基于電力線載波通信技術(shù)的路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計

引言

　　在現(xiàn)代社會中，城市路燈設(shè)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(jìn)經(jīng)濟(jì)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(wù)，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(jìn)行實時遠(yuǎn)程監(jiān)控變得非常的重要。當(dāng)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(jìn)行照明用電控制方式的革新，采用先進(jìn)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程控制每盞路燈，調(diào)節(jié)光照強(qiáng)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(jī)和終端2個部分，主機(jī)部分由計算機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng)和電力線載波模塊組成。主機(jī)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(fù)責(zé)收集、分析終端數(shù)據(jù)。主機(jī)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(yīng)的操作。終端由載波通信模塊和一些外圍電路組成，設(shè)置在被控路燈中，根據(jù)接收到的信號對路燈進(jìn)行相應(yīng)的操作，并負(fù)責(zé)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(yīng)的操作，并把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。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(shè)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(jī)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(qiáng)電子公司專門為在220V交流電帶來的強(qiáng)干擾、強(qiáng)衰減、遠(yuǎn)距離要求的環(huán)境下進(jìn)行可靠的傳送數(shù)據(jù)而特別設(shè)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(jī)采用串行異步通信的方式，單片機(jī)將上位機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信的目的。

　　主機(jī)

　　主機(jī)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(jī)可以實時監(jiān)控和管理路燈的運行狀態(tài)。主機(jī)由計算機(jī)和載波通信模塊組成，照明控制系統(tǒng)的主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 照明控制系統(tǒng)的主機(jī)結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)中計算機(jī)與單片機(jī)通過模擬串口進(jìn)行通信，由于STC89C52單片機(jī)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(jī)接收端和發(fā)送端與計算機(jī)進(jìn)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(jī)將接收到的路燈信號發(fā)送給計算機(jī)便可實時監(jiān)控路燈運行狀態(tài)，達(dá)到遠(yuǎn)程智能監(jiān)控路燈的目的。計算機(jī)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(jìn)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(dāng)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(yīng)用，以實現(xiàn)企業(yè)一體化為目標(biāo)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(jī)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(yīng)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(yīng)地址正確則執(zhí)行響應(yīng)的指令，對路燈進(jìn)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(jī)，再由單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)的操作，通過載波模塊把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)便可實時監(jiān)控每一個路燈的運行狀態(tài)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的路燈故障監(jiān)測功能。

圖4 主機(jī)程序的流程圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　通信協(xié)議設(shè)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(jìn)行設(shè)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(yīng)答0x18(“↑”)；關(guān)燈0x47（“G”），應(yīng)答（“↓”）；

　　傳送數(shù)據(jù)命令0x44（“D”），應(yīng)答0x1A(“→”)；接收出錯應(yīng)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(jī)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(jìn)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(yīng)答幀。命令幀是由主機(jī)向終端發(fā)送，應(yīng)答幀則是由終端向主機(jī)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(yīng)答的情況，遇到這種狀況就需要重發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　軟件設(shè)計

　　根據(jù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，軟件編程分主機(jī)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(shè)計。主機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送指令、收集終端數(shù)據(jù)并顯示。終端負(fù)責(zé)監(jiān)控路燈的狀態(tài)，對電壓、電流信號進(jìn)行處理并通過電力線發(fā)送出去。主機(jī)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(yīng)用。通過設(shè)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(yuǎn)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(yīng)用前景。