電力載波通信遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

施 閣，陳升輝，蔣亞露，胡青海，于樂堃

（中國計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

近年來，具備遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能化路燈網(wǎng)絡(luò)得到越來越廣泛的應(yīng)用，除了傳統(tǒng)的高壓鈉燈、鹵素?zé)敉?，新型的LED路燈更是需要采用遠(yuǎn)程監(jiān)控接口，以達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的.有很多的研究者嘗試使用電力載波技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控，但由于國內(nèi)電網(wǎng)的復(fù)雜性，比如當(dāng)居民用電時(shí)，負(fù)載不斷的接入與斷開，在不同的時(shí)刻會對載波信號產(chǎn)生不同的衰減作用；而且載波信號極易受無線電廣播和天線噪聲干擾；當(dāng)信號調(diào)制在電力線上時(shí)，在每個(gè)周期的峰值點(diǎn)極易丟失信號，因此載波信號在電力線上的傳輸準(zhǔn)確度往往不是很好.為了解決上述的問題，我們采用290K的檢波頻率，窄帶BPSK調(diào)制等方法來實(shí)現(xiàn)信號傳遞的穩(wěn)健性，同時(shí)通過光耦檢測過零時(shí)間點(diǎn)和調(diào)制輸出電路，實(shí)現(xiàn)載波信號的過零通信，能較好的在國內(nèi)電力線上實(shí)現(xiàn)信息交互.

同時(shí)，通過將電力載波芯片模塊化（只有兩個(gè)煙盒大?。?，使其具有體積小、節(jié)省布線的天然優(yōu)勢.由于載波線路與芯片之間通過磁環(huán)進(jìn)行信號耦合，而磁環(huán)的飽和可以抑制能量導(dǎo)入芯片端，從而使載波芯片在防雷方面也具有較好的效果.另外，在路燈智能化改造中，載波模塊可直接安裝在燈桿底端的監(jiān)控箱中，便于安裝和維修.本文主要介紹的是載波模塊硬件與程序算法的設(shè)計(jì).

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控系統(tǒng)是由操作臺的主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，和設(shè)置在各個(gè)路燈的分機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成.操作臺可以安裝在配電室或值班室，分機(jī)監(jiān)控器則安裝在路燈的終端上.主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)換器（實(shí)現(xiàn)載波數(shù)據(jù)與RX485數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能）和上位機(jī)監(jiān)控軟件.通過主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送與接收命令，電力線傳輸數(shù)據(jù)，分機(jī)監(jiān)控器執(zhí)行與反饋命令，以此組成整個(gè)信息交互網(wǎng)絡(luò).

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Figure 1 System architecture

電流載波通信即PLC（Power Line Communication），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(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù).PLC的工作原理，即把自動化設(shè)施中的有效數(shù)據(jù)，通過解調(diào)器調(diào)制后，耦合到電力線上，經(jīng)過電力線傳輸?shù)浇K端的數(shù)據(jù)解調(diào)器上，再由終端的數(shù)據(jù)解調(diào)器把信號解調(diào)出來，傳送給終端自動化設(shè)備.由此電力線不僅實(shí)現(xiàn)了供電的功能，還提供了一種信息通信的手段.

在傳統(tǒng)有線傳輸技術(shù)中，每當(dāng)需要采用新的通訊方式時(shí)，都要重新鋪設(shè)通訊線路，但鋪設(shè)新的線路會牽扯到方方面面的內(nèi)容，比如與原有線路是否沖突，材料的性價(jià)比等，并且當(dāng)以后需要修改線路的時(shí)候，又將帶來大量成本和時(shí)間上的損失.在我們的系統(tǒng)中，只要有電力線就能實(shí)現(xiàn)信號傳輸，當(dāng)需要使用的時(shí)候，只需將載波模塊安裝在路燈的監(jiān)控終端即可，當(dāng)發(fā)現(xiàn)需要修改線路時(shí)，改變載波模塊的安裝位置即可.而且本系統(tǒng)不僅抗干擾性強(qiáng)，同時(shí)傳輸距離遠(yuǎn)（有效傳輸距離在一千米左右），并且通過軟件的修改，可以實(shí)現(xiàn)多級通信，從而大大增強(qiáng)通信距離.

