构特点： (1)8位CPU；
(2)片内振荡器和时钟电路； (3)32根I/O线；
(4)外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K； (5)2个16位的定时器/计数器； (6)5个中断源，两个中断优先级； (7)全双工串行口； (8)布尔处理器；
2.2 AD转换模块AD7705
SCLK 1 18 GND MCLK IN 2 16 VDD MCLK OUT 3 14 DIN CS 4 AD7705 13 DOUT RESET 6 12 DRDY AIN 1 8 11 AIN3 AIN 27 10 REF IN(-) COMMON 8 8 REF IN(+)
图 2-2 AD7706引脚示意图
AD7705是AD公司推出的16位∑－Δ（电荷平衡式）A/D转换器。他包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路、∑－Δ调制器及可编程数字滤波器等，能直接对来自传感器的微弱信号进行A/D转换。此外他还具有高分辨率、宽动态范围、自校准，低功耗及优良的抗噪声性能，因此非常适用于仪表测量和工业控制等领域。 （一）基本特性
AD7705的基本特性为：16位无丢失代码；0.003％的非线性度；PGA可选择1，2，4，8，16，32，64，128；8种增益；输出数据更新速率可编程；具有自校准和系统校准功能，三线串行接口，可缓冲模拟输入； （二）引脚功能
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AD7705的引脚排列如图2-2所示，各引脚的功能说明如下：
SCLK：串行时钟输入。
MCLK IN：主时钟输入。时钟频率为500kHz－5MHz。 MCLK OUT：主时钟输出。 CS反：片选，低电平有效。
RESET反：复位。该端口为低电平时，可以将控制逻辑、接口逻辑、校 准系数以及数字滤波器等复位为上电状态； AIN2（＋）、AIN2（－）：分别为差分模拟输入通道2的正、负输入端。
AIN1（＋）、AIN1（－）：分别为差分输入通道1得正、负输入端。 REF IN（＋）、REF IN（－）：分别为参考电压的正、负端。为了确保元件的正常工作，REF IN（＋）端口的输入信号必须大于REF IN（－）端的输入。
DRDY反：逻辑输出。低电平表示可以读取新的数据转换；高电平时不可读取数据。
IDN，DOUT：分别为串行数据输入和输出端。 （三）片内寄存器
AD7705共有8个片内寄存器，他们是通信寄存器、设置寄存器、时钟寄存器、数据寄存器以及几个测试和校准寄存器。这些寄存器的任何操作都必须先写通信寄存器，然后才能对其他寄存器进行操作。 （四）通信寄存器
通信寄存器是一个8位读/写寄存器，写入通信寄存器的数据决定下一次读/写操作在哪一个寄存器上进行，完成对所选寄存器的读/写操作后，该端口等待下一次写操作，这也是通信寄存器的缺省状态，如果在DIN为高电平时，写操作持续的时间足够长（至少32个串行时钟周期），那么AD7705将返回该缺省状态。
通信寄存器中的RS2，RS1，RS0为寄存器选择位，他们决定对哪一个寄存器进行读/写操作，常用的寄存器主要有通信寄存器（RS2RS1RS0＝000）、设置寄存器（RS2RS1RS0＝001）、时钟寄存器（RS2RS1RS0＝010）以及数据寄存器（RS2RS1RS0＝011）。R/W反为读写选择位。该位确定对选定寄存器进行读还是写操作，\"0\"表示写操作，\"1\"表示读操作。CH1，CH0为通道选择位，00选择通道1，01选择通道2。 （五）设置寄存器
设置寄存器是一个8位读/写寄存器，其中MD1，MD0为工作模式选择位，MD1MD0＝00，01，10，11分别对应正常工作模式，自校准、零标度系统校准以及满标度系统校准。G2，G1，G0为增益选择位，G2G1G0＝000－111分别对应1，2，4，8，16，32，64，128八种增益。 （六）时钟寄存器
时钟寄存器是一个8位读/写寄存器。其中CLK为时钟位。如果器件的
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主时钟频率为2.457 6MHz（CLKDIV＝0）或4.915 2MHz（CLKDIV＝1），该位置\"1\"，如果主时钟频率为1MHz（CLKDIV＝0）或者2MHz（CLKDIV＝1），该位置\"0\"，此外CLK还与FS1和FS0共同选择器件的输出更新速率。
（七）数据寄存器
