基于電力線載波通信技術(shù)的LED路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱 旭 唐顯錠 蔣紫東 徐 峰 馮 輝 胡 波 劉木清

(1.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433;2.復(fù)旦大學(xué)電子工程系，數(shù)字信號(hào)處理與傳輸實(shí)驗(yàn)室，上海 200433)

1 引言

LED作為第四代照明光源，近幾年得到了巨大的發(fā)展，其光效等性能指標(biāo)快速提高而價(jià)格快速下降，已經(jīng)突破了顯示、景觀照明等常規(guī)的應(yīng)用領(lǐng)域，在道路照明等定向照明中應(yīng)用得越來越多，越來越具有競爭力［1］。

目前我國路燈控制系統(tǒng)主要采用定時(shí)控制的方式，一般定時(shí)器會(huì)有冬夏兩種定時(shí)模式。這種方式可以實(shí)現(xiàn)路燈的定時(shí)自動(dòng)開關(guān)，但缺點(diǎn)在于設(shè)定的時(shí)間不能調(diào)整，季節(jié)變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)開關(guān)燈時(shí)間與晝夜變換時(shí)間不匹配的現(xiàn)象，也無法對(duì)路燈狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

與傳統(tǒng)光源相比，LED具有節(jié)能和易于控制兩大顯著特點(diǎn)，而現(xiàn)有的路燈控制系統(tǒng)顯然無法將這些優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)出來。因此，針對(duì)LED路燈，有必要重新設(shè)計(jì)與之配套的智能路燈控制系統(tǒng)。本文將介紹基于電力線載波通信技術(shù)的LED路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)依托現(xiàn)有路燈網(wǎng)絡(luò)，無須重新布線，使得改造成本最小化，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)LED路燈的遠(yuǎn)程控制開關(guān)，調(diào)光，查詢電流及電壓等功能。

2 系統(tǒng)組成

整個(gè)智能控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包括了上位機(jī) (PC)，集中控制器 (ECC)及由載波通信模塊 (TN)和控制終端 (MCU)組成的單燈控制器三大模塊，采用PC與ECC間的GPRS通信，ECC與單燈控制器間PLC通信的兩級(jí)通信機(jī)制。其中集中控制器和載波通信模塊，我們選用了瑞斯康公司的ECC3001和RISE3501芯片。本文主要涉及單燈控制器和上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)。

圖1 基于電力線載波通信技術(shù)的路燈控制系統(tǒng)架構(gòu)

3 單燈控制器設(shè)計(jì)

單燈控制器主要由載波通信模塊和MCU電路組成。載波通信模塊內(nèi)含有集成電路芯片RISE3501。RISE3501是一款專用于電力線載波通信的單片系統(tǒng)芯片。

3.1 載波通信模塊外圍電路設(shè)計(jì)

載波通信模塊的工作還需要外圍電路的支持，下面介紹配合載波通信模塊工作的外圍電路。

3.1.1 載波信號(hào)耦合電路

如圖2所示，輸入端L線上串有一個(gè)0.22μF/275V聚酯電容，用來隔離50Hz交流電和通過有用的高頻載波信號(hào)。并有一個(gè)1∶1耦合線圈 (2.2mH)以傳輸有用的載波信號(hào)，同時(shí)起到隔離高壓作用，讓大部分高壓降在聚酯電容上，使后面的電路不帶高壓以保護(hù)人身安全。TVS-8.5V(瞬變二極管)防止快速?zèng)_擊，保護(hù)后端電路。

