基于Modbus协议的城市路灯监控系统设计

2015-02-02程为彬郭颖娜彭红娟

照明工程学报 2015年5期

李儒，程为彬，郭颖娜，彭红娟

(西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065)

引言

随着我国城市化建设的飞速发展，城市照明系统规模不断扩大，城市照明用电量迅速上升。如何实现城市照明系统科学、合理的节电已成为一个重要课题[1]。

运用路灯监控系统对城市路灯进行集中监控实现路灯的按需照明，能够合理使用电能，避免能源浪费[1-3]。由于城市路灯数量多、分布广，路灯监控系统的建设成本往往较高，路灯监控系统一直难以大范围推广。本文从实际情况出发，设计了一种功能实用、成本较低的远程路灯监控系统。

1 系统概述

路灯监控系统由路灯监控中心与路灯监控终端组成，以GPRS网络为主网络、低压电力载波通信为二级网络，属于低成本的两层结构、两级通信机制的路灯监控系统。路灯监控系统结构拓扑图如图1所示。

图1 路灯监控系统结构拓扑图Fig.1 Structure diagram of street lamp monitoring system

监控中心由组态软件MCGS搭建，控制监控区域内所有的监控终端。监控终端采用PL3106载波通信控制芯片作为节点控制器，能够对路灯节点进行开关与调光控制；其中一个节点控制器可升级成集中控制节点，能够接收监控中心命令，并利用电力载波通信转发至其他节点。监控中心通过GPRS网络向监控终端中的集中控制节点发送Modbus监控命令，实现对各路灯节点的监控功能。

2 Modbus通信协议

路灯监控系统采用Modbus协议的主从通信方式实现控制信号的传输[4]，在传输过程中监控中心主动发送请求信息帧到监控终端，监控终端返回应答信息帧，实现各种监控功能。

2.1 Modbus-RTU数据传输方式

路灯监控系统采用Modbus-RTU数据传输方式， RTU模式具有较高的传输效率，信息以信息帧的形式传输，Modbus-RTU信息帧格式如表1所示。信息中每8个字节分成两个4位十六进制的字符，不同信息帧间至少需要3.5个字符的静止时间。

表1 Modbus-RTU信息帧格式Table 1 Information frame format of Modbus-RTU

信息帧中地址用于主机向指定地址的从机通信;功能码定义各种功能，数据区是功能码的数据内容；CRC校验码能够校验数据帧在传输过程中的错误。

2.2 路灯监控系统的指令

Modbus协议定义了丰富的功能码，对应不同的数据类型与操作命令。在路灯监控系统中，主机通过功能码1、2、4、5实现路灯的开关与功率监控功能，路灯监控系统的功能码如表2所示，0区是输出线圈区，主机可对其进行读写操作；1区与3区分别对应输入线圈与输入寄存器，主机只能对其进行读操作。

表2 路灯监控系统的功能码Table 2 Function code of street lamp monitoring system

根据各区域的读写特性，监控系统对各区域的监控功能进行了定义。各区域的功能定义如表3所示，0区是功能控制区，通过写操作，监控中心能够对路灯进行开关与功率控制；1区与3区是状态标识区，通过读操作，监控中心能够对路灯的运行状态进行监测。

表3 各区域的功能定义Table 3 Function definition of each region

3 监控中心设计

MCGS组态软件搭建的监控中心是整个路灯监控系统的中心，负责整个监控系统的操作、处理与统计。

3.1 监控功能设计

根据路灯监控策略[5]，在路灯监控系统中，监控中心能够对路灯节点进行开光控制，进入深夜后，还可根据情况将路灯功率调节到75%功率或半功率，实现节约电能的目的。路灯监控系统的监控界面如图2所示。

图2 路灯监控系统的监控界面Fig.2 Monitoring interface of street lamp monitoring system

3.2 监控功能实现

监控中心作为监控系统的上位机，通过向下位机收发Modbus监控命令实现监控功能。MCGS组态软件内置了“通用串口父设备”设备驱动，通过此设备驱动，MCGS可以驱动计算机的串口，实现串口数据的收发。MCGS的通用串口属性设置如图3所示，设置通信波特率为9600，8位数据位、1位停止位、0校验位。

图3 MCGS的通用串口属性设置Fig.3 Serial port property settings of MCGS

在“通用串口父设备”下可以添加“Modbus-RTU设备”驱动，可以实现串口的Modbus-RTU数据传输。“Modbus-RTU设备”同时提供了通道功能，利用通道可以建立MCGS内部数据与Modbus信息帧数据的连接。

3.3 无线GPRS网络的接入

由于监控中心与监控终端通过无线GPRS网络通信，因此需要将串口数据接入无线网络。利用虚拟串口软件能够将串口数据转化为TCP/IP应用层数据，用TCP的封装传播数据，实现串口转网口通信[6]。串口接入互连网后，MCGS能够通过GPRS网络收发Modbus命令。

