技术支持：基于GPS系统的路灯控制器的设计

　　基于GPS系统的路灯控制器的设计

　　摘要:本文提出了一种新型的路灯控制器，利用GPS设备获取本地的经纬度以及时间信息，得到可靠的地理位置信息和时间数据;再利用单片机计算当地每一天的日出日落时间，控制路灯系统的工作状态。单片机目前发展已经非常成熟，可以保证整个控制系统性能稳定，受环境干扰小;准确的日出日落算法，可以大大的节省人力和能源消耗。

　　关键词: 路灯控制 单片机 日出日落 GPS

　　Research of Power Controller Based on GPS

　　Hou Jianbin

　　Xi’an Junzhi Electronics Technologies, Co., LTD

　　Abstract: A new power controller is presented in this paper. The geography and time information of location including latitude and longitude can be gotten by the GPS, and the MCU (microcontroller) can budget the sunrise and sundown time everyday with the geography information. According to the sunrise and sundown time, MCU can control the power on or down under multi-mode. MCU is a mature technology and can work well in complicated environment. So the power controller can be energy saving and consumption reduction, and in the same time which can be human resource saving.

　　Key Words: Power controller, MCU, Sunrise and sundown, GPS

　　引言

　　在路灯控制智能方法上，目前应用比较广泛的是钟控和光控两种方式。但是这两种方式都各有自己的局限性：使用钟控设备，工作人员需要定期更改开灯关灯时间，尤其在春秋两季，昼夜长短的变化非常快，为了保障路灯的正常工作，工作人员需要不断的设置开关灯的时间，以西安07年日落时间为例(图一);在春秋季昼夜变化快的时候，每天日落时间可以改变80秒左右，工作人员如果每10天更改一次钟控时间，变化更大，例如在9月份和10月份，日落时间会延迟14分左右。另外，昼夜交替虽然曾周期性变化，但是受经度、纬度、年份影响，难以被观测记录到，所以在设置路灯开关灯时间时，只是按照大概估计，造成能源和人力的浪费。光控设备使用光敏器件，判断光线的强弱来控制路灯的工作，比钟控节约能源和人力。但是缺点也是显而易见的，容易受到强光，烟雾，灰尘，摆放角度的影响，造成性能的变化。

　　基于以上问题,市场上出现很多经纬度式的路灯控制系统,但是由于其算法存在问题,导致在使用的过程中无法正常使用.本系统根据太阳的视赤纬度,太阳视角,以及当地的经纬度计算该地区每天的日出日落时间.从而建立一套单片机路灯控制系统,可以在多种模式控制各种照明或者广告牌电源,在很大程度上降低能源的消耗降低人力成本.

　　图一：西安2007年日落时间趋势

　　1.系统设计

　　1.1功能框架图(图二)

　　系统框图如图二所示,系统由单片机,gps模块,液晶显示板,键盘以及其他附属结构组成。

　　图二：功能框架

　　1.2 工作原理

　　从GPS或者手工输入经纬度位置信息和当前时间(北京时间)，控制器计算出该位置每日准确的日出日落时间,算法在后面的内容介绍。在此时间的基础上，加入一定的提前和滞后量，控制继电器的闭合。

　　1.3GPS模块：

　　GPS即全球定位系统(Global Positioning System)。简单地说，这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。本系统利用GPS来获得工作地点的经纬度信息以及时间信息,其特点是高灵敏、低功耗、20通道，可外接天线，高灵敏度，在城市峡谷、高架下等弱信号的地方，都可以快速、准确获取时间和位置信息。

　　1.4控制IC(单片机)：

　　单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。本系统选用型号：STC89C256;具有抗干扰性好，耐静电，保密性好，可实现在线编程，使用方便的特点.

