一种基于北斗授时的景观亮化灯同步控制系统及控制方法与流程

技术特征：
1.一种基于北斗授时的景观亮化灯同步控制系统，其特征在于：该同步控制系统包括微控制单元mcuⅰ（1）、微控制单元mcuⅱ（2）、北斗授时模块（3）、精准时间摸块（4）、无线通信模块（5）、lcd显示模块（6）、互动按键模块（7）、sd卡模块（8）、信号帧输出模块（9）、同步信号输出模块和 232复用调试串口（12）；所述北斗授时模块通过ipx 接口连接有源天线（13），所述同步信号输出模块包括同步信号输出模块ⅰ（10）和同步信号输出模块ⅱ（11）；所述同步控制系统通过北斗授时模块，结合北斗广播电文的超帧格式，从屮提取出所需的时钟信号和北斗卫星可视星数信息，经滤波运算放大处理，将数据及秒脉冲发送给微控制单元mcuⅰ，经过微控制单元mcuⅰ处理得出两组脉冲后，传输给微控制单元mcuⅱ,微控制单元mcuⅱ读取sd卡模块内储存的帧文件并去除编号，然后通过信号帧输出模块将帧文件输出到控制终端，以控制景观亮化灯的开关和渐变，或通过同步信号输出模块将有线同步信号输出到下级控制器，再通过下级信号帧输出模块将信号帧输出到该级控制终端；所述北斗授时模块、精准时间摸块、lcd显示模块、互动按键模块分别与微控制单元mcuⅰ连接；所述微控制单元mcuⅰ的输出端与微控制单元mcuⅱ连接，所述无线通信模块与微控制单元mcuⅱ串口连接,微控制单元mcuⅱ的输出端分别连接sd卡模块、信号帧输出模块和同步信号输出模块；所述信号帧输出模块与控制终端连接，所述同步信号输出模块与下级控制器连接；所述北斗授时模块（3）的作用：一是接出北斗卫星授时信号，结合北斗广播电文的超帧格式，从屮提取出所需的世界标准时间utc信号和北斗卫星可视星数信息，经滤波运算放大处理，产生一个与世界标准时间utc同步的秒脉冲信号pps，通过串口将世界标准时间utc和北斗卫星可视星数发送给微控制单元mcuⅰ，通过io口将秒脉冲信号pps发送给微控制单元mcuⅰ； 二是在当秒脉冲信号pps由低电平变高电平时,延迟几毫秒再输出nmea
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0183 协议utc时钟及北斗卫星可视星数；所述精准时间摸块（4）用于计时、授时和输出一路周期为1秒占空比为50%秒脉冲信号1pps，通过北斗授时模块授时使精准时间模块的时间精确到10ms以内；所述微控制单元mcuⅰ（1）是整个系统的控制协调中心，其作用：一是通过北斗授时模块对精准时间摸块授时，并通过lcd显示模块显示当前时间及翻页显示每星期定时开关信息和北斗卫星可视星数；二是将北斗授时模块送来的世界标准时间utc和北斗卫星可视星数进行数据处理得出高低电平方波f1和高低电平方波f2两组脉冲，传输给微控制单元mcuⅱ；对北斗授时模块所产生的与世界标准时间utc同步的秒脉冲信号pps和精准时间模块产生的秒脉冲信号1pps的方波进行分析计算，决定是否授时；三是在设定开灯时间内，每五秒计算下一个五秒的开始帧文件编号，将输出的高低电平方波f1由低电平变高电平，然后将计算出来的帧文件编号和时间通过摸拟spi口传输到微控制单元mcuⅱ；四是通过对精准时间模块产生的秒脉冲信号1pps的方波进行分析，输出周期为50ms、占空比为50%方波；所述微控制单元mcuⅱ（2）的作用：一是通过摸拟spi口接收微控制单元mcuⅰ的信息，以微控制单元mcuⅰ输送的第二个高低电平方波f2上升沿为标准读取sd卡模块内的帧文件并去除编号，然后通过信号帧输出模块输出帧文件供控制终端使用；二是读取微控制单元mcuⅰ传输来时间信息及对应的帧文件进行编码，通过同步信号输出模块输出同步信号供下级控制器使用；三是在设定开灯时间内，将摸拟spi口接收的信息通过无线通信模块传输到后台服务器；四是在设定开灯时间外，通过无线通信模块连接后台服务器，实现互动和修改参
