基于電力線載波的智能照明單燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

奚培鋒,　張　偉

[上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海　200063]

?

基于電力線載波的智能照明單燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

奚培鋒,張偉

[上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海200063]

設(shè)計(jì)了基于電力線載波技術(shù)的智能照明單燈控制系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)的總體方案和架構(gòu),詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件電路模塊和軟件設(shè)計(jì)。提出智能照明單燈控制系統(tǒng)通過(guò)源路由中繼算法和獨(dú)特的組網(wǎng)通信控制協(xié)議,實(shí)現(xiàn)單燈的實(shí)時(shí)監(jiān)控、能耗計(jì)量、診斷評(píng)估和綜合調(diào)度等功能,且達(dá)到良好的節(jié)能效果,有效降低維護(hù)成本。

智能照明; 電力線載波; 源路由; 自適應(yīng)控制

0　引　言

目前,智能照明系統(tǒng)一般都基于電力線載波(Power Line Carrier,PLC),通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸通信[1-2],具有通信距離遠(yuǎn)、可靠性高、輻射干擾較低等優(yōu)點(diǎn),更無(wú)需重新鋪設(shè)線路,利用原有的電力線就可以實(shí)現(xiàn)照明的智能管理,大大降低通信系統(tǒng)的成本。

本文設(shè)計(jì)了基于PLC技術(shù)的智能照明單燈控制系統(tǒng),通過(guò)源路由中繼算法和獨(dú)特的組網(wǎng)通信控制協(xié)議,在實(shí)現(xiàn)單燈狀態(tài)監(jiān)控的同時(shí)達(dá)到良好的節(jié)能效果,并有效降低維護(hù)成本,是構(gòu)建綠色智慧城市的有效手段[3]。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)架構(gòu)

基于PLC的智能照明單燈控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

該智能照明單燈控制系統(tǒng)以PLC集中器、單燈終端模塊為現(xiàn)場(chǎng)控制核心,并結(jié)合遠(yuǎn)程智能照明綜合管理平臺(tái)、智能感知傳感的綜合型架構(gòu)應(yīng)用模式,從而滿(mǎn)足道路交通、工廠園區(qū)和公共建筑等不同應(yīng)用場(chǎng)合下對(duì)精細(xì)到單燈智能照明的各類(lèi)控制管理需求[4-5]。基于PLC的智能照明單燈控制系統(tǒng)整體劃分為三層:

(1) 現(xiàn)場(chǎng)控制層,由單燈終端模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)照明區(qū)域內(nèi)每個(gè)單燈節(jié)點(diǎn)的管理,主要包括開(kāi)/關(guān)、0～100%無(wú)極調(diào)光、能耗電流/電壓等電量參數(shù)采集與上報(bào)等。單燈終端模塊通過(guò)PLC技術(shù)與PLC集中器通信和交互。PLC集中器對(duì)區(qū)域管轄的所有單燈終端模塊進(jìn)行管控和輪詢(xún),作為區(qū)域控制核心和橋梁,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)管理平臺(tái)與終端單燈的交互。

(2) 通信傳輸層,負(fù)責(zé)各分區(qū)域照明現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程系統(tǒng)管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互通信,主要基于有線光纖工業(yè)以太網(wǎng)或無(wú)線GPRS/3G/4G,實(shí)現(xiàn)各種情況下的數(shù)據(jù)交互。

圖1　基于PLC智能照明單燈控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

(3) 系統(tǒng)管理層,負(fù)責(zé)整體照明系統(tǒng)的管理調(diào)度,主要由監(jiān)控平臺(tái)、綜合型數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信設(shè)備、顯示輸出設(shè)備、報(bào)警設(shè)備等組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)精細(xì)到單燈的監(jiān)控管理,并對(duì)實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲(chǔ)等。

1.2系統(tǒng)組成

1.2.1智能管理平臺(tái)

