基于LonWorks电力线通信的隧道照明系统

神华科学技术研究院有限责任公司 黄 维

1.引言

隧道作为地面交通的一部分有其特殊性，司机驾驶汽车经过隧道时会有本能的不安全感，为了消除司机的不安全感，必须借助于合理的隧道照明，使司机能够快速适应照明环境并容易看清路面状况。为了从节能出发，使隧道各个区段的照明状况时刻跟随洞外实际亮度的变化而变化，实现照明的实时节能控制，同时又不增加额外的通信、控制线缆，本文采用基于LonWorks电力线通信技术的隧道照明网络。

2.隧道照明概述

本照明系统参照国家交通部发布的《公路隧道设计规范》(以下简称《规范》)，将整个隧道从入口到出口划分为接近段、入口段(Dth)、过渡段(Dtr)、中间段、和出口段[1][2]，各阶段亮度不同，如图1所示。

图1 隧道照明段划分

在隧道照明系统的传统设计中，对于具体某一天，洞外亮度L20(S)是个定值，于是隧道内各个区段的照明状况在一天中也保持不变。而在本文中，在隧道接近段的起点S处安装测光节点，调光节点收到亮度级数信息和交通量信息计算出各自的调光等级，输出对应的调光电压来控制亮度连续可调的电磁感应无极灯。这样，整个隧道的照明亮度就随洞外亮度整体提高或下降，相比《规范》推荐的做法具有实时性和节能效果。

3.照明控制系统网络

本照明控制系统采用基于LonWorks电力线通信技术的测控网络。LonWorks总线支持电力线通信，无需另外铺设通信电缆，如双绞线[3-5]。LonWorks电力线网络的接线也十分简单，且当需要增加测控设备时，只需将节点就近连接在原有的电力线上。本照明控制网络由220V的电力线作为传输介质，电力线上挂接有三类节点，分别是测光节点、车辆检测节点和调光节点，如图2所示。

入口测光节点安装在接近段的起点S，测量该处自然光照度。车辆检测节点安装在隧道口和隧道内部车流平稳的区域。一个调光节点控制一组电磁感应无极灯。入口测光节点获得的亮度信息连同车辆检测节点输出的车速、交通量信息等一起发送给对应的调光节点。调光节点根据内部程序输出相应的调光电压(0-5V)，对入口段、过渡段灯具进行连续调光。中间段调光节点只接收车辆检测节点的输出信息。出口测光节点安装在出口洞外，获得的亮度信息发送给出口段调光节点。节点使用“网络变量”相互通信。

图2 照明控制网络结构

4.智能节点硬件设计

智能节点由LonWorks处理模块和功能模块组成。LonWorks处理模块是设计LonWorks节点的一个通用模块，它由PL3120(CPU)，通信耦合电路等组成，类似于普通单片机硬件设计的最小系统。功能模块(功能板)由电源电路、应用电路等组成。在智能节点的开发中，处理模块只需设计一次，与不同的功能模块结合就构成了相应的智能节点，如测光节点、车辆检测节点和调光节点等。这样设计能实现通用模块的即插即用，达到高效、低成本开发和便于维护的目的。图3是智能节点硬件结构图：

图3 智能节点硬件结构图

4.1 处理模块(CPU模块)硬件设计

LonWorks处理模块是智能节点硬件结构中的核心部分，它是由智能收发器芯片PL3120(CPU)，接口电路(接收，发送)，耦合电路，时钟，复位，服务等部分组成。PL 3120智能收发器把神经元芯片的核和电力线收发器核集成在一起。在芯片PL3120外部，用分立元件组成功率放大电路和信号衰减电路，用于通信信号的发射与接收。发射电路的输出信号幅度为7伏，发射电流为1安培，使用C波段-130K赫兹作为通信信道。发射电路在功能上分成直流偏置、镜像电流源、直流工作点钳位和功率放大四个部分。信号接收电路主要由滤波和分压两个部分组成。PL3120的12个I/O口用于光强采集、开关动作、亮度调节等应用电路的接口。

4.2 测光功能模块的硬件设计

测光节点安装在隧道的入口和出口，对隧道外的环境亮度进行检测。将环境亮度分成64个等级，最小亮度定为0级，最大亮度定为63级，则某一时刻检测到的亮度即为0～63中的某一级。该时刻的亮度级数通过LonWorks电力线网络传输到隧道内的调光节点。测光功能模块由电源电路和光强数据采集电路两部分组成。

A/D转换器选用MCP3004。三个光照度传感器的0—5V电压输出信号经过电压跟随器，作为ADC芯片MCP3004(U205)的三路输入。ADC芯片MCP3004与处理模块上的智能收发器PL3120的通信采用四线SPI接口，为了提高节点的可靠性和抗干扰能力，通过光电隔离的方法对节点的输入输出通道进行隔离。