　　2.日出日落算法

　　2.1 日出日落时间算法

　　已知：日出日落时太阳的位置h=-0.833°，要计算地的地理位置，经度Long，纬度G1at，时区zone，UTo为上次计算的日出日落时间，第一次计算时UTo=180°。

　　(1)先计算出从格林威治时间公元2000年1月1日到计算日天数days;

　　(2)计算从格林威治时间公元2000年1月1日到计算日的世纪数t， 则：

　　t=(days+UTo/360)/36525;

　　(3)计算太阳的平黄径： L=280.460+36000.77t;

　　(4)计算太阳的平近点角： G=357.528+35999.05t

　　(5)计算太阳的黄道经度：λ=L+1.915sinG+0.02sin(2G);

　　(6)计算地球的倾角：ε=23.4393-0.013t;

　　(7)计算太阳的偏差：δ=arcsin(sinεsinλ);

　　(8)计算格林威治时间的太阳时间角GHA：

　　GHA=UTo-180-1.915sinG-0.02sin(2G)+2.466sin(2λ)-0.053sin(4λ)

　　(9)计算修正值e： e=arcos{[ sinh-sin(Glat)sin(δ)]/cos(Glat)cos(δ)}

　　(10)计算新的日出日落时间： UT=UTo-(GHA+Long±e);

　　其中“+”表示计算日出时间，“-”表示计算日落时间;

　　(11)比较UTo和UT之差的绝对值，如果大于0.1°即0.007小时，把UT作为新的日出日落时间值，重新从第(2)步开始进行迭代计算，如果UTo和UT之差的绝对值小于0.007小时，则UT即为所求的格林威治日出日落时间;

　　(12)上面的计算以度为单位，即180°=12小时，因此需要转化为以小时表示的时间，再加上所在的时区数Zone，即要计算地的日出日落时间为：

　　T=UT/15+Zone

　　上面的计算日出日落时间方法适用于小于北纬60°和南纬60°之间的区域，如果计算位置为西半球时，经度Long为负数。

　　计算出来的西安当地的日落时间见图一.

　　2.2 计算方法的简化

　　由于STC89C256是只有8位的微处理器，难以处理以上的较为复杂的实时运算，并且存储的容量有限,为了简化运算，对部分数据建立数据库，处理器内部查表，对日出日落数据进行软件拟合的方式代替实时运算。

　　2.3 误差分析

　　由软件拟合得到的数据代替原始数据必然带来一定的误差，产生的误差原因有：

　　a)闰年和平年之间的差异

　　b)经度和纬度因为计算精度造成的差异

　　c)处理器计算过程中产生的溢出

　　对全国各地且不同年份的软件拟合数据进行系统抽样，利用统计软件spss10.0对产生的总体误差进行分析，得到以下结果：

　　平均误差m=25.4秒，95%的数据误差可以控制在62.6秒之内，98%数据误差可以控制在68.7秒之内。

　　3.电磁兼容设计

　　由于控制器通常都安装在配电箱内，其负载为交流接触器,在开关的瞬间会产生很强的电磁脉冲。另外配电箱内复杂的环境和控制器自身负载都会产生高频电磁干扰。为了在这样复杂的环境下，始终能够保持稳定的性能，在设计和生产过程中就要考虑到电磁兼容性设计的问题。

　　控制器是通过继电器实现弱点控制强电，高频电磁干扰会出现继电器闭合的瞬间。由于干扰是从电源线引入，并传播到内部的线路中去的，我们可以在电源的出口和印刷版的电源入口处设置铁氧体抗干扰磁芯，即可抑制电源和印刷板之间的高频干扰传输，也可以抑制印刷板之间高频噪声的互相干扰。

　　铁氧体抗干扰磁芯是电子电路中常用的抗干扰元件，对于高频噪声有很好的抑制作用，它一般使用铁氧体材料(Mn- Zn)制成，它在不同的频率下有不同的阻抗特性，一般在低频时阻抗很小，当信号频率升高磁环表现的阻抗急剧升高。利用这种特性，使用铁氧体磁环后可以把继电器闭合瞬间产生的高强度脉冲有效地吸收，保证控制器正常工作。

　　4.结论

　　本论文提出一种新型的GPS型路灯控制器,根据太阳的视赤纬度,太阳视角,以及当地的经纬度精确计算出当地的日出日落时间,根据这一时间来控制继电器的开关,然后利用继电器来控制交流接触器控制城市的一些电源系统例如路灯系统和广告牌系统,从而达到节能降耗节省人力的作用.

　　参考文献:

　　产品类别

　　· HS-08-14C

　　· H•S•08-14C

　　· H-S-08-14C

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