数的控制；所述无线通信模块（5）用于远距离控制互动和修改参数，上传数据到后台服务器；所述lcd显示模块（6）用于显示当前时间及翻页显示每星期定时开关信息和星数、当天开关时间和无线信号强度；所述互动按键模块（7）用于设定精准时间摸块的时间开关，以及现场互动和修改参数；所述sd卡模块（8）用于存储动态图案转化的bin帧文件；所述信号帧输出模块（9）用于将微控制单元mcuⅱ读取并去除编号的sd卡模块内的帧文件输出供控制终端使用；所述同步信号输出模块用于将经微控制单元mcuⅱ编码后的时间信息及对应的帧文件，输出同步信号供下级控制嚣使用，下级控制器再输出帧文件供该级控制终端使用；所述232复用调试串口（12）用于北斗授时模块和无线通信模块安装时的调试以及微控制单元mcuⅰ和微控制单元mcuⅱ的软件升级。2.如权利要求1所述的一种基于北斗授时的景观亮化灯同步控制系统，其特征在于：所述微控制单元mcuⅰ和微控制单元mcuⅱ采用国产51单片机stc89c52rc芯片,该芯片外部晶振釆用12mhz，工作时微控制单元mcuⅰ的计数率为1 mhz，即 0.001ms计数值加1；所述微控制单元mcuⅰ采用的stc89c52rc芯片设为第一芯片，微控制单元mcuⅱ采用的stc89c52rc芯片设为第二芯片；所述精准时间摸块采用ds3231时钟芯片；所述北斗授时模块采用卫星系统接收器s1216f8
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bd；所述232复用调试串口采用max232电平转换芯片；所述信号帧输出模块、同步信号输出模块ⅰ和同步信号输出模块ⅱ采用ms3485收发芯片，信号帧输出模块采用的ms3485收发芯片设为第三收发芯片，同步信号输出模块ⅰ采用的ms3485收发芯片设为第一收发芯片，同步信号输出模块ⅱ采用的ms3485收发芯片设为第二收发芯片；所述北斗授时模块之卫星系统接收器s1216f8
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bd的串口同第一芯片的p3.0口和p3.1口连接，pps口同第一芯片的p3.2口连接；所述精准时间摸块之ds3231时钟芯片通过i2c总线接口同第一芯片连接，ds3231时钟芯片的sda口接第一芯片的p3.5口，ds3231时钟芯片的scl口接第一芯片的p3.4口, ds3231时钟芯片的1pps口接第一芯片的p3.3口；lcd显示模块的rs接第一芯片的p1.1口，lcd显示模块的r/w接第一芯片的p1.2口，lcd显示模块的db0口、db1口、db2口、db3口、db4口、db5口、db6口和db7口分别接第一芯片的p2.0口、p2.1口、p2.2口、p2.3口、p2.4口、p2.5口、p2.6口和p2.7口；互动按键模块的key1键接第一芯片的p1.4口，互动按键模块的key2键接第一芯片的p1.5口，互动按键模块的key3键接第一芯片的p1.6口，互动按键模块的key4键接第一芯片的p1.7口；无线通信模块的串口同第二芯片的p3.0口和p3.1口连接；sd卡模块的sdcmd接第二芯片的p0.2口，sd卡模块的sdclk接第二芯片的p0.3口，sd卡模块的sdd0接第二芯片的p0.4口，sd卡模块的sdd1接第二芯片的p0.5口，sd卡模块的sdd2接第二芯片的p0.6口，sd卡模块的sdd3接第二芯片的p0.7口；第三收发芯片的rx接第二芯片的p1.5口，第三收发芯片的tx接第二芯片的p1.6口，第
三收发芯片的mrs接第二芯片的p1.7口；第一收发芯片的tx1脚接第二芯片的p1.4口，第二收发芯片的tx2脚接第二芯片的p1.3口；所述微控制单元mcuⅰ通过六个io口与微控制单元mcuⅱ连接，其中通过p0.0口和p0.1口与微控制单元mcuⅱ连接，通过p0.2口、p0.3口、p0.4口和p0.5口摸拟spi口同微控制单元mcuⅱ通讯，各口的信号及连接分别为：第一芯片的p0.0口为f1，p0.1口为f2，p0.2口为miso，p0.3口为mosi，p0.4口为sclk，p0.5口为nss；f1接第二芯片的p2.2口，f2接第二芯片的p3.2口，miso接第二芯片的p2.3口，mosi接第二芯片的p2.4口，sclk接第二芯片的p2.5口，nss接第二芯片的p2.6口。3.