核心提示:LonWorks電力線載波技術(shù)非常適用于城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)由三個(gè)部分組成: 路燈智能控制節(jié)點(diǎn)、LonWorks網(wǎng)絡(luò)控制器和路燈監(jiān)控軟件。
關(guān)鍵詞：LonWorks，電力線載波，路燈控制，監(jiān)控系統(tǒng)，智能節(jié)點(diǎn)
一、概述
目前，我國城市路燈系統(tǒng)主要依靠人工管理，需要工作人員定時(shí)開關(guān)燈， 且當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和有效處理。建設(shè)城市路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈的故障情況，減少人力成本，還能大幅降低路燈能耗，為城市節(jié)能降耗作出貢獻(xiàn)。
在路燈監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中，數(shù)據(jù)通信的技術(shù)路線主要有以下三種:
1、現(xiàn)場總線通訊技術(shù)，如RS485、CAN 總線等。此類方案技術(shù)上較為成熟，但是存在系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性不足，且需要布線施工，在改造項(xiàng)目中不易實(shí)施。
2、無線通信方式。包括GPRS、ZigBee 等方案。采用GPRS 通信方式成本太高，一般不會(huì)考慮。目前應(yīng)用較多的是ZigBee通信技術(shù)。ZigBee是一種廉價(jià)的低速無線個(gè)域網(wǎng)，相對于藍(lán)牙通信具有價(jià)格更低、距離更遠(yuǎn)、支持節(jié)點(diǎn)數(shù)目更多等優(yōu)點(diǎn)。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(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)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?fù)浣Y(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(huì)影響通信質(zhì)量。因此ZigBee 技術(shù)應(yīng)用于路燈監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際效果并不理想。
3、電力線通信技術(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(luò)。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(yīng)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(qiáng)，應(yīng)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(jìn)制相移鍵控技術(shù))的抗干擾能力得到很大提高，將會(huì)更加適用于PLC網(wǎng)絡(luò)。
二、路燈監(jiān)控系統(tǒng)原理
為實(shí)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(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1 所示。
圖1 城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)框圖
圖1中，路燈監(jiān)控系統(tǒng)主要包括路燈節(jié)點(diǎn)、i.Lon SmartSever以及在電腦終端運(yùn)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(diǎn)； 每一個(gè)LonWorks控制網(wǎng)相當(dāng)于一個(gè)因特網(wǎng)上的站點(diǎn)，配有一個(gè)IP地址， 通過訪問該IP地址， 實(shí)現(xiàn)對LonWorks控制網(wǎng)的訪問。
i. Lon SmartSever以主從方式管理Lon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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，就可以對LonWorks控制網(wǎng)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。此外，i.LonSmartSever帶有多個(gè)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(gè)路燈節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，顯示每盞路燈的工作狀況和輸出功率，既能手動(dòng)控制每個(gè)燈的光通，也可以根據(jù)一定的算法自動(dòng)調(diào)整路燈照度。
以下情況可以采用自動(dòng)調(diào)光，包括:
● 根據(jù)設(shè)定時(shí)間段調(diào)節(jié)照度， 如在后半夜時(shí)，調(diào)節(jié)到半載功率輸出。
● 根據(jù)天氣情況、不同時(shí)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(jìn)入或離開隧道時(shí)視覺上的不適應(yīng)，單獨(dú)調(diào)節(jié)隧道口的路燈，讓其光通緩變。
● 根據(jù)特殊路段設(shè)定輸出光通。如在某一路段發(fā)生事故時(shí)，輸出最大光通，以便事故處理，同時(shí)提高道路安全。
三、路燈控制器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的路燈節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)框圖如圖2 所示。
圖2 路燈節(jié)點(diǎn)硬件框圖
（一）LonWorks電力線載波通信介紹
1、 硬件設(shè)計(jì)
電力線通信控制電路主要負(fù)責(zé)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(gè)處理器單元和一個(gè)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(dāng)主頻率受到干擾后，自動(dòng)切換到預(yù)備頻率上工作，極大增強(qiáng)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(shí)，PL3120 將發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)計(jì)，使高通耦合電路濾除50Hz市電分量的同時(shí)，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(huì)增大體積，增加損耗，因此在不增大C1的情況下，通過恰當(dāng)設(shè)計(jì)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(qiáng)的接收信號。實(shí)際電路中Lm取1mH，Lk取12μH，電容C1取0. 1 μF，C3取1.5nF，而L2取820μH。
2、軟件設(shè)計(jì)概述
LonWorks系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是通信程序設(shè)計(jì)采用Neuron C語言。Neuron C在標(biāo)準(zhǔn)C的基礎(chǔ)上，提供了大量的硬件接口函數(shù)，只需調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)就可以使用該硬件資源；而且，節(jié)點(diǎn)間的通信通過網(wǎng)絡(luò)變量的綁定來實(shí)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(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示，系統(tǒng)定義了一個(gè)輸入網(wǎng)絡(luò)變量(i.Lon SmartSever對節(jié)點(diǎn)的控制命令)和一個(gè)輸出網(wǎng)絡(luò)變量(節(jié)點(diǎn)對i.Lon SmartSever 的返回?cái)?shù)據(jù))，并與i.Lon SmartSever上相應(yīng)的輸出、輸入網(wǎng)絡(luò)變量綁定。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，改變本地輸出網(wǎng)絡(luò)變量，與之綁定的輸入網(wǎng)絡(luò)變量的值就會(huì)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。
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