2 載波模塊硬件框架

該硬件主要利用高性能SENS－01電力載波通信模塊（Powerline Transceiver）來進(jìn)行信息傳輸，SENS－01嵌入式電力線載波模塊，提供半雙工通信功能，可以在220V／110V，50／60Hz電力線上實(shí)現(xiàn)局域通信.該款產(chǎn)品具有通信速率高，通訊可靠，抗雜波干擾能力強(qiáng)，通訊距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，是專門為適應(yīng)中國國內(nèi)電力線應(yīng)用環(huán)境而研發(fā)的高性能電力線載波通訊產(chǎn)品.本電力線通信模塊已內(nèi)含各個(gè)外圍復(fù)雜電路，在使用時(shí)，直接連接電力線即可.

圖2 載波模塊結(jié)構(gòu)Figure 2 Carrier module structure

2.1 過零檢測電路

在此模塊中，主要是采用NPN三極管驅(qū)動發(fā)光二極管，同時(shí)在接收端加上拉電阻進(jìn)行過零檢測，以判斷信號相位，與檢波電路一起實(shí)現(xiàn)過零信號檢測與接收功能.該電路采用了光耦過零技術(shù)，使后面電路不直接接觸220V市電，最大程度保證了安全性.

圖3 過零檢測電路Figure 3 Zero crossing detector circuit

2.2 調(diào)制輸出電路

在本電路中，采用互補(bǔ)推挽放大器來增強(qiáng)驅(qū)動能力，提供大電流.Q3管接入Q2管和Q4管的基極，以此作為推動信號.由于兩只三極管的極性不同，基極上的輸入信號電壓對兩管而言一個(gè)是正向偏置，一個(gè)是反向偏置.當(dāng)輸入信號為正半周時(shí)，兩管基極同時(shí)電壓升高，此時(shí)輸入信號電壓給Q4管加上正向偏置電壓，所以該管進(jìn)入導(dǎo)通和放大狀態(tài).由于基極電壓升高，對Q2管來講，等于加上反向偏置電壓，所以該管處于截止?fàn)顟B(tài).輸入信號變化到負(fù)半周后，兩管基極同時(shí)電壓下降，給Q2管正向偏置，使該管進(jìn)入導(dǎo)通和放大狀態(tài)，而Q4管又進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài).兩只三極管輸出的半周信號在放大器負(fù)載上合并后，得到一個(gè)完整周期的輸出信號.再經(jīng)過一個(gè)電容和限幅穩(wěn)壓管起到濾直流和穩(wěn)定電壓的作用，再通過變壓器將信號耦合到電力線上，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸.

圖4 調(diào)制輸出電路Figure 4 Modulation output circuit

2.3 檢波輸入電路

在本模塊中，主要采取290K檢波電路，來實(shí)現(xiàn)從電力線上不失真的得到調(diào)制信號.當(dāng)信號經(jīng)過變壓器降壓后，接入檢波電路，使信號解調(diào)，再經(jīng)過兩個(gè)穩(wěn)壓二極管來限幅，防止過電壓通入載波模塊的I＼0口.在圖6中可看到當(dāng)接入信號源后，在輸出端口，獲得了290kHz的檢波頻率.

圖5 檢波輸入電路Figure 5 Detector input circuit

圖6 290K檢波信號Figure 6 290Kdetector signal

2.4 電壓電流測量電路

在本模塊中，直接從變壓器的二次端一側(cè)引出二次電壓，經(jīng)過濾波后得到測量電壓，再1／2分壓后接入本模塊的AD端口，通過10位AD采集以及轉(zhuǎn)換計(jì)算，就能得到準(zhǔn)確的外接電壓大小.

電流測量的原理如下圖7，是在接入路燈電源的火線上串聯(lián)一個(gè)交流互感器，經(jīng)過橋式整流以及濾波電路之后，由R1作為采樣電阻，在它上面反映出電流信號.在電流檢測實(shí)驗(yàn)中，載波模塊與220V／300W的電器串聯(lián)運(yùn)行，測得電流互感器上電壓V＝1.05V，轉(zhuǎn)換后，該電器的電流有效值為1.48A，由電流表測得實(shí)際電流有效值為1.50A.