如权利要求2所述的一种基于北斗授时的景观亮化灯同步控制系统，其特征在于：所述微控制单元mcuⅰ所采用的stc89c52rc芯片，包括i2c时间接收模块、串口时间报文接收模块、二个数据处理模块、一个spi时间编号数据发送模块、二个io口输出高低电平模块、数码管显示模块和按键设置模块，数据处理模块用于在接收到串口时间报文接收模块解析出的有效时间信息时，实现对ds3231时钟芯片的实时更新与校正，保证时间同步；spi时间编号数据发送模块用于输出微控制单元mcuⅰ处理器的数据，保证在亮灯时间内对帧文件编号有序管理；数码管显示模块用于实时显示接收到的时间信息，包括年月日、时分秒；按键设置模块用于在接收不到卫星信号的情况下使用本地时钟进行时间设置；所述微控制单元mcuⅱ所采用的stc89c52rc芯片，包括一个spi收发模块、一个无线串口收发模块、两个io口判断高低电平模块和sd卡模块读取模块；spi收发模块用于对后台服务器传来的信息进行处理、互动和修改参数，sd卡模块读取模块用于在设定开灯时间内，当高低电平方波f1由低电平变高电平时,读取微控制单元mcuⅰ传输来的时间信息及对应的帧文件进行编码，以高低电平方波f2上升沿为标准读取sd卡模块内的帧文件并去除编号。4.如权利要求3所述的一种基于北斗授时的景观亮化灯同步控制系统，其特征在于：所述同步控制系统自带备用可充电电源（14），用于市电出现故障意外停电时的供电，以保证同步控制系统的正常工作；所述低功耗精准时间摸块为高精度i2c实时时钟器件，具有集成的温度补偿晶体振荡器和电池输入端；所述lcd显示模块釆用标准16脚带背光显示；所述互动按键模块为四位按键，四位按键分别为：模式、加一、减一、确定；所述sd卡模块内存储的bin文件由编号 帧文件构成，所述编号为十进制数字，编号为100的倍数、起始为00000,编号连续排列不重复空行，所述帧文件为十六进制，由素材动画经采集软件转换而成。5.一种基于北斗授时的景观亮化灯同步控制方法，其特征在于：所述控制方法是利用一种基于北斗授时的景观亮化灯同步控制系统控制城市景观亮化灯的亮灭和渐变的方法，包括下述步骤：准备:安装配套北斗调试软件gnss_viewer；第一步：制作多种素材动画并转换成bin格式文件，存储于sd卡模块中：s11.素材动画采集转换成帧文件时，文件参数统一设置为1280*1024格，每格含红绿蓝三基色，256级灰度，00为全灭，ff为全亮；s12.bin格式文件素材后期复制、粘贴处理时，所有bin格式文件内每一帧文件集合在
一起按顺序排列，文件编号不允许重号、空号，每个素材的文件编号必须是一百倍数，不足则添加帧数，超过则删除，处理好后将帧数及时间记录下来；s13.将按以上规则处理好的由编号 帧文件构成的bin文件，存入sd卡模块，一卡一个文件；第二步：用232复用调试串口设置北斗授时模块的参数s21.用跳线端子连接3
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5、4
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6，232复用调试串口2rxd与北斗授时模块bd_txd连接，232复用调试串口同现场调试电脑串口连接；s22.打开配套北斗调试软件gnss_viewer窗口，选好端口和波特率后连接，软件界面即显示gps和北斗定位的卫星编号、当前卫星的信号强度、经纬度和时间信息；s23.由于北斗授时模块具备北斗gps双模接收信息，为了减少随机误差，选择用单一北斗接收模式，确定后保存在模块内部flash，具体操作如下：点击venus8configuregnssconstellationtype，在弹出窗口选择北斗类型，按“确定”按键后信息保存在北斗授时模块内部flash，北斗授时模块只处理北斗卫星广播的信息；s24.由于北斗授时模块默认输出八种格式的信息，系统只需当前世界标准时间信息和可见北斗卫星数量信息，在配套北斗调试软件gnss_viewer上关闭其它六种信息，确定后保存在北斗授时模块内部flash，具体操作如下：s241.在配套北斗调试软件gnss_viewer窗口，点击binaryconfigurenmeainterval，在弹出窗口选择zdainterval设置为1～255，gsvinterval设置为1～255，剩余不需要输出消息的interval值设置为0～255，窗口attributes选择updatetosram flash；s242.按“确定”按键、信息保存在北斗授时模块内部flash，北斗授时模块只输出当前世界标准时间utc)及可见北斗卫星数量信息；s25.由于北斗授时模块引脚输出时钟脉冲默认是1hz，时钟脉冲的占空比可以设置为0%~10%，设置模块的占空比为10%，具体操作如下：s251.