整體系統(tǒng)為典型的B/S架構(gòu),可通過(guò)移動(dòng)終端設(shè)備安裝的APP訪問(wèn)遠(yuǎn)程管理中心服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)對(duì)終端照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理[6],并可通過(guò)綜合型服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)各區(qū)域數(shù)據(jù)共享。

1.2.2PLC集中器

PLC集中器通過(guò)Modbus通信有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)對(duì)本地照明燈具的集中管理,包含Modbus通信、三相載波通信、固件更新等功能模塊,通過(guò)源路由多級(jí)中繼方式實(shí)現(xiàn)與本地三相電力網(wǎng)絡(luò)上所有單燈終端模塊的交互通信。根據(jù)存儲(chǔ)的路由信息,通過(guò)主備用中繼自適應(yīng)、超時(shí)重發(fā)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息反饋和單廣波數(shù)據(jù)幀相結(jié)合的方式,快速實(shí)現(xiàn)對(duì)本地三相電力線照明系統(tǒng)的組網(wǎng)。

1.2.3單燈終端模塊設(shè)計(jì)

單燈終端模塊作為智能照明系統(tǒng)重要的終端監(jiān)控設(shè)備,包含電量采集、調(diào)光驅(qū)動(dòng)、載波通信、固件更新、繼電驅(qū)動(dòng)等功能模塊。除具備單燈繼電開(kāi)關(guān)、脈寬調(diào)制或調(diào)光調(diào)節(jié)、能耗計(jì)量等綜合功能,該單燈終端模塊通過(guò)源路由加備用中繼節(jié)點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)了PLC系統(tǒng)中繼組網(wǎng),并實(shí)時(shí)采集輸出驅(qū)動(dòng)電源的電流和電壓數(shù)據(jù)異常變化,實(shí)現(xiàn)單燈物理?yè)p耗狀態(tài)報(bào)警和過(guò)載保護(hù)等功能。

2　現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1主電路功能設(shè)計(jì)

電力線載波集中器的核心MCU選用芯片STM32f100RC,三相載波芯片通過(guò)相互獨(dú)立的UART口與MCU通信,集中器作為Modbus從站通過(guò)RS-485模塊與智能管理平臺(tái)交互。電源處理部分,設(shè)計(jì)由電力線(220 V)通過(guò)變壓和橋式整流輸出12 V直流穩(wěn)壓電源,并采用LM7805和LM1117三端穩(wěn)壓芯片,為MCU和PLC芯片實(shí)現(xiàn)5.0 V、3.3 V的供電。集中器設(shè)計(jì)了電源、三相載波通信狀態(tài)和Modbus通信狀態(tài)的指示燈,作為直觀的運(yùn)行監(jiān)測(cè)。

PLC集中器硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2　PLC集中器硬件架構(gòu)

單燈終端模塊的核心MCU選用芯片STM8l151c8。電量采集模塊實(shí)時(shí)采集燈具的用電情況并存儲(chǔ),包括電壓、電流、有功功率和累計(jì)電度等電量數(shù)據(jù),并通過(guò)分析得出單燈和模塊的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。在收到集中器的輪詢(xún)命令后,將這些電量和狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳。集中器通過(guò)分析采集上來(lái)的信息,可以得到每一盞燈的能耗數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)。

調(diào)光模塊實(shí)現(xiàn)照明單燈的調(diào)光控制,提供了兩種調(diào)光方式,可通過(guò)改變脈沖占空比PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)照度的調(diào)節(jié),也可通過(guò)輸出模擬電壓0～10 V的D/A調(diào)光,具體定制使用時(shí)可任選其中一種。

單燈終端模塊硬件架構(gòu)如圖3所示。

2.2PLC收發(fā)濾波電路設(shè)計(jì)

PLC收發(fā)濾波電路由共模抑制部分、PLC隔離濾波部分組成,一方面通過(guò)耦合、信號(hào)放大和調(diào)制解調(diào)等,實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波段的載波信號(hào)的穩(wěn)定發(fā)送和接收;另一方面通過(guò)共模抑制、交流電信號(hào)的濾波隔離實(shí)現(xiàn)單燈終端模塊電源的供給。