数据寄存器是一个16位只读寄存器，他用来存放AD7705的最新转换结果。这里要注意：当对AD7705进行写操作时，AD7705期望MSB（最高有效位）在前，但微控制器（如8051系列）首先输出LSB（最低有效位），因此必须对数据进行倒序。不过同时还要注意：数据寄存器虽然是一个16位寄存器，但他由2个8位存贮单元组成，因此必须分成2个8位分别进行倒序。进行读操作时同样如此。
2.3 汇编语言简介
汇编语言是一种功能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。汇编语言，作为一门语言，对应于高级语言的编译器，需要一个“汇编器”来把汇编语言原文件汇编成机器可执行的代码。高级的汇编器如MASM，TASM等等为我们写汇编程序提供了很多类似于高级语言的特征，比如结构化、抽象等。在这样的环境中编写的汇编程序，有很大一部分是面向汇编器的伪指令，已经类同于高级语言。现在的汇编环境已经如此高级，即使全部用汇编语言来编写windows的应用程序也是可行的，但这不是汇编语言的长处。汇编语言的长处在于编写高效且需要对机器硬件精确控制的程序。 （一）优点与缺点
汇编语言直接同计算机的底层软件甚至硬件进行交互，它具有如下一些优点：
（1）能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口；
（2）能够不受编译器的限制，对生成的二进制代码进行完全的控制； （3）能够对关键代码进行更准确的控制，避免因线程共同访问或者硬件设备共享引起的死锁；
（4）能够根据特定的应用对代码做最佳的优化，提高运行速度； （5）能够最大限度地发挥硬件的功能。
同时我们还应该认识到，汇编语言是一种层次非常低的语言，它仅仅高于直接手工编写二进制的机器指令码，因此不可避免地存在一些缺点： （1）编写的代码非常难懂，不好维护； （2）很容易产生bug，难于调试；
（3）只能针对特定的体系结构和处理器进行优化；
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（4）开发效率很低，时间长且单调。 （二）汇编语言的特点：
（1）面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。
（2）保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点。
（3）可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、CPU、I/O端口等。
（4）目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言。
（5）经常与高级语言配合使用，应用十分广泛。 对于不同型号的计算机，有着不同的结构的汇编语言
汇编语言由于采用了助记符号来编写程序，比用机器语言的二进制代码编程要方便些，在一定程度上简化了编程过程。汇编语言的特点是用符号代替了机器指令代码，而且助记符与指令代码一一对应，基本保留了机器语言的灵活性。使用汇编语言能面向机器并较好地发挥机器的特性，得到质量较高的程序。
汇编语言是面向具体机型的，它离不开具体计算机的指令系统，因此，对于不同型号的计算机，有着不同的结构的汇编语言，而且，对于同一问题所编制的汇编语言程序在不同种类的计算机间是互不相通的。
汇编语言中由于使用了助记符号，用汇编语言编制的程序输入计算机，计算机不能象用机器语言编写的程序一样直接识别和执行，必须通过预先放入计算机的\"汇编程序\"的加工和翻译，才能变成能够被计算机识别和处理的二进制代码程序。用汇编语言等非机器语言书写好的符号程序称为源程序，运行时汇编程序要将源程序翻译成目标程序。目标程序是机器语言程序，它一经被安置在内存的预定位置上，就能被计算机的CPU处理和执行。
汇编语言像机器指令一样，是硬件操作的控制信息，因而仍然是面向机器的语言，使用起来还是比较繁琐费时，通用性也差。但是，汇编语言用来编制系统软件和过程控制软件，其目标程序占用内存空间少，运行速度快，有着高级语言不可替代的用途。
2.4 UPS(Uninterruptible power system)电源
我们都有这样的经验：有的时候，正在写一篇文章，或者编写一个程序的时候，或者在用画笔画一幅图画的时候，突然屏幕黑了——断电了。唉，里面的东西都不见了，白干了半天。连存盘的机会都没有。要是搞科研的科学家也遇到这种情况，损失就更大了。能不能想个办法，使电脑继续工作，或者在市电停止的时候，机器能在短时间内保持一段时间的电，使用人们有
