引言
在現(xiàn)代社會中，城市路燈設施的功能不僅僅以道路照明為主，同時起到了改善環(huán)境質(zhì)量、促進經(jīng)濟繁榮、美化城市形象的作用，同時，由于大量的能源消耗和由此引起的能源短缺已使得照明節(jié)能成為一項十分迫切的任務，對城市路燈的監(jiān)控與管理需要一種更加穩(wěn)定、合理、有效的方法，同時對于路燈的故障監(jiān)測、節(jié)能環(huán)保等功能也提出了較高的要求。因此，對路燈的運行狀況進行實時遠程監(jiān)控變得非常的重要。當前，城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)常采用的傳統(tǒng)控制方法包括光敏控制、定時器控制等，不僅不利于照明節(jié)電，而且對路燈故障檢測、照明耗電等難以監(jiān)控管理。故有必要進行照明用電控制方式的革新，采用先進的數(shù)字化、網(wǎng)絡化的控制方式可以從根本上杜絕無謂的浪費，而且可以規(guī)范照明用電的管理。利用現(xiàn)有的220V低壓電力線網(wǎng)，通過電力線載波通信技術(shù)可以實現(xiàn)遠程控制每盞路燈，調(diào)節(jié)光照強度，檢測路燈的工作狀態(tài)，還可以識別路燈故障。
系統(tǒng)工作原理
該控制系統(tǒng)主要分為主機和終端2個部分，主機部分由計算機、單片機系統(tǒng)和電力線載波模塊組成。主機安裝在路燈監(jiān)控室內(nèi)，作為控制系統(tǒng)的中心，在整個控制過程中起到關(guān)鍵作用，負責收集、分析終端數(shù)據(jù)。主機接收終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，包括終端地址、指令代碼、數(shù)據(jù)、效驗碼等，然后效驗收到的數(shù)據(jù)，如果效驗正確則顯示并執(zhí)行相應的操作。終端由載波通信模塊和一些外圍電路組成，設置在被控路燈中，根據(jù)接收到的信號對路燈進行相應的操作，并負責數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，通過對路燈線路電壓、電流的處理和分析，判斷路燈的工作狀態(tài)是否正常，如果出現(xiàn)異常情況，就執(zhí)行相應的操作，并把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)硬件設計
載波通信模塊
載波通信模塊的功能是實現(xiàn)低壓電力線上各個節(jié)點間的通信，該模塊由STC89C52單片機和KQ-130F+電力線載波模塊組成，載波通信模塊的電路圖如圖2所示。
圖2 載波通信模塊
電力載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊是四川科強電子公司專門為在220V交流電帶來的強干擾、強衰減、遠距離要求的環(huán)境下進行可靠的傳送數(shù)據(jù)而特別設計和開發(fā)的性價比很高的載波模塊。該模塊工作頻率在120KHz～135KHz，帶寬≤10KHZ，接口波特率9600bps，具有一個起始位、8個數(shù)據(jù)位、無奇偶效驗位、一個停止位，其中AC端為信號發(fā)送接收端，直接接在220V低壓電力線上，+12V為發(fā)送電源，+5V為該模塊內(nèi)部電路的工作電源，MODE為模式選擇端，GND為數(shù)字電路地線，RX是載波數(shù)據(jù)接收端，TX是載波數(shù)據(jù)發(fā)送端，KQ-130F+與單片機采用串行異步通信的方式，單片機將上位機發(fā)來的指令經(jīng)過處理后由串口發(fā)送給KQ-130F+載波模塊，該模塊將調(diào)制的信號加載到電力線上，在另一端同樣利用載波通信模塊從電力線上接收數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了利用電力線做介質(zhì)進行數(shù)據(jù)通信的目的。
主機
主機作為系統(tǒng)的控制核心，不但要發(fā)送控制命令，還要監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，在監(jiān)控中心內(nèi)使用一臺計算機可以實時監(jiān)控和管理路燈的運行狀態(tài)。主機由計算機和載波通信模塊組成，照明控制系統(tǒng)的主機結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 照明控制系統(tǒng)的主機結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)中計算機與單片機通過模擬串口進行通信，由于STC89C52單片機只有一個全雙工異步串行口，已經(jīng)被KQ-130F+載波模塊占用，所以使用P3.2和P3.3作為單片機接收端和發(fā)送端與計算機進行模擬串口通信。