4.3 调光功能模块的硬件设计

调光节点接受来自测光节点的调光等级信号和车辆检测节点的交通信息，根据节点内置的调光等级计算公式，计算出节点自身的调光等级。由该调光等级信号来控制数字电位器X9241的输出电压，配合可调式电子整流器来改变无极灯的光强。调光节点功能模块由电源电路、数字电位器接口电路、开关量控制电路、节点编址电路组成。灯光亮度的调节通过调节数字电位器X9241的输出电压来实现。

在工业控制设备中，为了提高设备的可靠性和抗干扰能力，常常通过光电隔离的方法对设备的输入输出通道进行隔离。数字电位器X9241是一个I2C器件，SDA和SCL都是双向I/O线，而光电耦合器件的光电转换具有单向性，所以对每一个I/O线进行隔离必须采用2片光电耦合器，还需要一个方向控制线来控制数据传输方向。

5.智能节点软件设计

5.1 节点软件设计

以测光节点为例，介绍节点软件设计。测光节点安装在隧道接近段的起点S处，检测隧道外的自然光照度，并对照度由弱至强分成0—63共64级。将照度信息(照度级数)以网络变量的形式广播给隧道内调光节点。

测光节点以设定的采样频率采样，若采样的照度与上一次广播发送的数据相同，本次不广播发布照度信息；反之，则以广播方式向对应的调光节点和上位机发布照度信息。测光节点收到上位机要求其测光的命令，立即测光采样一次，并发送亮度信息，并将定时器清零，重新开始计时。

为测光节点设置了一个“心跳”网络变量，每15分钟进行一次。若连续两次没有“心跳”，视为该节点发生故障。

在本数据采集节点中笔者用到同步串行(neurowire)I/O和移位(bitshift)I/O对象。MCP3004芯片的通信接口为SPI接口，是一个半双工串行A/D转换器，与提供了同步串行(neurowire)I/O和移位(bitshift)I/O接口对象的Neuron芯片连接相当方便。MCP3004的转换数据输出是在地址被移入进来之后，地址移入和数据输出都是转换过程的一部分，在此期间MCP3004片选端一直要置低。而在一般情况下每调用一次neuronwire I/O函数片选端先被拉低，函数执行完后又将片选端拉高，所以不能只使用全双工neurowire I/O函数来写控制字和读取数据。我们使用两个I/O对象(分别是bitshift和neurowire)来配合MCP3004的时序，即先用bitshift函数将控制字移入MCP3004，然后使用neurowire I/O函数读取A/D转换得到的数据，这里neurowire作为半双工接口使用。A/D采样子程序如下：

5.2 节点组网

要构成LonWorks网络，需要利用LonMaker，NodeBuilder等工具对智能节点进行组网。限于篇幅，仅以测光节点和调光节点的组网为例进行探讨。

在LonMaker里创建一个网络“Lighting”，利用Visio为LonMaker网络中添加一个开发目标设备(Development Target Device)，启动NodeBuilder，同时创建一个工程项目。在NodeBuilder中，进行Neuron C语言编程，并且编译下载该设备模板程序。此时能得到如下的系统组态结构图(图4)。

该组态图中包含测关节点和调光节点两个设备(Device1、Device2)和对应的两个功能模块，功能模块中包含节点所定义的诸多网络变量，例如nvLampLev(当前采得的亮度等级)、nvoLampLev(调光等级)等等。

将LonMaker软件中节点开发程序Nodebuilder模板Nodebuilder Basic Shape的“connecteror”拖到绘图区，用它把组态图中测光节点的输出网络变量nvLampLev和调光节点的输入网络变量nvLampLev连接起来。只要测光节点(Device1)的nvLampLev改变，调光节点(Device2)的nvLampLev就能跟着改变。按照这种方式将测光节点和所有的调光节点“连接”起来，每当输出网络变量nvLampLev更新，就会以广播的形式发送给每个调光节点，调光节点据此按照内部的程序驱动数字电位器输出一定的电压信号从而调节电磁感应灯的亮度。

图4 LonMaker中节点组网界面

另外，测光节点上的输出网络变量nvoSwitch可根据需要与调光节点的输入网络变量nviLampSwitch连接。其它的网络变量与上位机连接。

6.结语

基于LonWorks电力线通信技术的隧道照明控制系统通过下层现场总线与上层以太网相结合的组网模式，采用集中管理、分散控制的控制策略，提高了整个系统信息交互的可靠性。在控制系统的智能节点的设计上，硬件和软件均采用了模块化的思路，使得系统内部各个节点具有安装调试简易、维护方便、通用性强、组态灵活等特点，从整体上提高了系统的可靠性与扩展性。

[1]重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范[M].北京:人民交通出版社,2004,9:68.

[2]重庆交通科研设计院.公路隧道通风照明设计规范[M].北京:人民交通出版社,2001,6:41.

[3]刘永生.Echelon公司的电力线载波通信技术[J].仪器仪表标准化与计量,2005(4):20-22.

[4]LonWorks技术介绍——原理和实践概述(第二版)[M].Echelon公司.

[5]雷霖编著.现场总线控制网络技术[M].电子工业出版社,2004,4.