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[導讀] 摘要: 當前路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用的通信技術(shù)多種多樣,本文分析了各種通信技術(shù)方案的特點,闡述了LonWorks 控制網(wǎng)技術(shù)應用于路燈監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點,并設計了完整的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由三個部分組成: 路燈節(jié)點、i. LonSmar

     摘要: 當前路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用的通信技術(shù)多種多樣,本文分析了各種通信技術(shù)方案的特點,闡述了LonWorks 控制網(wǎng)技術(shù)應用于路燈監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點,并設計了完整的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由三個部分組成: 路燈節(jié)點、i. LonSmartSever ( 電力線網(wǎng)絡管理器) 和路燈監(jiān)控軟件,本文重點闡述了路燈節(jié)點的設計。經(jīng)模擬現(xiàn)場測試,監(jiān)控系統(tǒng)不僅實現(xiàn)對每個路燈節(jié)點的實時監(jiān)控,而且節(jié)省了路燈能耗。

  引言

  目前,我國的路燈系統(tǒng)主要依靠人工管理,需要工作人員定時開關(guān)燈; 且當路燈出現(xiàn)故障時,不能及時發(fā)現(xiàn)和有效處理。如果采用路燈智能監(jiān)控系統(tǒng),不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)路燈的故障情況,減少大量的人力,還能節(jié)省路燈能耗,對城市的節(jié)能改造作出巨大貢獻。

  在路燈監(jiān)控系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)通信的方案主要有三種:

  第一種方案采用總線通訊技術(shù), 如RS485、CAN 總線等。該方案技術(shù)上最成熟,但是需要額外布線,對于改造路段實施起來難度較大。

  第二種方案通過無線通信方式, 包括GPRS、藍牙、ZigBee 等方案。采用GPRS 通信方式成本太高,一般不會考慮。目前最適合的是ZigBee 通信技術(shù),ZigBee 是一種廉價的低速無線個域網(wǎng),相對于藍牙通信具有價格更低、距離更遠、支持節(jié)點數(shù)目更多等優(yōu)點。ZigBee 適合于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)系統(tǒng), 采用DSSS /O-QPSK 調(diào)制,能夠有效克服無線傳輸中的多徑干擾問題,傳輸可靠性高; 但路燈網(wǎng)絡中的所有節(jié)點分布在一條直線上,延伸至幾公里甚至幾十公里,并不是ZigBee 理想的拓撲結(jié)構(gòu)。而且無線方式對環(huán)境的依賴性較大,在天氣惡劣的情況下會影響通信質(zhì)量。因此ZigBee 技術(shù)應用于路燈監(jiān)控系統(tǒng)的實際效果尚需驗證。

  第三種方案采用電力線通信( PLC,Power LineCommunication) 技術(shù), 該方案以電力線為通信介質(zhì),減少了布線成本,而且對外部環(huán)境的依賴性較小,可靠性更高,與前兩種方案相比更加適用于路燈監(jiān)控網(wǎng)絡。電力線通信分窄帶調(diào)制方式和寬帶調(diào)制方式。由于路燈監(jiān)控系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少,因而對傳輸速率的要求不高,窄帶PLC 技術(shù)就可以滿足通信要求; 而寬帶PLC 技術(shù)則主要應用于大流量數(shù)據(jù)( 如多媒體數(shù)據(jù)等) 的高速傳輸,而且由于寬帶通信所占用的帶寬很寬,很容易超出CENELEC規(guī)范所規(guī)定的頻率范圍,所以在監(jiān)控系統(tǒng)中一般不采用。早期的窄帶電力線通信一般采用簡單的模擬調(diào)制技術(shù),其抗干擾能力不強,應用范圍有限。但是隨著信號檢測技術(shù)和DSP 技術(shù)的發(fā)展完善,窄帶通信如BPSK ( 二進制相移鍵控技術(shù)) 的抗干擾能力得到很大提高,將會更加適用于PLC 網(wǎng)絡。

