基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统设计

2012-12-04唐显锭蒋紫东刘木清

照明工程学报 2012年2期

关键词：单灯路灯上位

朱旭唐显锭蒋紫东徐峰冯辉胡波刘木清

(1.复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433;2.复旦大学电子工程系，数字信号处理与传输实验室，上海 200433)

1 引言

LED作为第四代照明光源，近几年得到了巨大的发展，其光效等性能指标快速提高而价格快速下降，已经突破了显示、景观照明等常规的应用领域，在道路照明等定向照明中应用得越来越多，越来越具有竞争力［1］。

目前我国路灯控制系统主要采用定时控制的方式，一般定时器会有冬夏两种定时模式。这种方式可以实现路灯的定时自动开关，但缺点在于设定的时间不能调整，季节变化时会出现开关灯时间与昼夜变换时间不匹配的现象，也无法对路灯状态进行监测。

与传统光源相比，LED具有节能和易于控制两大显著特点，而现有的路灯控制系统显然无法将这些优点体现出来。因此，针对LED路灯，有必要重新设计与之配套的智能路灯控制系统。本文将介绍基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统的设计，该系统依托现有路灯网络，无须重新布线，使得改造成本最小化，并能够实现对LED路灯的远程控制开关，调光，查询电流及电压等功能。

2 系统组成

整个智能控制系统架构如图1所示，主要包括了上位机 (PC)，集中控制器 (ECC)及由载波通信模块 (TN)和控制终端 (MCU)组成的单灯控制器三大模块，采用PC与ECC间的GPRS通信，ECC与单灯控制器间PLC通信的两级通信机制。其中集中控制器和载波通信模块，我们选用了瑞斯康公司的ECC3001和RISE3501芯片。本文主要涉及单灯控制器和上位机程序的设计。

图1 基于电力线载波通信技术的路灯控制系统架构

3 单灯控制器设计

单灯控制器主要由载波通信模块和MCU电路组成。载波通信模块内含有集成电路芯片RISE3501。RISE3501是一款专用于电力线载波通信的单片系统芯片。

3.1 载波通信模块外围电路设计

载波通信模块的工作还需要外围电路的支持，下面介绍配合载波通信模块工作的外围电路。

3.1.1 载波信号耦合电路

如图2所示，输入端L线上串有一个0.22μF/275V聚酯电容，用来隔离50Hz交流电和通过有用的高频载波信号。并有一个1∶1耦合线圈 (2.2mH)以传输有用的载波信号，同时起到隔离高压作用，让大部分高压降在聚酯电容上，使后面的电路不带高压以保护人身安全。TVS-8.5V(瞬变二极管)防止快速冲击，保护后端电路。

图2 载波信号耦合电路

3.1.2 看门狗电路

通信模块定时给出看门狗输入信号WDI给看门狗芯片，若WDI信号停止，看门狗芯片通信模块进行复位，电路如图3所示。

图3 看门狗电路

3.1.3 过零检测电路

如图4所示的过零检测电路正过零导通，过零检测用于通信模块判断相位。

图4 过零检测电路

3.2 MCU电路设计

MCU的工作流程图如图5所示，MCU与载波通信模块之间通过串口进行通信。载波通信模块将接收到的上位机命令发送给MCU，MCU进行相应的处理后再将响应结果返回给通信模块。

MCU采用的是silicon公司的c8051f330单片机，通过MCU电路实现的功能包括灯的开关控制，火线电压及灯上电流的测量，以及MCU输出PWM信号对灯进行调光等。

图5 MCU程序流程图

3.2.1 灯开关控制

对路灯的开关控制通过继电器来实现。继电器接5V电源，继电器的通断由MCU的RELAY信号进行控制。电路如图6所示。

3.2.2 电流与电压测量

电流测量的电路如图7所示，其原理是在接入路灯的火线上串上一个电流互感器 (线圈比4∶500)，在次级得到与线圈比相反的电流，在R10上得到相应的电压信号。经运放LM358放大10倍，同时由于D1和D4的作用反向电压被削去。经过运放的信号CURRENT接到MCU上进行AD采样，通过测量信号峰值计算电流互感器初级电流。AD以每个市电周期50个点的速度采集数据，取其中最大的一个作为信号的峰值。为了减小噪声的影响，每次测量均测得几十个周期的峰值进行平均 (MCU程序中发送给PC的是几十个峰值的和，PC机程序计算平均值)。设电流互感器初级的电流有效值为I，那么此电流I和MCU测得的信号峰值的关系为:

图6 灯开关控制电路

为了使测量更准确，R7，R9，R10均需使用精密电阻，否则需在MCU端做一定的补偿校正。

图7 电流测量电路

电流互感器如果要满足电流比等于线圈在数比的反比，负载电阻R10则需要尽可能的小，然而此处若R10过小，会导致R10上电压信号过小，使得噪声影响很大，所以此处R10取值为51欧，由此带来的误差是线性的，可在PC端进行校正。调试中得到的真实、测量以及校正后的电流如图8所示。

校正后的公式为:

图8 电流校正对比

校正后测量值 =1.365×校正前测量值－141.3(mA)

电压测量的原理与电流测量完全类似，变压器并联在电源线上，MCU测量计算的方法与电流测量完全相同。同样，为了测量准确，R21、R25和R26需要用精密电阻。不过电压测量不存在电流测量中需要校正的问题。电路如图9所示。

图9 电压测量电路

3.2.3 PWM输出电路

单片机的PWM信号经三极管驱动，再经光耦隔离后接入LED路灯驱动器的PWM输入口，实现调光功能。电路如图10所示。

4 上位机程序设计

图10 PWM输出电路

我们使用QT4.7开发上位机程序，Qt是一个跨平台的C++应用程序开发框架，具有优良的跨平台特性、面向对象、丰富的API、大量的开发文档等优点［2］。我们可以把它看成是一个第三方的C++的类库，提供了丰富了API。在本设计中，我们主要用到了GUI和网络功能的类库，程序共由6个类组成，如表1所示。

表1 上位机程序内容

上位机程序主要工作流程为:

1)上位机发送命令基本流程:

a)在MainWindow上，用户选择相应命令;

信度指测量结果的一致性、稳定性以及可靠性，一般多以内部一致性系数(Cronbach’ α)来检验。如表1所示，各构念的Cronbach’ α系数的变动范围在0.919～0.951之间，均大于0.7，因而可以说研究中采用的量表具有较好的信度。另一方面，构念的组合信度(CR)也是判别内在质量的标准之一，各构念的CR值均在0.60以上，表示量表的内在质量理想。

b)命令传递给Server，Server按要求填写相应帧格式，并选择相应的Socket写入命令;

c)Socket发送命令给相应的集中器。

2)上位机接收响应基本流程:

a)Socket接收响应，判断命令合法性;

b)Server接收响应，翻译响应的内容，根据这些内容修改Ecc，Tn，Task的状态信息;

c)MainWindow根据Ecc，Tn，Task的状态信息，更改图形界面的显示内容。

3)命令没有及时响应的判断:

a)发送命令时，Server根据命令修改Ecc的工作状态;

b)Ecc开始计时，这里选择60s。如果是组播或者广播，则计时为60s*节点个数;

c)接收对应Ecc工作状态的响应时，计时停止。如果一直没有响应，则界面显示超时。