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机会把已经干完的工作存盘，以便下一次再接着工作呢？办法一，较为困难，要买一台发电机，这对于一般用户来说，基本上是做不到的。第二种情况，则较为容易一些，那就是买一台UPS电源。
UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压、恒频的不间断电源。当市电正常时，UPS将市电稳压或稳压、稳频后供负载使用，同时向机内电池充电；当市电中断时（异常时），UPS立即在4-10毫秒内或“零”中断时间内将蓄电池的电源通过逆变转换的方式向负载继续供应电力，使负载维持正常的工作，以便保存资料并保护负载的软硬件不受损坏。从原理上来说，UPS是一种集数字和模拟电路，自动控制逆变器与免维护贮能装置于一体的电力电子设备；
从功能上来说，UPS可以在市电出现异常时，有效地净化市电；还可以在市电突然中断时持续一定时间给电脑等设备供电，使你能有充裕的时间应付。从用途上来说，随着信息化社会的来临，UPS广泛地应用于从信息采集、传送、处理、储存到应用的各个环节，其重要性是随着信息应用重要性的日益提高而增加的。
2.5 GPRS(General Packet Radio Service)通用分组无线服务技术
GPRS是通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。
GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上（VRN）的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。GPRS分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中，数据被分成一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头（其中的地址标志指明该分组发往何处）。数据传送之前并不需要预先分配信道，建立连接。而是在每一个数据包到达时，根据数据包头中的信息（如目的地址），临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。
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由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点，对信道带宽的需求变化较大，因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。例如一个进行WWW浏览的用户，大部分时间处于浏览状态，而真正用于数据传送的时间只占很小比例。这种情况下若采用固定占用信道的方式，将会造成较大的资源浪费。
在GPRS系统中采用的就是分组通信技术，用户在数据通信过程并不固定占用无线信道，因此对信道资源能够更合理地应用。
在GSM移动通信的发展路标中，GPRS是移动业务和分组业务相结合的第一步，也是采用GSM技术体制的第二代移动通信技术向第三代移动通信技术发展的重要里程碑
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3 路灯集中监控及综合节能系统设计与实现
3.1 路灯照明组
现在市面上的路灯一般都是单个的路灯照明，而且没什么亮度的变化。与此同时，基本上都采用的是高压钠灯，耗电量非常大。本设计采用的是四个灯头的LED路灯，这样既可以随意调节路灯的亮度从而节省不必要的浪费，又可以在一个灯头损坏还未来得及修理的时候保证基本的照明，不至于在这个期间发生因为路灯照明缺失而带来的安全隐患。
路灯灯头本设计中采用现在主流的LED路灯，LED路灯即半导体照明灯，以发光二极管作为光源，因其是一种固态冷光源，具有环保无污染、耗电少、光效高、寿命长等特点，做成的LED路灯。
路灯是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯整体上光效低的缺点造成了能源的巨大浪费，因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。LED路灯的优势在于：
（一）LED路灯本身的特性——光的单向性，没有光的漫射，保证光照效率。