4 监控终端结构

路灯监控系统由一个路灯监控中心与监控区域中的所有路灯监控终端组成。每个监控终端由同一配电变压器低压侧的所有路灯组成；监控终端有独立的地址，监控中心可以利用Modbus协议的地址功能定位到每一个监控终端。

图4 监控终端结构图Fig.4 Structure diagram of monitoring terminal

路灯节点由节点控制器控制，监控中心通过无线网络向节点控制器发送无线监控命令；考虑到系统成本，监控终端采用采用无线GPRS通信与低压电力载波通信相结合的方法：集中控制节点通过外接GPRS-DTU与监控中心无线通信，再将控制命令通过低压电力载波通信转发至其他节点控制器。监控终端结构图如图4所示，低压侧电力线上负载为相同的路灯，电力线中干扰较小，有利于实现各路灯节点间低压电力载波通信。

5 路灯节点控制器设计

路灯节点控制器采用性价比高的PL3106电力载波通信控制芯片。PL3106芯片内置增强型8051处理器，内部集成了电力载波通信的调制与解调电路，同时具备逻辑控制能力与载波通信能力；PL3106内置了8位PWM脉冲宽度调制器，方便实现路灯的控制功能。

5.1 节点控制器的通信控制流程

集中控制节点的通信处理流程如图5所示，集中控制节点通过串口接收监控中心发送的Modbus命令，集中节点接收到Modbus命令后，先对命令进行校验；校验正确后根据监控系统的命令定义进行PWM调光处理，处理完成后调用载波发送子程序向其他节点发送载波控制命令，处理完成后向监控中心返回应答信息帧。

图5 集中控制节点的通信处理流程Fig.5 Communication process of centralized control node

节点控制器的载波通信状态为接收状态，在接收状态下，PL3106芯片会自动捕获与同步电力线中的载波信号，由于电力线中存在大量噪声，载波通信定义了同步帧头09AF，当节点控制器接收到同步帧头后进入接收中断，接收通信数据。节点控制器的载波通信控制流程如图6所示，节点控制器接收到载波信号后，根据载波信号发送PWM调光信号，实现监控系统对路灯节点的控制。

图6 节点控制器的载波通信控制流程Fig.6 Communication process of control nodes

5.2 载波通信电路设计

PL3106的载波通信采用PSK调试方式，内部集成了载波调制与解调电路，具有较低的误码率；载波发射中心频率为120kHz，带宽为15kHz，载波发送时只需将发送电路接到芯片的PSK_OUT端，接收时只需将接收电路接入芯片的SIGIN端。

合适的载波发送功率有利于载波信号在电力线中的传播，而信号的发射功率取决于发射电压的大小，载波发射电路如图7所示，发射信号经过内部扩频调制后由PSK_OUT口进入发射电路，经过Q1、Q2、Q3、Q4组成的互补三极管放大电路进行放大，经过C14与L1组成的串联谐振电路消除杂波后耦合到电力线上进行载波发送。

图7 载波发射电路Fig.7 Transmitting circuit of carrier wave

载波接收电路如图8所示，载波信号从220V电力线经过耦合电路耦合到接收电路；C15、C16、与L2组成的并联谐振电路，具有对120kHz的载波信号进行选频作用；D5、D6具有限幅作用，使接入SIGIN的电压小于700mV。

图8 载波接收电路Fig.8 Receiving circuit of carrier wave

5.3 PWM调光功能设计

PL3106内置了8位PWM脉冲宽度调制器，可以通过P1.5引脚输出频率为15kHz的PWM波，并能通过配置控制寄存器设置10%～90%的占空比。

电子镇流器原理图如图9所示，路灯用电子镇流器本质是AC/DC/AC电路，逆变电路(DC/AC)是电子镇流器的核心部分，其将稳定的直流电压逆变成一定频率的方波，供给后面的HPS灯[7]。PWM信号作为逆变电路的驱动信号，频率固定为15kHz，通过对占空比进行调节，能够实现HPS灯功率的控制。

图9 电子镇流器原理图Fig.9 Schematic diagram of Electronic ballast

6 系统的模拟与测试

根据路灯监控系统的结构特点，在实验室模拟了路灯监控系统。用一台PC机作为路灯监控中心，两块PL3106控制板分别作为集中控制节点与普通节点控制器；PC机与集中控制节点间用GPRS通信，两个节点控制器间用电力线连接；采用IR21091半桥驱动器作为逆变电路的驱动电路；采用额定功率为150W的HPS灯作为模拟路灯，其通态电阻约为60Ω。

图10 HPS灯电流波形Fig.10 Waveform Drawing of HPS lamp

根据路灯监控系统的功能设计，对模拟系统的调光进行了测试。HPS灯的电流波形如图10所示，在占空比分别为50%、30%、10%情况下，HPS灯电流发生了明显变化，占空比越小，灯电流越小，当占空比下降到10%时，电流出现了断续。经过测试，HPS灯功率的PWM控制如表4所示，通过对PWM占空比的配置，实现了HPS灯的功率调节。