一方面將指令發(fā)送給載波通信模塊以實現(xiàn)控制路燈開關(guān)和亮度，另一方面單片機將接收到的路燈信號發(fā)送給計算機便可實時監(jiān)控路燈運行狀態(tài)，達到遠程智能監(jiān)控路燈的目的。計算機使用北京亞控科技公司開發(fā)的組態(tài)王監(jiān)控軟件，對該系統(tǒng)進行實時監(jiān)控和管理。組態(tài)王kingview6.55是一種新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，是亞控科技根據(jù)當前的自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢，面向低端自動化市場及應用，以實現(xiàn)企業(yè)一體化為目標開發(fā)的一套產(chǎn)品。組態(tài)王中提供了modbus通信協(xié)議，使用該協(xié)議可以方便快速地實現(xiàn)組態(tài)王與單片機的數(shù)據(jù)交換。
終端
終端控制器由載波通信模塊、傳感器、開關(guān)模塊等組成。每一個路燈就是一個終端，對應一個固定的地址，終端的載波通信模塊接收到載波信號后，讀出信號中的地址，如果對應地址正確則執(zhí)行響應的指令，對路燈進行開關(guān)控制。傳感器將采集到的路燈電壓、電流等參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給單片機，再由單片機對數(shù)據(jù)進行處理分析，判斷路燈的工作狀態(tài)，如果出現(xiàn)異常情況，就執(zhí)行相應的操作，通過載波模塊把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。主機便可實時監(jiān)控每一個路燈的運行狀態(tài)，實現(xiàn)遠程的路燈故障監(jiān)測功能。
圖4 主機程序的流程圖
系統(tǒng)軟件設計
通信協(xié)議設計
根據(jù)實際系統(tǒng)的需求，該系統(tǒng)通信協(xié)議參照OSI模型進行設計，通信協(xié)議幀格式：
有效的通信數(shù)據(jù)用ASCII碼字符表示，各個部分說明如下：
1） 起始位：0x40(ASCII碼值“@”);
2） 命令字：開燈0x4B(“K”)，應答0x18(“↑”)；關(guān)燈0x47（“G”），應答（“↓”）；
傳送數(shù)據(jù)命令0x44（“D”），應答0x1A(“→”)；接收出錯應答0x4F(“？”)；
3） 數(shù)據(jù)長度：表示數(shù)據(jù)域的長度，0表示無數(shù)據(jù)域；
4） 數(shù)據(jù)域：包括地址，終端參數(shù)等，其結(jié)構(gòu)隨命令字的不同而改變，每個地址由兩個字節(jié)組成，其中主機地址為0。
5)校驗碼：校驗從起始位開始到命令字所有數(shù)據(jù)進行冗余校驗；
6)結(jié)束位：用0x23(“#”)表示一幀字節(jié)的結(jié)束。
在該路燈控制系統(tǒng)中，通信協(xié)議規(guī)定了兩種類型的數(shù)據(jù)幀：命令幀和應答幀。命令幀是由主機向終端發(fā)送，應答幀則是由終端向主機發(fā)送。由于受到低壓電力線信道干擾的影響，在數(shù)據(jù)傳送的過程中可能會出現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)幀或是在限定的時間內(nèi)沒收到應答的情況，遇到這種狀況就需要重發(fā)相應的數(shù)據(jù)幀來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
軟件設計
根據(jù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，軟件編程分主機程序模塊和終端程序模塊兩部分。軟件部分編程采用C語言，實現(xiàn)了模塊化設計。主機負責發(fā)送指令、收集終端數(shù)據(jù)并顯示。終端負責監(jiān)控路燈的狀態(tài)，對電壓、電流信號進行處理并通過電力線發(fā)送出去。主機程序的流程如圖4所示，終端程序的流程如圖5所示。
圖5 終端程序的流程圖
結(jié)語
本文主要研究了電力線載波通信技術(shù)在路燈控制系統(tǒng)中的應用。通過設計硬件電路及通訊協(xié)議和系統(tǒng)軟件，利用現(xiàn)有的低壓電力線傳送信號，實現(xiàn)了路燈的遠程監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)不僅提高了管理效率，又節(jié)約了能源，具有可靠性高、安裝使用方便、成本低、節(jié)電明顯等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。