圖2 載波信號(hào)耦合電路

3.1.2 看門狗電路

通信模塊定時(shí)給出看門狗輸入信號(hào)WDI給看門狗芯片，若WDI信號(hào)停止，看門狗芯片通信模塊進(jìn)行復(fù)位，電路如圖3所示。

圖3 看門狗電路

3.1.3 過零檢測電路

如圖4所示的過零檢測電路正過零導(dǎo)通，過零檢測用于通信模塊判斷相位。

圖4 過零檢測電路

3.2 MCU電路設(shè)計(jì)

MCU的工作流程圖如圖5所示，MCU與載波通信模塊之間通過串口進(jìn)行通信。載波通信模塊將接收到的上位機(jī)命令發(fā)送給MCU，MCU進(jìn)行相應(yīng)的處理后再將響應(yīng)結(jié)果返回給通信模塊。

MCU采用的是silicon公司的c8051f330單片機(jī)，通過MCU電路實(shí)現(xiàn)的功能包括燈的開關(guān)控制，火線電壓及燈上電流的測量，以及MCU輸出PWM信號(hào)對(duì)燈進(jìn)行調(diào)光等。

圖5 MCU程序流程圖

3.2.1 燈開關(guān)控制

對(duì)路燈的開關(guān)控制通過繼電器來實(shí)現(xiàn)。繼電器接5V電源，繼電器的通斷由MCU的RELAY信號(hào)進(jìn)行控制。電路如圖6所示。

3.2.2 電流與電壓測量

電流測量的電路如圖7所示，其原理是在接入路燈的火線上串上一個(gè)電流互感器 (線圈比4∶500)，在次級(jí)得到與線圈比相反的電流，在R10上得到相應(yīng)的電壓信號(hào)。經(jīng)運(yùn)放LM358放大10倍，同時(shí)由于D1和D4的作用反向電壓被削去。經(jīng)過運(yùn)放的信號(hào)CURRENT接到MCU上進(jìn)行AD采樣，通過測量信號(hào)峰值計(jì)算電流互感器初級(jí)電流。AD以每個(gè)市電周期50個(gè)點(diǎn)的速度采集數(shù)據(jù)，取其中最大的一個(gè)作為信號(hào)的峰值。為了減小噪聲的影響，每次測量均測得幾十個(gè)周期的峰值進(jìn)行平均 (MCU程序中發(fā)送給PC的是幾十個(gè)峰值的和，PC機(jī)程序計(jì)算平均值)。設(shè)電流互感器初級(jí)的電流有效值為I，那么此電流I和MCU測得的信號(hào)峰值的關(guān)系為:

圖6 燈開關(guān)控制電路

為了使測量更準(zhǔn)確，R7，R9，R10均需使用精密電阻，否則需在MCU端做一定的補(bǔ)償校正。

圖7 電流測量電路

電流互感器如果要滿足電流比等于線圈在數(shù)比的反比，負(fù)載電阻R10則需要盡可能的小，然而此處若R10過小，會(huì)導(dǎo)致R10上電壓信號(hào)過小，使得噪聲影響很大，所以此處R10取值為51歐，由此帶來的誤差是線性的，可在PC端進(jìn)行校正。調(diào)試中得到的真實(shí)、測量以及校正后的電流如圖8所示。

校正后的公式為:

圖8 電流校正對(duì)比

校正后測量值 =1.365×校正前測量值－141.3(mA)

電壓測量的原理與電流測量完全類似，變壓器并聯(lián)在電源線上，MCU測量計(jì)算的方法與電流測量完全相同。同樣，為了測量準(zhǔn)確，R21、R25和R26需要用精密電阻。不過電壓測量不存在電流測量中需要校正的問題。電路如圖9所示。

圖9 電壓測量電路

3.2.3 PWM輸出電路

單片機(jī)的PWM信號(hào)經(jīng)三極管驅(qū)動(dòng)，再經(jīng)光耦隔離后接入LED路燈驅(qū)動(dòng)器的PWM輸入口，實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。電路如圖10所示。

