城市照明單燈節(jié)能控制器研究

【摘 要】在分析路燈控制方式基礎上，設計路燈節(jié)能控制器。利用路燈供電電纜，采用電力線通信技術(shù)，實現(xiàn)路燈的單燈控制。

【關(guān)鍵詞】路燈節(jié)能；物聯(lián)網(wǎng)；單燈控制；GPRS；電力線通信

引 言

目前全國路燈大多已經(jīng)實現(xiàn)“三遙”（遙控、遙測、遙信）控制，三要控制只能實現(xiàn)對路燈箱變中各回路的管理及控制，還不能實現(xiàn)對每盞路燈的單燈控制及自動檢測單燈故障。

隨著現(xiàn)代化進程的不斷發(fā)展，能夠大量節(jié)約人力物力的自動化系統(tǒng)得到廣泛的應用，電力載波技術(shù)就是在這一形式下推出的一項技術(shù)。電力線載波(PLC)是電力系統(tǒng)特有的、基本的通信方式。電力線載波通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。由于使用堅固可靠的電力線作為載波信號的傳輸媒介，因此具有信息傳輸穩(wěn)定可靠、路由合理、可同時復用遠動信號等特點，是唯一不需要線路投資的有線通信方式。

因此，利用電力線通信技術(shù)實現(xiàn)路燈單燈控制是比較好的選擇?？梢詫崿F(xiàn)對某個區(qū)域的路燈的單燈控制，可對每盞路燈進行實時控制，并監(jiān)測路燈的工作狀態(tài)，可實現(xiàn)路燈按需照明、路燈自動巡檢、延長燈具使用壽命，是現(xiàn)代路燈智能控制的根本解決方案。

1.單燈節(jié)能控制器的總體方案設計

路燈監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控中心、路段控制器和裝有載波模塊的路燈節(jié)點組成，其原理框圖如圖1所示，是典型的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。監(jiān)控中心主要由計算機、主控制器、自動化監(jiān)控軟件、GPRS通信模塊以及計算機外圍設備組成， 主要負責對路段控制器和單燈節(jié)能控制器節(jié)點的控制以及對接收到的信息進行處理，完成對路燈的開關(guān)控制和故障的監(jiān)測。單燈節(jié)能控制器節(jié)點是由ST7536模塊和單片機以及外圍電路組成的控制模塊和載波模塊，實現(xiàn)對路燈信息和主控中心信息的雙向傳輸，以及根據(jù)不同的時段對路燈進行開關(guān)控制。

監(jiān)控中心通過GPRS模塊與路段控制器和路燈節(jié)點進行通信， 將要執(zhí)行的指令通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)給路段控制器和路燈節(jié)點;路段控制器通過對數(shù)據(jù)的解析來識別監(jiān)控中心所要執(zhí)行的指令，并將指令通過電力線發(fā)到ST7536載波模塊;ST753載波模塊通過判斷地址和指令要求來實現(xiàn)對指定路燈的開關(guān)操作以及對路燈狀態(tài)的查詢，從而實現(xiàn)對路燈節(jié)點的控制;若監(jiān)控中心需要信息返回，ST7536載波模塊通過電力線將信息傳到路段控制器，通過路段控制器上的GPRS模塊以短信息的形式傳給監(jiān)控中心。因此，通過監(jiān)控中心就可以完成對路燈狀態(tài)的查詢和故障情況的處理，利用自動化監(jiān)控軟件和電子地圖就可以確定某個路燈節(jié)點的狀態(tài)或者故障位置;路段控制器中裝載了萬年歷，通過對時間的設定實現(xiàn)對路燈每天開關(guān)的自動化管理，有效地節(jié)省了人力、物力，并且可以對突發(fā)事件及時地進行處理。

2.ST7536載波模塊設計

一個由ST7536作電力載波通信芯片的系統(tǒng)是由微處理器、接口電路和ST7536本身組成的系統(tǒng)，在PLC載波模塊中采用微處理器與ST公司的ST7536載波芯片進行通信，電路框圖如圖2所示。ST7536是基于擴頻載波技術(shù)中的線性調(diào)頻方式進行信號調(diào)制的，利用掃描頻率的Chirps進行載波，這種擴頻通信方式的頻帶寬度為100kHz～400kHz，并且總是以200kHz～400kHz的頻率開始，以100kHz～200kHz的頻率結(jié)束。由于這種調(diào)頻信號占用的頻帶寬度遠遠大于信息的帶寬，因而可以獲得較大的處理增益，克服了窄帶通信方式的抗干擾能力弱、傳輸距離短等缺點，在干擾比較多的電力線上使數(shù)據(jù)高速、可靠地傳輸。

ST7536的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

ST7536符合DH028/29ENEL、歐洲CENELECEN50065-1標準以及美國的FCC規(guī)定。ST7536 是單芯片Modem，有28個引腳。ST7536芯片的集成度很高，只需要較少的外部元件來完成所有操作：1個晶振，4個電阻和5個電容。ST7536屬于半雙工同步調(diào)制解調(diào)集成電路，采用低成本的同步FSK調(diào)制方式。它有兩種工作方式：接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。工作方式是由Rx/Tx控制輸入端決定的，數(shù)據(jù)的輸入輸出與時鐘相關(guān)聯(lián)。此時鐘信號由ST7536產(chǎn)生。當ST7536工作于發(fā)送方式時，發(fā)送的數(shù)據(jù)(TXD)在時鐘的正沿被抽樣，然后進入FSK調(diào)制器。它的工作頻率是由時間基準和控制邏輯來設定的。在正常工作狀態(tài)，信號混合電路決定送至發(fā)送濾波器的FSK調(diào)制信號。此濾波器是一開關(guān)型的電容帶通濾波器。