圖7 電流測量電路Figure 7 Current measuring circuit

3 系統(tǒng)軟件框架

3.1 軟件系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由上位機(jī)軟件、轉(zhuǎn)換器軟件與分機(jī)軟件構(gòu)成.其中以上位機(jī)軟件為核心，多個(gè)分機(jī)監(jiān)控器通過電力線，與上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.在每次命令的最后，都要加上兩個(gè)8位CRC校驗(yàn)碼.由Modbus的CRC定義編寫C子函數(shù)和VB子函數(shù)，每次需要進(jìn)行CRC計(jì)算或校驗(yàn)時(shí)，直接調(diào)用子函數(shù)，非常的方便.每次收發(fā)數(shù)據(jù)都要重新進(jìn)行CRC校驗(yàn)，以保證每次數(shù)據(jù)的正確性.

各個(gè)分機(jī)都會接收來自電力線上所有的載波信號，但只會處理跟自己域名（每一臺的機(jī)號）相同的命令.處理完后，將反饋數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)軟件系統(tǒng)，由上位機(jī)對各個(gè)分機(jī)監(jiān)控器的狀態(tài)信息進(jìn)行綜合分析，并顯示處理后的結(jié)果.工作原理如圖8：

圖8 系統(tǒng)工作原理圖Figure 8 System diagram

3.2 上位機(jī)軟件

此軟件采用VB編寫，內(nèi)嵌Modbus傳輸協(xié)議，自行編寫人機(jī)交互軟件，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，精簡代碼，設(shè)定算法，從而大大提高了系統(tǒng)的安全性.

在本系統(tǒng)中，主要使用了01（讀線圈），03（讀保持寄存器）和05（寫單個(gè)線圈）功能碼，每一次數(shù)據(jù)包將以20個(gè)字節(jié)發(fā)送，數(shù)據(jù)不足20，軟件自動補(bǔ)零0.

例如：

1）讀取05號分機(jī)的繼電器01的狀態(tài)，假設(shè)為關(guān)（ON＝1，OFF＝0）.發(fā)送命令后，當(dāng)對應(yīng)分機(jī)收到數(shù)據(jù)后，查詢本機(jī)的繼電器狀態(tài)，再將信息處理后發(fā)還給主機(jī)，完成這次主機(jī)的請求命令.當(dāng)需要讀取分機(jī)上多個(gè)繼電器狀態(tài)時(shí)，只需修改起始地址與輸出數(shù)量即可.

表1 功能碼01的請求例子Table 1 Function code 01examples of request

表2 功能碼01的響應(yīng)例子Table 2 Function code 01response example

2）讀取05號分機(jī)的01－02號寄存器（即流過的電壓電流大?。?，假設(shè)分別為220V，150mA.分機(jī)監(jiān)控器軟件會將測得的電壓值除以100，將其商轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制后，放在寄存器高位；將其余數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制后，放在寄存器低位.對電流也是同樣的操作.當(dāng)主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，即對其進(jìn)行反操作，即能獲得測量值，在整個(gè)系統(tǒng)中電壓的單位是伏特，電流的單位是毫安.

表3 功能碼03的請求例子Table 3 Function code 03examples of request

表4 功能碼03的響應(yīng)例子Table 4 Function code 03response example

3）命令05號分機(jī)打開繼電器01（以0xFF00代表ON，0x0000代表OFF）.

表5 功能碼05的請求例子Table 5 Function Code 05examples of request

表6 功能碼05的響應(yīng)例子Table 6 Function code 05response example

上位機(jī)軟件包含對數(shù)據(jù)的收發(fā)處理.其功能主要是兩路單獨(dú)的電力載波查詢，以及一路可設(shè)定輪詢時(shí)間的自動分機(jī)狀態(tài)查詢.當(dāng)發(fā)送一次命令后，在800ms內(nèi)沒有收到回復(fù)命令，則軟件將自動重新再發(fā)送一次命令；如果還是沒有回復(fù)，則在用戶界面上提示與該路燈通信出現(xiàn)故障.當(dāng)命令打開路燈時(shí)，電流檢測卻接近零，則在用戶界面上提示該路燈運(yùn)行出現(xiàn)故障.

軟件工作流程：

1）啟動上位機(jī)軟件系統(tǒng)

2）用戶對串口與波特率進(jìn)行一些初始化設(shè)置（或者選擇默認(rèn)設(shè)置）

3）選擇手動查詢或自動查詢模式

4）輸入用戶想查詢的分機(jī)號時(shí)，點(diǎn)擊查詢（當(dāng)選擇自動查詢模式時(shí)，還需設(shè)置輪詢時(shí)間）

5）上位機(jī)發(fā)送命令，并等待接收命令

6）上位機(jī)處理命令，并顯示對應(yīng)的內(nèi)容（若是兩次發(fā)送命令皆無響應(yīng)命令，則界面提示該分機(jī)出現(xiàn)故障）

用戶界面如圖9.