4 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

圖10 PWM輸出電路

我們使用QT4.7開發(fā)上位機(jī)程序，Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++應(yīng)用程序開發(fā)框架，具有優(yōu)良的跨平臺(tái)特性、面向?qū)ο?、豐富的API、大量的開發(fā)文檔等優(yōu)點(diǎn)［2］。我們可以把它看成是一個(gè)第三方的C++的類庫，提供了豐富了API。在本設(shè)計(jì)中，我們主要用到了GUI和網(wǎng)絡(luò)功能的類庫，程序共由6個(gè)類組成，如表1所示。

表1 上位機(jī)程序內(nèi)容

上位機(jī)程序主要工作流程為:

1)上位機(jī)發(fā)送命令基本流程:

a)在MainWindow上，用戶選擇相應(yīng)命令;

信度指測量結(jié)果的一致性、穩(wěn)定性以及可靠性，一般多以內(nèi)部一致性系數(shù)(Cronbach’ α)來檢驗(yàn)。如表1所示，各構(gòu)念的Cronbach’ α系數(shù)的變動(dòng)范圍在0.919～0.951之間，均大于0.7，因而可以說研究中采用的量表具有較好的信度。另一方面，構(gòu)念的組合信度(CR)也是判別內(nèi)在質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一，各構(gòu)念的CR值均在0.60以上，表示量表的內(nèi)在質(zhì)量理想。

b)命令傳遞給Server，Server按要求填寫相應(yīng)幀格式，并選擇相應(yīng)的Socket寫入命令;

c)Socket發(fā)送命令給相應(yīng)的集中器。

2)上位機(jī)接收響應(yīng)基本流程:

a)Socket接收響應(yīng)，判斷命令合法性;

b)Server接收響應(yīng)，翻譯響應(yīng)的內(nèi)容，根據(jù)這些內(nèi)容修改Ecc，Tn，Task的狀態(tài)信息;

c)MainWindow根據(jù)Ecc，Tn，Task的狀態(tài)信息，更改圖形界面的顯示內(nèi)容。

3)命令沒有及時(shí)響應(yīng)的判斷:

a)發(fā)送命令時(shí)，Server根據(jù)命令修改Ecc的工作狀態(tài);

b)Ecc開始計(jì)時(shí)，這里選擇60s。如果是組播或者廣播，則計(jì)時(shí)為60s*節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);

c)接收對(duì)應(yīng)Ecc工作狀態(tài)的響應(yīng)時(shí)，計(jì)時(shí)停止。如果一直沒有響應(yīng)，則界面顯示超時(shí)。

5 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，我們?cè)趯?shí)際道路上安裝了一個(gè)集中控制器和8個(gè)單燈控制器，LED路燈間距為30米。在實(shí)際電網(wǎng)環(huán)境中連續(xù)測試了6天，通過上位機(jī)與最遠(yuǎn)的第8個(gè)控制器進(jìn)行通信，來驗(yàn)證系統(tǒng)的通信成功率和穩(wěn)定性。

表2是本次的測試結(jié)果，通信成功率穩(wěn)定在94%左右，燈的開關(guān)、電壓及電流測量、定時(shí)控制、調(diào)光等各項(xiàng)功能均能正常實(shí)現(xiàn)。在實(shí)地試驗(yàn)中，8個(gè)路燈的總響應(yīng)時(shí)間在4～5秒左右，在可接受的范圍內(nèi)。

表2 通信成功率試驗(yàn)結(jié)果

6 總結(jié)

基于專業(yè)的電力線載波模塊和集中控制器，本文設(shè)計(jì)了完整的LED路燈控制系統(tǒng)。通過實(shí)地試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，可以適用于實(shí)際的道路照明中，為后續(xù)大規(guī)模應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］朱旭，張震，劉木清.青島膠州灣隧道照明應(yīng)用的研究與實(shí)踐.照明工程學(xué)報(bào)，2010.21(z1):57～60.

［2］陳靖，王振宇.Linux平臺(tái)上的組件開發(fā)技術(shù).計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2005.33(5):25～28;68.

［3］朱吉佳，蔡家麟.基于Qt的業(yè)務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008.18(3):236～239;242.