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港口高杆灯智能控制系统的设计与实现

摘要:设计了一种基于单片机的港口高杆灯智能控制系统,该系统能根据港口所在地的经纬度和日期,自动计算当地每天日出日落的时间,从而实现高杆灯自动定时开关;应用 GSM 模块与单片机通信,通过短信实现对高杆灯的手动控制。 实际运行证明了系统稳定且可靠.  关键词:高杆灯;港口;日出日落时间;单片机 

目前,国内各港口的装卸区域和大面积堆场多采用大功率高杆灯照明,每组高杆灯功率达数千瓦,光源总功率达数百千瓦,耗电量巨大[1]:因此对高杆灯进行科学、合理的控制是很有必要的. 由于港口区域较大,靠工人对单个高杆灯开关进行现场合闸操作不仅效率低,而且存在安全隐患;在高杆灯上安装定时器,可以实现高杆灯在预设时间的开关,但是国内港口,特别是北方港口四季昼夜时间长短变化较大,需要不断地对预设时间进行调整,控制起来比较麻烦[2];如果选用光控开关,由于港口堆场粉尘较大,对光强度传感器的干扰较大,控制效果也不好[2-3]. 本文应用的单片机智能控制系统可根据港口所在地的经纬度和日期计算出每天日出日落的时间,对高杆灯的开关时间进行自动调节;如果遇到阴雨等特殊情况天气,可通过 GSM 网络用手机短信控制高杆灯的开关. 该系统已在北方某港口试用一年,具有操作简单、节能环保等优点.  


1  系统构成及原理 

系统主要由 GSM 模块、时钟电路、单片机和驱动电路等构成,具体如图 1 所示.  



本设计采用单片机作为系统的控制中心. 单片机从时钟芯片读取当前日期,再根据港口所在地的经纬度计算出每天日出日落的时间;单片机实时读取当前时间,并与计算出的日出日落时间进行比对,如果定时时间已到,单片机就根据定时控制高杆灯的闭或开. 同时,单片机通过串口与 GSM 模块通信,可响应工作人员以短信形式发送来的控制命令,实现对高杆灯开关的手动控制以及系统时间的校准等功能.  

2  系统硬件组成 

本设计主控单元采用宏晶 STC12C5A60 系列单片机. 该系列单片机具有较大的程存和数存空间,自带 E2PROM,芯片工作电压 3.3~5.5 V. 具体电路如图 2 所示,其中,U1 为时钟芯片 PCF8563,该芯片通过数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行 I2C 总线,与单片机之间双向传送数据,从而实现时间、日期等数据的读取;U2 为看门狗芯片 MAX813L,在单片机程序跑飞或者系统电压低于门限值(4.65 V)时,该芯片可以对单片机进行复位,保证单片机的正常工作;U3 为安森美的 LDO,实现电压从 12 V 到 5 V 的转换,同时增加 TVS 管对 LDO 的保护.  




2.2  驱动电路 

实际中,每个高杆灯有 3 组高压钠灯,每组工作电流为 10.3 A. 选用额定电压 380 V 下额定电流 37 A 的接触器来控制,每一路驱动电路如图 3 所示,单片机 I/O 口与驱动电路之间增加了光耦进行隔离. 设计采用 2 个松乐 SRS-12VDC 型和 1 个欧姆龙 G2R 型功率继电器构成带自锁功能的继电器电路.  

需要开灯时,可控制 P1.1 口输出一个 100 ms 的低电平脉冲,驱动 Q2 导通给继电器 K2 线圈供电,

K2 吸合后将 K1 提供的 12 V 电压提供给 K3 线圈,继电器 K3 吸合,接触器控制端子与 220 V 交流电接通,进而控制 380 V 电源点亮高杆灯. 由于继电器 K3 的线圈也与其端子 4 相连,在脉冲结束后,通过端子 4 可继续给线圈供电,使其保持吸合状态,实现状态的自锁. 需要关灯时,可控制 P1.0 口输出一个100 ms 的低电平,驱动 Q1 给继电器 K1 供电,K1 吸合后端子 6 不再给 K3 供电,K3 不再吸合,高杆灯关闭.  