圖9 上位機(jī)軟件用戶界面圖Figure 9 PC software user interface diagram

3.3 轉(zhuǎn)換器，分機(jī)監(jiān)控器軟件設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換器的主要功能為通過RX485實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，先按照Modbus協(xié)議校驗(yàn)CRC，以防止數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤，當(dāng)校驗(yàn)結(jié)束后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娏€上.同時(shí)也將接收來自電力線上的數(shù)據(jù)，校驗(yàn)完畢后，通過RX485傳輸給上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合處理.

分機(jī)監(jiān)控器的主要功能為監(jiān)控路燈的使用狀況，并響應(yīng)主機(jī)的各項(xiàng)命令，同時(shí)執(zhí)行完相應(yīng)命令后，將響應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸給轉(zhuǎn)換機(jī).同時(shí)它也負(fù)責(zé)對當(dāng)前路燈電壓、電流的實(shí)時(shí)測量，以便隨時(shí)響應(yīng)主機(jī)的查詢命令，使主機(jī)能快速了解分機(jī)的運(yùn)行狀態(tài).

轉(zhuǎn)換器和分機(jī)監(jiān)控器接收數(shù)據(jù)均采用中斷接收，即每來一個(gè)數(shù)據(jù)都會產(chǎn)生一次中斷.將數(shù)據(jù)記入在數(shù)組中，采取此種方式能最大程度上保證，接收數(shù)據(jù)的安全性和有效性.

本軟件設(shè)計(jì)采用的是一呼一答的通訊方式，即每個(gè)分機(jī)皆有屬于自己的機(jī)號，每次主機(jī)同時(shí)呼叫所有電力線上的分機(jī)監(jiān)控器，但只有符合呼叫機(jī)號的分機(jī)才會響應(yīng)此次呼叫.數(shù)據(jù)處理后通過電力線將處理的數(shù)據(jù)發(fā)送出去.同時(shí)，分機(jī)也能直接接收來自RX485的數(shù)據(jù)，同樣處理后，通過RX485發(fā)還給上位機(jī).

圖10 轉(zhuǎn)換器軟件流程圖Figure 10 Converter software flow chart

4 試驗(yàn)效果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，本小組制作了一個(gè)轉(zhuǎn)換器與十個(gè)分機(jī)監(jiān)控器，將其安裝在實(shí)際照明道路上，各路燈相差50m左右，以此模擬路燈監(jiān)控環(huán)境.在實(shí)際電網(wǎng)中運(yùn)行一個(gè)星期，在每天的固定時(shí)間內(nèi)，分別發(fā)送查詢與強(qiáng)制開關(guān)命令，通過上位機(jī)軟件的顯示，記錄數(shù)據(jù)響應(yīng)的時(shí)間與成功率.在測試過程中，不定時(shí)的人為關(guān)斷路燈，以此模擬路燈故障，當(dāng)主機(jī)查詢到該路燈時(shí)，上位機(jī)皆能及時(shí)報(bào)警，提示出現(xiàn)故障.下表的數(shù)據(jù)都是在沒有人為造成故障的情況下測得的（接收到的命令指的是，校驗(yàn)正確的反饋數(shù)據(jù)），由表1計(jì)算后可知，平均的通信成功率在96%以上，且每次通信時(shí)間都少于1s，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)能接收的范圍內(nèi).

表7 通信數(shù)據(jù)記錄表Table 7 Data record of the communication

5 結(jié) 語

現(xiàn)在采用的監(jiān)控方法以分散時(shí)控方式為主，即在路燈配電箱中安裝定時(shí)器，按預(yù)定的時(shí)間自行開／關(guān)燈，有些景觀燈開關(guān)通常還是人工手動控制方法.現(xiàn)行的方法既不能及時(shí)調(diào)整開／關(guān)燈的時(shí)間，更無法及時(shí)反映照明設(shè)施的運(yùn)行情況，并且故障率高、維修困難.因此電力線載波技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，將成為社會未來發(fā)展的主要趨勢之一，具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場前景.為了方便大眾，造福社會，新型的PLC遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控系統(tǒng)值得我們進(jìn)行大量的探索和深入的研究.而通過上述內(nèi)容的介紹與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，我們相信電力載波將給人民生活帶來更多的幸福與便捷.

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