在配套北斗调试软件gnss_viewer窗口，点击1ppstimingconfigure1ppspulsewidth，设置pulsewidth为100000us，窗口attributes选择updatetosram flash，按“确定”按键后信息保存在北斗授时模块内部flash，北斗授时模块ppsio口只输出高电平为100000us、低电平为900000us的秒脉冲；s252.北斗授时模块按s22、s23、s24、s25步骤设置后，北斗授时模块单一接收北斗卫星广播信息，当刚开机时，由于坐标位置未知，北斗授时模块至少同时观察4颗卫星以上的情况下，通过建立伪距方程，解算出北斗授时模块与系统时间的钟差，对钟差平滑滤波后，根据钟差对北斗授时模块的时钟进行修正，北斗授时模块的pps口即输出误差不超50us、高电平为100000us、低电平为900000us的秒脉冲，并在低电平变高电平上升沿延迟几亳秒后输出当前世界标准时间utc及北斗卫星可视数量信息；s26.北斗授时模块调试正常后，用跳线端子连接1
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3、2
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4连接即为北斗授时模块串口同微控制单元mcuⅰ串口连接；第三步：北斗授时模块对精准时间摸块进行授时,其时间补偿算法的子程序运行如下：s31.开机、模块初始化后flag1=1,
s32.判断北斗授时模块秒脉冲信号pps是否正常：高电平为100000us、低电平为900000us；s33.如秒脉冲信号pps正常，微控制单元mcuⅰ接收数据判断星数是否大于等于4；s34.判断所接收的世界标准时间utc是否正确；s35.如世界标准时间utc正确，则秒数加1，小时数加8；s36.待下一个秒脉冲信号pps上升沿到达、将时间写入精准时间摸块；s37.微控制单元mcuⅰ接收数据判断星数是否大于等于4；s38.是则flag1=0，否则重新授时；第四步：5秒校正输出帧数编号，其算法的子程序运行如下：检查：确认微控制单元mcuⅰ通过六个io口与微控制单元mcuⅱ连接，确保5秒校正输出帧数算法硬件正常工作；微控制单元mcuⅰ和微控制单元mcuⅱ通过模拟spi口进行通讯，分别执行以下程序：s41.微控制单元mcuⅰ程序具体流程如下：s411.微控制单元mcuⅰ程序初始化基本参数如下：系统初始化，flag3=1；s412.微控制单元mcuⅰ和微控制单元mcuⅱ通过模拟spi口进行通讯，通讯协议信息如下：fe(1) (2) ef；其中：“fe”为协议开始字头，
ꢀ“
（1）”为帧数编号，“（2）”为时间，“ef”为协议结束；设每天亮灯时间为 b；s413.微控制单元mcuⅰ读取时间模块的秒脉冲信号1pps方波的上升沿产生的周期为50ms、占空比为方波f2的50%，从p0.1口输出；s414.当flag3=1时, 精准时间摸块秒脉冲信号1pps 的上升沿到达，读取精准时间摸块现在时间设为a，读取开机时间设为b，当 a
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b>0,设现在时间与开机时间的小时差乘3600为c1，现在时间与开机时间的分钟差乘60为c2，现在时间与开机时间的秒钟差乘1为c3，将c 1 c 2 c 3之和 c除5，所得整数数值为d余数数值为e，则f=(d 1)*100，其中100指每5秒输出100帧bin文件，g=5
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e，等候精准时间摸块秒脉冲信号1pps由高电平变低电平，g
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直到g
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等于0，等候精准时间摸块秒脉冲信号1pps由低电平变高电平；微控制单元mcuⅰ的p0.0口f1输出高电平，微控制单元mcuⅰ模拟spi口按通讯协议输出信息对微控制单元mcuⅱ通讯，flag3=0；s415.当flag3=0时, 微控制单元mcuⅰ进入 5000ms延吋流程, 5000ms后flag3=1；s42.微控制单元mcuⅱ程序具体流程如下：s421.当微控制单元mcuⅱ的p2.2口接收到高电平信号时，开始接收微控制单元mcuⅰ模拟spi口按通讯协议输出信息，并按通讯协议提取帧数编号和时间，flag5=1；s422.当微控制单元mcuⅱ的p3.2口接收到由低电平变高电平信号时，判断 flag5=1是否成立：s423.如flag5不等1时则从帧编号y1=0打开能读取sd卡模块中的帧文件，去除帧编号从第三收发芯片输出，y1 ；s424.如flag5=1时，提取帧编号设为y2，判断 y1与y2是否相等，如不相等则帧编号y1==y2，从帧编号y1打开能读取sd卡模块中的帧文件，去除帧编号从第三收发芯片输出，y1 ；