（二）LED路灯有独特的二次光学设计，将LED路灯的光照射到所需照明的区域，进一步提高了光照效率，以达到节能目的。
（三）LED的光源效率目前已达100lm/W，而且还有很大的发展空间，理论值达250lm/W。而高压钠灯的发光效率是随功率增加才有所增加，因此，总体光效LED路灯比高压钠灯强；(这个总体光效是理论上的，实际上250W以上高压钠灯的光效高于LED）。
（四）LED路灯的光显色性比高压钠灯高许多，高压钠灯显色指数只有23左右，而LED路灯显色指数达到75以上，从视觉心理 角度考虑，达到同等亮度，LED路灯的光照度平均可以比高压钠灯降低20%以上，（参照英国道理照明标准）。
（五）LED路灯的光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍达到道路使用照度要求，而高压钠灯光衰大，一年左右已经下降30%以上，因此，LED路灯在使用功率的设计上可以比高压钠灯低。
（六）LED路灯有自动控制节能装置,能实现在满足不同时段照明要求情况下最大可能的降低功率，节省电能。
（七）LED是低压器件，驱动单颗LED的电压为安全电压，系列产品单颗LED功率都为1瓦，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特
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别适用于公共场所（例如：路灯照明、厂矿照明、汽车照明、民用照明等） 每个单元LED小片只有很小体积，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。
（八）寿命长：能使用5万小时以上，提供三年的质量保证。不足之处就是电源的寿命得不到保证。
（九）光效高：采用≥100LM的芯片，比高压钠灯能节能75%以上。 （十）安装简便：无需加埋电缆无需整流器等，直接将路灯灯头安装于灯杆接上或者将光源嵌套原有灯壳。
（十一）散热控制出色：夏天温度控制在45度左右，并采用被动散热方式。夏天的散热保障不足。
（十二）质量可靠：电路电源全部采用高质量元器件，每颗LED都有单独过流保护，无需担心损坏。
（十三）光色均匀：不加透镜，不以提高亮度而牺牲均匀光色，从而保证无光圈光色均匀。
综合上述原理，大功率LED路灯的节能效果显著，代替高压钠灯可节电60%以上。
本设计中采用的LED路灯的规格为60W * 4的路灯组。如图3-1。
60W
图3-1 LED路灯组
3.2 光线感应模块
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想知道路灯什么时候需要亮起来，亮到什么程度，就要知道室外的光线情况。这个模块主要的原件就是光敏电阻，运用的就是光敏电阻入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大的原理。
I＝KUaLb
式中：
I ——通过光敏电阻的电流； U ——加于光敏电阻的电压； L ——光敏电阻上的照度； K ——比例系数；
a ——电压指数，一般近于1； b ——照度指数。
这个模块主要包括两个部分：第一部分是感应室外光线来控制路灯的亮起程度；第二部分是感应路灯的亮起程度是否正常来判断路灯的完好程度。 第一部分光敏电阻1位于路灯顶端，要求不受路灯的亮度影响或者受最少的亮度影响，作用是尽可能的感应自然环境中的亮度，从而获得最好的照度数据，控制路灯的亮起程度。第二部分分为两个小部分，一个是位于灯周围每个灯对应一个的光敏电阻3。
另一个部分则是距离地面两米处的光敏电阻2，这两组光敏电阻都是起到检测路灯是否正常亮起的作用，位置如图3-2 所示：
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光敏电阻1
光敏电阻3
6 米
光敏电阻2 (2米)
图3-2 光敏电阻置位图
以上三组光敏电阻所得到的阻值送到一个STC 89C51芯片中处理，来决定点亮几个路灯，如果发现有路灯没有正常点亮，则把得到的没有正常发光的路灯的编号输出给GPRS模块，传送到远端的总控端来报警，提示维修。
图3-3 为光线感应模块电路图
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AD7705
AD7705
AD7705
光敏电阻
AD7705
STC89C51
图3-3 光线感应模块电路图