2.3  TC35i 模块与单片机接口电路 

TC35i 模块是一款支撑中文短信息的工业级 GSM 模块. 使用 RS232 串口与 MCU 连接实现串口通信,

通信速率为 9 600 kbit/s,采用 8 位异步通讯方式,1 位起始位,8 位数据位,1 位停止位. 采用标准的 AT 指令集[5]方便开发与设计. 本文采用 PDU 编码将控制指令和反馈信息以 Unicode 字符的形式发送.  

TC35i 有 40 个引脚,通过 1 个 ZIF 连接器引出. 设计中,将其第 1~5 引脚与 VCC 相连,第 6~10 引脚与地相连,实现对其供电. 第 15 引脚与单片机 INT0 引脚相连,通过一个大于 100 ms 的低电平脉冲实现模块的启动. 第 18、19 引脚与单片机 RXD 和 TXD 引脚相连,实现串口通信. 第 24~29 引脚依次

与 SIM 卡的 CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC 和 CCGND 相连,实现数据处理[4].  

 

3  程序设计 

3.1  主程序流程图 

初始化过程将完成对定时器、中断、串口、GSM 模块以及时钟芯片的初始化,将默认手机号码和港口经纬度信息依次写入 E2PROM 的第一、二扇区. 在每次完成开灯动作 600 s 后,程序将读取日期和经纬度信息,由此计算出第 2 天关灯和开灯的时间,并存入 E2PROM 第 3 扇区. 主程序将不断比较当前时间与存放在 E2PROM 中的定时时间. 如果定时时间到了,程序实行相应的开关灯动作. 如果接收到短信命令,且手机号码合法,则响应该短信命令.  

例如,春、秋分前后,烟台市的日落时间为 18:00. 当前时间为 17:50,此时为白天,不需要开灯. 程序将不停检测定时时间是否已到. 如果时间到了 18:00,程序实行开灯动作,600 s 后计算明天的关灯和开灯时间. 之后将检测是否到了新的关灯时间,当检测到第 2 天 6:00 左右时,定时时间到,实行相应的关灯操作. 而后继续检测是否到达第 2 天 18:00 左右的开灯时间,如此循环实行.  



3.2  日出日落时间算法 

假设地球为球形,圆形太阳的上沿刚好到达地平线的时刻,即为太阳升起落下的时刻. 以观察者所处的地平面为参考平面,考虑到大气折射的影响,当太阳处在-0.833° 的位置就是日出日落时的位置. 为了方便计算,把时间按角度换算,即 12 h=180° . 计算时,先假设一个太阳位置,再采用这个假设的位置计算日出位置,采用迭代法不断地用计算出的新位置重新计算太阳的位置. 当两次位置之差足够小时,输出日出日落时间,


4  应用实例 

本设计已经成功应用在烟台港大面积堆场的照明系统中,选择每个月的 1 日、11 日、21 日对开关灯的时间进行监测,具体结果如表 1 所示. 具体的开关灯时间与中科院国家授时中心提供的日出日落时间

相比,误差前后不超过 3 min. 在阴、雨、雾天,还可通过手机短信进行控制,增强了系统的适应能力.  


5  结论 

经过一年的观测,系统运行稳定. 由于大气散射的原因,天亮和天黑时间会相应提前和延后,故系统误差并未带来实质的影响. 在满足港口装卸对灯光要求的前提下,较大程度地节省了电力资源. 但系统缺少对高杆灯状态及故障的检测功能,仍需要人工确认. 如果能够利用电脑作为多个高杆灯从机的服务器,通过 GPRS 网络对高杆灯状态进行实时监控,应该会取得更加方便、直观的效果,这也是今后改进

的一个方向.  

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