s425.如flag5=0，无线通信模块将协议传输到后台服务器，判断 y1与y2是否相等, 如相等从帧编号y1打开能读取sd卡模块中的帧文件，去除帧编号从第三收发芯片输出, y1 ，flag5=0；第五步：微控制单元mcuⅰ动态间隔授时，其算法的子程序运行如下：s51.微控制单元mcuⅰ程序初始化，基本参数如下：flag2=1 ,间隔授时初始值t4=300秒；s52.当flag2=1时，北斗授时模块的秒脉冲信号pps上升沿记录为微控制单元mcuⅰ时间t1，微控制单元mcuⅰ接收数据判断星数是否大于等于4，精准时间模块秒脉冲信号1pps上升沿记录为微控制单元mcuⅰ时间t2；s53.判断t2
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t1的数值是否大于490ms、小于510ms，如在数值范围内则flag2=0 、间隔授时时间为间隔授时初始值t4增加60秒 ，间隔授时时间通过模拟spi口传输微控制单元mcuⅱ，微控制单元mcuⅱ通过无线通信模块将比较时间传输到后台服务器；s54.如t2
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t1的数值在数值范围外，则flag1=1，进入北斗授时，间隔授时时间为间隔授时初始值t4减少60秒，flag2=0，间隔授时时间通过模拟spi口传输微控制单元mcuⅱ，微控制单元mcuⅱ通过无线通信模块将比较时间传输到后台服务器；s45.当flag2=0时, 微控制单元mcuⅰ进入 t4延吋流程后flag2=1；第六步: 无线通信模块及时将开关、对时等状态上传后台服务器，后台服务器调整参数、下达命令给控制终端；第七步：微控制单元mcuⅱ程序运行微控制单元mcuⅱ的运行程序主要任务是完成初始化系统、定义中断、任务调度、对接收到的数据进行处理操作，发送输出数据，其程序运行如下：s71.在亮灯时间段内，当微控制单元mcuⅱ的p2.2口接收到高电平信号时，开始接收微控制单元mcuⅰ模拟spi口按通讯协议输出信息，并按通讯协议提取帧数编号和时间，微控制单元mcuⅱ接收到高低电平方波f1后，按高低电平方波f2的每一个上升沿按帧数编号读取sd卡模块内bin文件，并去除帧编号从第三收发芯片输出帧文件，同时生成自定义的同步信号输出；s72. 在亮灯时间段外，微控制单元mcuⅱ作为桥梁将其内部的无线串口收发模块接收打的内容通过模拟spi口传输微控制单元mcuⅰ。6.如权利要求5所述的一种基于北斗授时的景观亮化灯同步控制方法，其特征在于：第三步至第七步所述程序方法存储于微控制单元mcuⅰ和微控制单元mcuⅱ中，编程釆用c语言模块化设计，在keil环境下编译，生成的hex文件需要用stc的下载软件通过串口下载到stc89c52rc芯片中。

技术总结
一种基于北斗授时的景观亮化灯同步控制系统，采用北斗授时模块，结合北斗广播电文的超帧格式，从屮提取所需时钟和可见北斗卫星数量信息，经滤波运算放大处理，发送给微控制单元MCUⅠ处理得出二组脉冲，传输给微控制单元MCUⅡ处理、读取SD卡模块内储存的BIN文件并去除编号，然后通过信号帧输出模块输出到控制终端，以控制景观亮化灯开关和渐变，或通过同步信号输出模块将有线同步信号输出到下级控制器。该同步控制系统所需设备量少，控制干扰少、授时精度高，可实现对景观亮化灯的全面监控管理、远程指挥、从而提高景观亮化灯变化的同步性和一致性，达到景观亮化灯具运行的现代化管理的要求；同时有利于城市灯光的改造升级，成本低、易于推广。易于推广。易于推广。


技术研发人员：姜浔 韦云生 邵铭 陈红晓 廖元兵 骆柳春 李吉平 饶湘 陈晓曦 李彤
受保护的技术使用者：柳州市城市照明管理处
技术研发日：2021.07.23
技术公布日：2021/10/8