  綜上分析,本文選擇電力線窄帶BPSK 通信方式作為監(jiān)控系統(tǒng)的通信方案,并根據(jù)路燈系統(tǒng)的特點,提出了可行的系統(tǒng)結(jié)構(gòu); 隨后,本文描述了系統(tǒng)中各個組成部分的設計思路,并詳細設計了路燈節(jié)點。

  1 系統(tǒng)概述

  為實現(xiàn)路燈的優(yōu)化管理,路燈監(jiān)控系統(tǒng)需要收集每盞路燈的狀態(tài)和環(huán)境信息,匯集到電腦終端,集中優(yōu)化處理后,控制每一盞路燈的輸出光通。整個系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖如圖1 所示。



圖1 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖

  圖1 中,路燈監(jiān)控系統(tǒng)主要包括路燈節(jié)點、i.Lon SmartSever ( 電力線網(wǎng)絡管理器) 以及在電腦終端運行的路燈監(jiān)控軟件。路燈監(jiān)控軟件通過因特網(wǎng)控制LonWorks 控制網(wǎng)中的所有路燈節(jié)點; 每一個LonWorks 控制網(wǎng)相當于一個因特網(wǎng)上的站點,配有一個IP 地址, 通過訪問該IP 地址, 實現(xiàn)對LonWorks 控制網(wǎng)的訪問。

  i. Lon SmartSever 以主從方式管理LonWorks 控制網(wǎng),并能通過Ethernet 接口或GPRS 通信模塊以撥號方式接入因特網(wǎng)。這樣, 控制中心通過與i.Lon SmartSever 進行數(shù)據(jù)交換, 就可以對LonWorks控制網(wǎng)上的每個節(jié)點進行監(jiān)控。此外, i. LonSmartSever 帶有多個I /O 端口,用于收集道路的環(huán)境信息( 照度、濕度等) ,作為調(diào)光依據(jù)。

  在監(jiān)控中心,路燈監(jiān)控軟件不斷巡查各個路燈節(jié)點的狀態(tài),顯示每盞路燈的工作狀況和輸出功率,既能手動控制每個燈的光通,也可以根據(jù)一定的算法自動調(diào)整路燈照度。

  以下情況可以采用自動調(diào)光,包括:

  ● 根據(jù)設定時間段調(diào)節(jié)照度, 如在后半夜時,調(diào)節(jié)到半載功率輸出。

  ● 根據(jù)天氣情況、不同時期的日照情況開、關(guān)燈或調(diào)節(jié)輸出光通。

  ● 根據(jù)特殊照明情況調(diào)節(jié)輸出光通。如城市隧道照明場合,為了避免進入或離開隧道時視覺上的不適應,單獨調(diào)節(jié)隧道口的路燈,讓其光通緩變。

  ● 根據(jù)特殊路段設定輸出光通。如在某一路段發(fā)生事故時,輸出最大光通,以便事故處理,同時提高道路安全。

  2 路燈節(jié)點設計

  本系統(tǒng)設計的路燈節(jié)點包括電力線通信部分、智能電子鎮(zhèn)流器部分和高壓鈉燈部分,電力線通信部分和智能電子鎮(zhèn)流器部分通過I2C 接*換數(shù)據(jù)。其硬件電路實現(xiàn)框圖如圖2 所示。



圖2 路燈節(jié)點硬件框圖

  2. 1 電力線通信

  2. 1. 1 硬件設計

  電力線通信控制電路主要負責數(shù)據(jù)在電力線上的可靠傳輸,其主芯片采用Echelon 公司的PL3120,PL3120 是專用于電力線系統(tǒng)的神經(jīng)元芯片,內(nèi)部集成有三個處理器單元和一個電力線收發(fā)器。電力線收發(fā)器采用窄帶BPSK 調(diào)制,且具有雙載波頻率,當主頻率受到干擾后,自動切換到預備頻率上工作,極大增強了系統(tǒng)抗干擾能力。