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在图3-3中，单片机的XTAL1，XTAL2引脚接时钟电路。EA引脚接电源。P2.0，P2.1，P2.2，P2.3四个引脚分别接三极管的集电极来控制继电器。P1.0至P1.7八个引脚每两个一组接收四个A/D转换器传来的信号来分析光敏电阻的阻值，通过分析信号来决定电灯的亮起或是熄灭以及是否损坏。AD7705的AIN1(+)和AIN1(-)接光敏电阻，GND和CS两个引脚接地。DIN、DOUT和RESET接在一起连单片机的P1口，MCLK IN和MCLK OUT接时钟电路。
3.3 电源存储及电源切换模块
本设计中路灯的供电不采用单一的交流电供电，而是采用蓄电池组配合UPS电源供电，同时有太阳能电池板在白天路灯不使用的时候对UPS电源和蓄电池组进行充电，这样就可以节约一部分电源。
本设计采用的太阳能电池板为逆变输出220V，400W规格，按照白天充电12小时理想条件来算，一天的充电量完全可以供给一个60W * 4的路灯组照亮晚上的12个小时。
如果白天的光线不够充足或者突然阴天导致光照不足需要路灯紧急亮起，而蓄电池组中的电量不足的时候，UPS电源就会将供电从蓄电池组供电切换到交流电源供电，由于UPS电源本身的特性，这个切换基本上可以达到无缝切换，不会带来后续的安全隐患。
图3-4 为太阳能电池和UPS电源系统 太阳光照射 太阳能电池板 给UPS电源蓄电池充电 UPS电源 像LED路灯供电 220V交流电供电 图3-4 为太阳能电池和UPS电源系统
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3.4 GPRS无线通讯模块
3.4.1 西门子MC55模块
本论文中选用的GPRS模块是西门子的MC55模块，这款无线模块是当今市场上尺寸最小的三频模块。MC55的端到端连接器是通过50针0.5 mm宽的引脚连接到芯片应用平台的。50个引脚用于控制各个逻辑单元，传输数据和音频信号，并供给功率提供队列。一个多用途的音频概念提供各种各样音频接口，每种接口都可用在端到端连接器上：1个数字音频接口(DAI)和2个模拟音频接口。
MC55最重要的状态是处于0 V(用于低数据比特和ON状态)和2.65 V(用于高数据比特和OFF状态)。这款芯片是被设计用于作为一个数据通信设备(DCE)的，基于传统的DCE-DTE连接，他与用户应用端进行串口通信，串行接口。
3.4.2 GPRS数据传输模块硬件设计
本论文主要是应用GPRS模块与单片机进行数据传输，因此涉及的硬件主要是单片机和GPRS模块，而这里选用的GPRS模块是西门子的MC55。 GPRS模块和单片机之间的数据通信主要是通过端口TXD0与TXD之间，RXD0与RXD之间的数据传输来完成。其中GPRS模块上的TXD0口是用于接收从单片机传来的数据，而单片机上的TXD端口是用于向GPRS模块传送数据的。GPRS模块上的RXD0口是用于向单片机发送数据，单片机的RXD口则是用于接收从GPRS模块传输来的数据。
由于该模块电源引脚有5个，且电压都是3.3V～4.8 V，因此这里将5个引脚连在一起，直接接到外部电源上。GPRS模块上的引脚IGT主要是用于点火复位，这里作用是做GPRS模块的一个复位转换。在MC55的基带处理器上有一个综合SIM接口，他直接接线到主机接口(端到端连接器)，用于连接到外部的SIM卡座。这里接的SIM卡有6个引脚CCCLK，CCVCC，CCIO，CCRST，CCIN以及CCGND分别对应接在MC55的第1到第6个引脚上。模块的连接器和SIM卡座的引脚之间的距离不要超过20 cm，为了达到最佳的效果，在SIM支架下敷设一层铜隔离网，该层敷铜与SIM卡的CCGND引脚相连。CCVCC和CCGND之间的两个电容要离引脚尽量近，并且走线尽量阻抗低，以满足规范要求。单片机与键盘相连，可以通过键盘来向单片机发送数据。该单片机的振荡器的晶振为11.059 2 MHz，数据传输率设置为9 600 b／s。单片机的复位键RESET为高电平时复位。 图3-5为GPRS数据传送模块与单片机连接：
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STC 89C51
SIM
MC55
卡座
图3-5 GPRS数据传送模块与单片机连接图
3.5 总控模块
3.5.1 数据接收模块
控制模块由主要芯片为STC公司的89C51芯片以及西门子公司的MC55 GPRS无线通讯模块，这两个模块起到接收远端传来的路灯损坏的记录的作用。