PLC收發(fā)濾波電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3　單燈終端模塊硬件架構(gòu)

圖4　PLC收發(fā)濾波電路設(shè)計(jì)

2.3復(fù)合調(diào)光電路設(shè)計(jì)

復(fù)合調(diào)光電路提供了兩種調(diào)光方式,可通過(guò)改變脈沖占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具亮度調(diào)節(jié)的PWM調(diào)光,也可通過(guò)輸出模擬電壓0～10 V的D/A調(diào)光,具體定制時(shí)只能選擇其中的任意一種,實(shí)現(xiàn)LED、高壓鈉燈等主流照明燈具的無(wú)極調(diào)光。

復(fù)合調(diào)光電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.4電能計(jì)量監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

電能計(jì)量監(jiān)測(cè)電路對(duì)終端照明燈具實(shí)時(shí)采集用電情況并存儲(chǔ),包括電流、電壓、有功功率和電度的精確計(jì)量技術(shù),在收到集中器的輪詢(xún)命令后,將這些電量數(shù)據(jù)上傳。而集中器通過(guò)分析采集上傳的電量參數(shù),可以得到具體到每一盞燈的能耗數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)。

電能計(jì)量監(jiān)測(cè)電路如圖6所示。

3　整體系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1源路由中繼路由算法

現(xiàn)場(chǎng)控制層采用高效、穩(wěn)定的主從式靜態(tài)源路由中繼組網(wǎng)算法,實(shí)現(xiàn)照明終端網(wǎng)絡(luò)最大4級(jí)中繼通信組網(wǎng),并采用主中繼和備用中繼自適應(yīng)動(dòng)態(tài)更改路由。通過(guò)該算法,實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)最多240個(gè)單燈終端模塊的高效穩(wěn)定組網(wǎng)和通信。

該源路由中繼組網(wǎng)算法實(shí)現(xiàn)區(qū)域PLC集中器和一定規(guī)模單燈終端模塊的組網(wǎng),再配備上位機(jī)監(jiān)控管理平臺(tái),從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)到單燈的實(shí)時(shí)監(jiān)控、能耗計(jì)量、診斷評(píng)估和綜合調(diào)度等重要功能。其核心設(shè)計(jì)如下:

(1) 根據(jù)三相電力線網(wǎng)絡(luò)單燈終端模塊的組網(wǎng)規(guī)模和分布情況,形成多級(jí)主中繼和備用中繼源路由中繼組網(wǎng)信息,以及每個(gè)單燈終端模塊的路由路徑,將全部路由中繼信息下發(fā)存儲(chǔ)到PLC集中器中。

(2) 集中器根據(jù)存儲(chǔ)的路由中繼信息,通過(guò)廣播報(bào)文方式分別對(duì)三相網(wǎng)絡(luò)中多級(jí)主備用中繼單燈終端模塊進(jìn)行中繼信息配置。集中器首先廣播配置信息,一級(jí)中繼和備用中繼獲取配置信息后,再進(jìn)行中繼廣播,從而由近及遠(yuǎn)依次直到最遠(yuǎn)主備用中繼。

圖6　電能計(jì)量監(jiān)測(cè)電路

(3) 當(dāng)最遠(yuǎn)主備用中繼被配置成功后,依據(jù)配置的中繼路由信息主動(dòng)單播反饋,也依次由近及遠(yuǎn)通過(guò)多級(jí)主中繼或備用中繼單燈終端模塊中繼,直到PLC集中器,以確認(rèn)配置組網(wǎng)成功。

(4) 在多級(jí)反饋中繼過(guò)程中,采用超時(shí)重發(fā)機(jī)制,依據(jù)此功能上一級(jí)中繼可動(dòng)態(tài)識(shí)別下一級(jí)主中繼或備用中繼是否正常,從而自適應(yīng)尋找最佳路由路徑。