  如圖3 所示,電力線通信控制電路包括高通耦合電路、功率放大濾波電路和PL3120 及其外圍電路; 高通耦合電路提取市電線路中的高頻信號,經(jīng)帶通濾波電路濾波后傳輸給PL3120,解調(diào)后得到通信數(shù)據(jù)。同時, PL3120 將發(fā)送數(shù)據(jù)進行BPSK 調(diào)制,功率放大后耦合到電網(wǎng)上。PL3120 通過TXSENSE 引腳采樣功率放大電路的輸出電壓,得到的值用來調(diào)整TXBIAS 引腳上的電流,從而控制發(fā)送功率。


圖3 電力線通信控制電路

  為保證電力線通信電路的可靠工作,必須對高通耦合電路做優(yōu)化設計,使高通耦合電路濾除50Hz市電分量的同時,具有較大的輸入阻抗和較小的輸出阻抗,減小信號的衰減。圖3 中,電容C1、C2和變壓器T1組成發(fā)送通路,變壓器變比為1 :1,起到隔離作用; 要減小發(fā)送通路的交流輸出阻抗,需要選擇較大的C1、C2。C2為隔直電容,可以取得大些; 但是C1直接接在電力線上,增大容值會增大體積,增加損耗,因此在不增大C1的情況下,通過恰當設計變壓器的漏感Lk,與電容C1在載波頻率段產(chǎn)生諧振, 減小輸出阻抗。在輸入通路中,C1和Lm濾除了50Hz 市電分量,而高頻信號分量通過C3和L2的諧振電路,將接收信號放大,得到較強的接收信號。實際電路中Lm取1 mH,Lk取12 μH,電容C1取0. 1 μF,C3取1. 5nF,而L2取820μH。

  2. 1. 2 軟件設計

  LonWorks 系統(tǒng)的最大優(yōu)點是通信程序設計采用Neuron C 語言。Neuron C 在標準C 的基礎上,提供了大量的硬件接口函數(shù),只需調(diào)用相應的函數(shù)就可以使用該硬件資源; 而且,節(jié)點間的通信通過網(wǎng)絡變量的綁定來實現(xiàn),而通信過程完全由底層協(xié)議完成,方便了程序的開發(fā)。

  電力線通信軟件實現(xiàn)框圖如圖4 所示,系統(tǒng)定義了一個輸入網(wǎng)絡變量( i. Lon SmartSever 對節(jié)點的控制命令) 和一個輸出網(wǎng)絡變量( 節(jié)點對i. LonSmartSever 的返回數(shù)據(jù)), 并與i. Lon SmartSever上相應的輸出、輸入網(wǎng)絡變量綁定。發(fā)送數(shù)據(jù)時,改變本地輸出網(wǎng)絡變量,與之綁定的輸入網(wǎng)絡變量的值就會隨之改變,而數(shù)據(jù)的傳輸過程則完全由底層協(xié)議完成,極大簡化了程序的開發(fā)過程。



圖4 電力線通信軟件實現(xiàn)框圖

  2. 2 電子鎮(zhèn)流器

  如圖2 所示,路燈節(jié)點中的電子鎮(zhèn)流器部分采用普通的兩級拓撲結(jié)構(gòu),前級PFC 電路加后級半橋逆變和諧振觸發(fā)電路, 并且通過中央處理器電路、采樣電路和調(diào)光電路收集鎮(zhèn)流器的狀態(tài)信息,并根據(jù)命令調(diào)光。

  電子鎮(zhèn)流器有多種調(diào)光方式,調(diào)頻調(diào)光、調(diào)母線電壓調(diào)光、調(diào)占空比調(diào)光等。在大功率高壓鈉燈中,由于聲諧振的頻率點較少,所以選用比較簡單的調(diào)頻方式。