在接收方式時，信號通過接收模擬輸入端(RAI)進入，被接收信號經(jīng)過接收帶通濾波器濾波。接收濾波器與發(fā)送濾波器一樣，也是開關(guān)電容濾波器，也用自動頻率控制電路來將此濾波器設定于正確的工作頻率上。經(jīng)過放大之后，此接收信號頻率向下變換并經(jīng)中頻帶通濾波器濾波，得到的信號送至FSK解調(diào)器。中頻濾波器(IFO)輸出和FSK解調(diào)器輸入(DEMI)間的耦合是由外部的電容來完成的，它濾除了失調(diào)電壓。時鐘恢復電路從FSK解調(diào)器的解調(diào)輸出中接收時鐘信號(CLR/T)。同步接收的數(shù)據(jù)在時鐘正沿被傳送。

在接收模式下，模擬信號通過電力線耦合，經(jīng)過輸入帶通濾波將信號傳輸?shù)絊T7536，ST7536則通過調(diào)制將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號儲存在緩沖器中，單片機通過讀命令將數(shù)據(jù)接收并按照數(shù)據(jù)的要求執(zhí)行相應的操作;在發(fā)送模式下，單片機將所要發(fā)送的數(shù)字信號通過寫命令將數(shù)據(jù)寫入ST7536，在下一個時鐘脈沖到來時，ST7536輸出信號，并將數(shù)字信號解調(diào)為模擬信號以Chirp波的形式輸出，通過信號放大電路將信號幅值放大，再通過輸出帶通濾波將干擾濾除后，耦合到電力線上。

為了盡可能長地增加傳輸距離，對于調(diào)制出的Chirp波形必需進行有效的濾波和放大，因此輸入、輸出濾波電路和信號放大電路的設計效果對于信號傳輸距離和抗干擾能力會產(chǎn)生很大影響。輸入濾波器是頻帶寬度為100kHz～400kHz的LC帶通濾波器，可以使頻帶以外的干擾信號得到有效的衰減，增強了載波信號的抗干擾性，防止了信號的誤碼。增加傳輸距離的另外一個措施是提高輸出信號的發(fā)射功率。

3.中繼功能實現(xiàn)

上電之后，單片機實時地查詢與ST7536的端口，及時地處理從電力線上傳輸過來的數(shù)據(jù)。由于載波信號的輸出功率是有限的，在不考慮中繼的情況下，一般的傳輸距離在500米左右，因為現(xiàn)在城市路燈的距離一般在1000米左右，因此僅靠提高載波信號的發(fā)射功率來增大傳輸距離還不能夠?qū)崿F(xiàn)對整條路燈的控制。針對這種問題，在傳輸距離較遠的情況下采用中繼的方式來解決，即當主控中心收不到某一路燈的信息或?qū)δ骋宦窡艨刂茻o效時，可以通過中繼節(jié)點進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

中繼算法是用軟件方法實現(xiàn)中繼的功能，工作原理及操作過程主要包括下面幾點。

①接收數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包進行分解。當中繼器接收到數(shù)據(jù)包之后，要先驗證其合法性，然后把報頭、報文和校驗字節(jié)分離開來。最后再根據(jù)報頭的不同，選擇進行什么操作。

②對IP數(shù)據(jù)包進行處理。當接收到有效的報文時，中繼器必須決定該數(shù)據(jù)是本地提交還是向前轉(zhuǎn)發(fā)。當IP廣播或多播時，也可能是一種混合的情況。對這些情況的判斷，主要根據(jù)下面三個規(guī)則進行處理：

◆當IP數(shù)據(jù)包中有一個源路由選項時，它將被轉(zhuǎn)發(fā)而不進行本地提交；

◆當IP目的地址或其非轉(zhuǎn)發(fā)多播地址中的某一個地址與中繼器的某個端口地址相符時，將進行本地提交；

◆當IP目的地址是一個廣播地址，或者是個既要轉(zhuǎn)發(fā)又要本地提交的多播地址時，將同時進行兩個操作。

③轉(zhuǎn)發(fā)尋址。當中繼器決定要轉(zhuǎn)發(fā)一個IP數(shù)據(jù)包時，先要確定下一個中繼器的地址。如果數(shù)據(jù)包中包括中繼器選項而且驗證其合法時，則下一個中繼器地址可取自自身列表中的一項，而源地址應該是寫成廣播源的地址。

④轉(zhuǎn)發(fā)驗證。在轉(zhuǎn)發(fā)之前，中繼器應該對數(shù)據(jù)包進行一些校驗工作，而只有驗證無誤的時候才能進行轉(zhuǎn)發(fā)，否則將數(shù)據(jù)包拋棄而重新提示數(shù)據(jù)包的廣播源重發(fā)。這里的校驗分兩個部分：

一個是IP的驗證，看是否接收到的數(shù)據(jù)包目標IP 符合要求；

二是具體數(shù)據(jù)的驗證，看校驗得到的數(shù)據(jù)是否有誤。

由于電力載波網(wǎng)絡的采集器與集中器之間的距離在實際應用中遠遠超過最大通信距離，所以必須使用中繼算法來彌補這個缺點。

4.結(jié) 語

利用電力線通信技術(shù)實現(xiàn)城市照明單燈控制是比較好的技術(shù)選擇，能避免繁重的布線工作， 且具有造價低、傳輸線路牢固可靠、安裝使用方便等優(yōu)點，可大大提高城市路燈的現(xiàn)代化管理水平，在保證人們安全出行的前提下，實現(xiàn)按需照明，并代替人工巡檢，減少勞動強度和維護費用，提高維護的及時性，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對城市照明的需求。