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)由三個部分組成: 路燈智能控制節(jié)點、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
一、概述
目前,我國城市路燈系統(tǒng)主要依靠人工管理,需要工作人員定時開關(guān)燈, 且當路燈出現(xiàn)故障時,難以及時發(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。
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,在改造項目中不易實施。
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,一般不會考慮。目前應(yīng)用較多的是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(luò)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(yīng)用于路燈監(jiān)控系統(tǒng)的實際效果并不理想。
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,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(luò)。
二、路燈監(jiān)控系統(tǒng)原理
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 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、i.Lon SmartSever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(shè)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(yīng),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(shè)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。
三、路燈控制器節(jié)點設(shè)計原理
本系統(tǒng)設(shè)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
(一)LonWorks電力線載波通信介紹
1、 硬件設(shè)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(yù)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(shè)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(shè)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)計概述
LonWorks系統(tǒng)的最大優(yōu)點是通信程序設(shè)計采用Neuron C語言。Neuron C在標準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)點間的通信通過網(wǎng)絡(luò)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(luò)變量(i.Lon SmartSever對節(jié)點的控制命令)和一個輸出網(wǎng)絡(luò)變量(節(jié)點對i.Lon SmartSever 的返回數(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,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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