  以下分析頻率變化對輸出功率的影響。圖5 為電子鎮(zhèn)流器的諧振電路,為了減小波峰因子,工作頻率通常選在諧振頻率的4 ~ 6 倍,不考慮高次諧波通過LC 濾波后的分量,僅對該諧振電路進行基波分析。


圖5 諧振電路

  基波分量表達式:

其中: Vbus為PFC 電路輸出母線電壓; Rlamp為穩(wěn)定工作時燈的等效電阻;輸出電壓:


 

  其中:



 


  根據(jù)式(1)、(2) 可得輸出功率:



  當f > f0,隨著f 的增大,P0減小( 為了使開關(guān)管工作于軟開通狀態(tài),工作頻率一般會選擇比f0大)。

  調(diào)頻調(diào)光電路如圖6 所示。ATMega8 的PB2 管腳( 計數(shù)器比較輸出管腳) 輸出PWM 波,通過光耦,濾除高頻分量后,得到基準電壓Vref; 改變Vref,A 點電位改變,4 腳的輸出電流就改變,工作頻率隨之變化( L6574 的4 腳為恒定2V 電壓,通過改變4腳的輸出電流值改變頻率) ; 由式5 可知, 諧振電路的頻率改變, 輸出功率也隨之變化。所以改變ATMega8 輸出的PWM 的占空比, 就可以改變燈輸出功率,且占空比越大,輸出功率越低。


圖6 調(diào)頻調(diào)光電路

  經(jīng)過實驗測量,得到輸入功率—頻率變化曲線圖如圖7。由于輸入功率比較容易測量,所以用輸入功率的變化來近似表示輸出功率的變化。

  如圖7 所示,滿載時,工作頻率為43 kHz,輸入功率為273W; 隨著頻率增加, 輸入功率近似線性減小, 當頻率達到60kHz 時, 輸入功率約為100W。在很多路燈應用場合,調(diào)節(jié)至半載功率已經(jīng)足夠; 而且高壓鈉燈在38 kHz ~ 100 kHz 頻率范圍內(nèi),為聲諧振的安全區(qū),可以實現(xiàn)安全調(diào)光。


圖7 功率—頻率曲線圖

  3 實驗結(jié)果

  通過模擬現(xiàn)場情況,在1000 米的電力線上均勻掛上20 個路燈節(jié)點。實驗結(jié)果表明,各個路燈節(jié)點能夠可靠的完成上位機發(fā)出的指令,實現(xiàn)單點調(diào)光、多點調(diào)光和定時調(diào)光等,并且能夠準確收集自身的狀態(tài)信息,顯示到電腦上。同時,i. Lon SmartSever在沒有上位機操作的情況下,可以通過特定的算法對各個路燈節(jié)點的輸出光通進行調(diào)節(jié), 達到預期效果。

  4 結(jié)束語

  隨著新的城市節(jié)能減排的要求的提出,道路照明系統(tǒng)的優(yōu)化管理也越來越受到關(guān)注,本文提出的基于LonWorks 控制網(wǎng)的路燈監(jiān)控系統(tǒng), 選擇LonWorks 技術(shù)作為路燈監(jiān)控系統(tǒng)控制平臺,實現(xiàn)了電腦終端對各個路燈節(jié)點的實時監(jiān)控; 并且能夠依據(jù)路燈所處的具體環(huán)境調(diào)節(jié)輸出光通,不但減少了大量的人力、物力和財力,而且實現(xiàn)了更加有效的照明。

  本系統(tǒng)還可以方便地應用到其他類型的路燈照明系統(tǒng)中。隨著以LED 為主的第四代光源日趨成熟,很多路燈系統(tǒng)都已經(jīng)采用了LED 燈,而該系統(tǒng)只需將高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器換成帶數(shù)字接口的LED驅(qū)動器就可以正常工作,同時監(jiān)控高壓鈉燈和LED燈節(jié)點。


 

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