源路由組網(wǎng)通信示意如圖7所示。

圖7　源路由組網(wǎng)通信示意

3.2組網(wǎng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

組網(wǎng)通信協(xié)議種類(lèi)分廣播報(bào)文和單播報(bào)文。

(1) 廣播報(bào)文用于三相中繼備用表發(fā)送、三相全開(kāi)/全關(guān)/全調(diào)光。廣播報(bào)文首先由PLC集中器發(fā)送,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)中繼單燈終端模塊接收成功后,替換源地址再次廣播發(fā)送,下一個(gè)中繼單燈終端模塊接收成功并判斷出是前一中繼單燈終端模塊發(fā)送,再次替換源地址廣播發(fā)送,以此方式直到最后一個(gè)中繼單燈終端模塊。為保證廣播的可靠性,當(dāng)最后一個(gè)中繼單燈終端模塊收到廣播消息后,需反饋單播報(bào)文到集中器。

(2) 單播報(bào)文用于三相單燈開(kāi)關(guān)調(diào)光、三相單燈電流電壓有功功率異常采集、三相單燈電度采集。

單播報(bào)文首先由PLC集中器發(fā)送,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)中繼單燈終端模塊接收成功后,立即回復(fù)短報(bào)文,告知接收成功,如果集中器在超時(shí)后仍未接收到該回復(fù),則再重發(fā)一次。立即回復(fù)后該中繼單燈終端模塊替換下一跳地址和轉(zhuǎn)發(fā)源地址再次單播轉(zhuǎn)發(fā),以此方式直到最后目的單燈終端模塊。為保證單播的可靠性,當(dāng)目的從站收到單播消息后,先執(zhí)行命令,再反饋單播報(bào)文到PLC集中器。

4　結(jié)　語(yǔ)

設(shè)計(jì)的電力線載波集中器通過(guò)組網(wǎng)單燈終端模塊,響應(yīng)遠(yuǎn)程管理層交互信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)本地區(qū)域照明燈具的開(kāi)關(guān)調(diào)光、運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、能耗計(jì)量等集中監(jiān)控管理,有效形成可滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)各種照明應(yīng)用場(chǎng)合的現(xiàn)場(chǎng)控制層,再配備相應(yīng)的本地管理平臺(tái)和遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)控終端,共同構(gòu)架城市級(jí)智能照明綜合管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)精細(xì)到單燈的實(shí)時(shí)監(jiān)控、能耗計(jì)量、診斷評(píng)估和綜合調(diào)度等重要功能。

[1]張克明.基于ARM與電力線載波技術(shù)的廣場(chǎng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010(17):125-127.

[2]李健,蔣全勝,任靈芝.智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2010,23(6):110-112.

[3]榮晶.基于PLC的智能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012(24):159-164.

[4]符常友,藍(lán)集明.基于PL3201的低壓電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,24(6):659-661.

[5]賀一鳴,王崇貴,劉進(jìn)宇.智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010(1):207-210.

[6]錢(qián)宏.一種多功能智能路燈控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[J].數(shù)控技術(shù),2013(5):15-16.

Design of Single Smart-lighting Control System Based on PLC Technology

XI Peifeng,ZHANG Wei

[Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group) Co.,Ltd., Shanghai 200063, China]

A single smart-lighting control system was proposed based on power line carrier(PLC) technology.The overall scheme and architecture of system were introduced,and the designs of hardware circuit modules and software were elaborated in detail.It is pointed out that through the relay algorithm of source routing and unique network communication control protocol,the single smart-lighting control system realizes the functions of real-time monitoring,energy metering,diagnostic assessment and integrated dispatching,which obtains a good energy-saving effect and effectively reduces the maintenance costs.

smart lighting; power line carrier(PLC); source router; adaptive control

奚培鋒(1981—),男,高級(jí)工程師,從事智能電網(wǎng)用戶(hù)端系統(tǒng)方面的工作。

TU 88

B

1674-8417(2016)07-0057-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.07.015

2016-03-10

張偉(1984—),男,工程師,從事智能照明控制系統(tǒng)及應(yīng)用方面的工作。