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3.5.2 显示模块
接收数据接收模块传来的数据，给用户一个直观的显示，明确知道哪个路灯有问题，哪个灯泡有问题，才能够进行维修，保证高效，不浪费劳动力。
显示模块主要由一个四位数码管显示，四位数字组成一个报警代码，即每个路灯的编号。通过编号来查询所报警路灯所在的位置。
如果有两个或者两个以上路灯同时损坏，先显示一个两位数，表示第几个损坏的路灯，需要注意的是，数字是倒着显示的，就是说如果坏了四个灯，那么就是先显示为一个两位的数字，例如：04，再显示一个四位的路灯代码，这样就能很好的起到提示的作用，不至于落下某个路灯而没有维修，由于没有很大的耗电量，加上为了提高效率，不设置清楚按键，报警提示直到路灯维修好了，正常了才能停止报警，当然，报警在白天的时候是没有，也就是说当光线恢复警报就自动停止。 图3-6 为总控模块电路图
图中，数码管的ABCDEFG和DP引脚接单片机的P1.0至P1.7口，数码管的1234引脚分别接四个三极管的发射极，同时，三极管的基极接电源，集电极接电阻连单片机的P2.0，P2.1，P2.2，P2.3四个引脚，单片机的TXD，RXD，INT0口分别接西门子MC55的AIN0，AIN1，AIN2三个引脚。单片机的P1.0口接三极管的基极三极管的集电极接MC55的IGT引脚。MC55的BATT+引脚均接3.3V电源。CCVCC，CCCLK，CCIO，CCRST，CCIN，CCGND六个引脚接SIM模块。共同组成一个数据接收模块。
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数码管显示
STC89C51
SIM
MC55
卡座
图3-6 为总控模块电路图
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4 系统工作流程
白天的时候只要在有光的情况下，太阳能电池板就吸收太阳光转化为电能储存在蓄电池中；
当室外光线暗下来的时候无论是什么时间,只要室外光线降低到100LUX(勒克斯)以下，由位于路灯顶端的光敏电阻1感应到响应的光线变化，这时，LED路灯组中的一个路灯点亮，位于距离路灯两米高的光敏电阻3感应响应的亮度变化，如果不能达到10000LUX(勒克斯)，那么第二盏LED路灯亮起，一直到室外照度达到1LUX的时候，全部LED路灯都要亮起，因为这个时候基本上是光线最暗的时候；
同时，位于距离路灯最近的光敏电阻2检测亮度的变化，如果亮度在五分钟之内没有发生明显的变化，则判定为LED路灯故障。由系统输出一个信号，通过GPRS通讯模块发出，传送到总控模块接收信号并且在显示模块中显示，提示维修。
图4-1 为模块组合及工作流程示意图
显示问题路灯坐标 发送数据 GPRS无线通讯模块 总控模块 根据蓄电情况选择交流电还是蓄电池 发选有路灯没有正常发光 光线感应模块感应室电源存储及电源切换路灯照明组 外光线 亮灯
模块 图4-1 模块组合及工作流程示意图
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结束语
联合国气候峰会刚刚开完，能源问题被再一次提出来，我们不能逃避这个问题，所以，节能减排是非常重要的一件事情，不能被忽视。
随着经济的发展，越来越多的人有了私家车，越来越多的车辆涌向道路，势必会带来许多安全问题。而夜晚的道路照明就显得尤为重要了，必经这关系到夜晚行车的安全和路人的安全。
作为路灯，一个市政基础设施，承载着很大的责任，它需要为路人照明黑暗的道路，也需要为司机提供更好的视野。但是路灯对电能的消耗也是非常巨大的，但是我们也不能随便减少这方面的支出，所以，我们只能努力寻找新能源或者是节约用电的办法，而本论文中正是这样的一个系统，即可以通过太阳能来吸收电能作为晚上供电的能源，又能使用交流电源供电，而报警机制也很好的利用了起来，能让我们很快的发现哪个路灯损坏，并及时进行维修。
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致谢
在我的学习过程及论文的设计编写过程得到了蒋红波老师非常大的帮助和悉心指导，以及在完成论文的过程中，系统设计方面得到了一些同学的协助，在此一并表示深深的感谢。
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参考文献
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