基于STC15W404AS和电力载波的路灯终端设计*

贺为婷 吕 丰

(西安工业大学 西安 710021)

基于STC15W404AS和电力载波的路灯终端设计*

贺为婷 吕 丰

(西安工业大学 西安 710021)

针对传统路灯照明系统采用集中控制方式存在严重的能源浪费、且开关灯方式单一等问题,论文设计了一款基于STC15W404AS和电力载波的路灯终端,并结合光照检测和红外感应,能够根据外界环境实现对单灯的开关控制,同时采集路灯工作时的电压和电流,及时上传监控中心,实现对整个路灯照明系统精细化管理。

STC15W404AS; 电力载波; 终端

Class Number O43

1 引言

传统的路灯照明系统只是简单的时间控制,在此时间区间内路灯一直处于长明状态,所以存在严重的能源浪费[1];另外采用集中控制监测的是变压器区域内的所有路灯,所以当出现故障时,无法实现精确定位,给维修工作带来一定的难度[2]。电力载波技术依靠电力线作为信号传输的媒介,不需要铺设额外传输线路[3～5],且技术发展日趋成熟。本文结合日益成熟的电力载波技术设计出一款针对单灯控制的终端设备,能根据外界光照强度的变化,合理的开关路灯,实现节约能源的功能,并采用自定义的载波通信协议实现单灯控制,解决了故障巡查困难的问题。

2 总体方案设计

路灯照明系统包括控制终端、集中器和监控中心三大部分,其总体结构框图如图1所示。系统的工作流程分为数据的上行和数据的下行[6],数据上行是指控制终端通过电力载波通信将路灯工作的电参量传送给集中器,再由集中器通过GPRS上传给监控中心[7];数据的下行过程是监控中心通过集中器向各个控制终端发送控制指令,完成对路灯的有效控制[8]。

图1 路灯照明系统总体框图

3 单灯控制终端硬件设计

3.1 终端电路

终端电路以STC15W404AS为主控MCU,相关外围电路包括光照检测电路、红外感应电路、电量采集电路、开关电路、载波电路、RTC电路和电源电路,其电路连接如图2所示。其中光照检测电路以及红外感应电路主要用于控制路灯的开启与关闭,实现路灯的智能化控制;电量采集电路主要通过对路灯的电压电流值的采集,实现对故障电路的精确定位;载波电路主要负责数据收发功能。

3.2 光照检测电路

光照检测电路主要由光敏电阻GL5516与运放LM324组成,其电路原理图如图3所示。它将采集到的外界环境的光照强度值转化为电压信号输入到STC15W404AS的ADC管脚,通过对输入MCU的电压值与设定的开关灯阈值电压的比较,实现路灯的智能化开启与关闭。当光照减小时输入电压随之减小,输入电压低于开灯阈值电压时路灯开启,当光照增强时输入电压随之增大,输入电压大于关灯阈值时路灯关闭。

图2 主控电路连接图

图3 光照检测电路

3.3 红外感应电路

该电路的作用是在夜间对道路上的人或车进行监测,进而控制路灯的开启,由热释电红外传感器PD532和红外传感信号处理器LP0001组成。PD532工作波长7.0μm～14μm,工作电压2.2V～15V,人体辐射的红外线中心波长为9μm～10μm,而PD532的波长灵敏度在0.2μm～20μm范围内几乎稳定不变,结合菲涅尔透镜2091后,可通过光的波长范围为7μm～10μm,正好适合于人体红外辐射的探测,探测距离可达8m～10m。PD532将感应到的红外信号转化为电压信号后发送给LP0001,LP0001以外部中断的方式唤醒省电模式下的主控芯片,完成开灯操作。红外感应电路如图4所示。

图4 红外感应电路

3.4 电量采集电路

电量采集电路主要包括电流采集电路与电压采集电路两大模块,它的主要功能是为了实现对故障路灯的精确定位,其定位原理为:电量采集电路首先将采集到的主灯与副灯的电压电流的数据传输给MCU,然后由串口将对应的信息传送给载波模块,再由载波模块经电力线传送给集中器[9],最后通过GPRS上传给监控中心[10],进而实现对故障电路的精确定位。

电流采集电路中电流互感器HCT215的输出为交流信号,通过R16将交流信号转化为交流电压信号,利用D5进行半波整流,再通过R14、R15和C4构成的滤波电路后,得到直流电压信号,最后通过R13的压流转换后送入到STC15W404AS的ADC引脚,如图5所示。

电压采集电路首先通过R21的作用,将所要采集的电压信号转换为电流信号,然后经过电压互感器HPT304的作用(输入输出电流比为1∶1),将强电侧的电流信号转换到弱电侧,再经过R23进行流压转换后得到电压信号输入到STC15W404AS的ADC引脚,其结构原理图如图6所示。

图5 电流采集电路

图6 电压采集电路

3.5 载波模块

电力载波通信是指利用输电线作为通信介质的一种通信方式[11]。这种方式最大的特点是不需要架设额外的通信线路,主要完成单灯控制终端与集中器之间的通信[12]。集中器下发的控制信号经载波模块解调后,通过串口通信发送给单灯控制终端进行处理[13];同时,单灯控制终端发给集中器的数据,经过载波模块调制后,通过输电线上传给集中器[14]。

载波模块采用PLCS1643单相载波模块,主要有如下特点:

1) 串口通信速率自适应,可自动匹配1200bps、2400bps、4800bps和9600bps,可适用于多种应用;

2) 具有主动向主控芯片申请通信地址功能;

3) 可编程的网络地址、地址过滤,提供有效的本地访问数据;

4) 数据链路层的设计是基于高级数据链路控制协议,具有信息帧的长度可变、地址域长度可扩充性、帧中继转发机制等功能,提高了主站与从站之间数据交换的吞吐量,实现了费率信息一次传输的目标;

5) 载波数据通信速率可支持330bps、1000bps和1500bps三种。

4 单灯控制终端的软件设计

4.1 软件流程

单灯控制终端主要包括以下几个模块:开关灯模块、数据采集模块、串口通信模块、RTC时钟模块、定时器模块[15]。所以软件部分主要实现的功能是控制路灯的开启与关断、数据采集以及载波通信等,在软件编程过程中可根据不同功能进行模块化设计,其主流程如图7所示。

图7 流程图

当单灯控制终端上电复位后,首先要进行初始化,包括A/D接口、串口通信、SPI总线、中断、定时器等;初始化完成后启动看门狗电路;然后通过光照检测电路采集外界的光照强度,通过SPI总线读取DS1302的时间值,进而控制路灯的开启与关断;再由载波模块根据集中器发来的指令,将本终端的数据通过串口发送给MCU,最后控制终端将所收数据按照自定义协议解析,并将操作结果逐级返回到控制端,以完成相应的操作。

4.2 自定义通信协议

单灯控制终端与集中器之间采用自定义通信协议进行数据的传输,载波模块在两者之间起到数据中转的作用,因此本文主要设计单灯控制终端与载波模块之间的数据传输协议,该协议的格式包括帧头、帧长、数据域、方向字、应答字、校验码、帧尾。帧头与帧尾的表示符分别为0xFE和0xFF;帧长是数据域的字节数加2,并以十六进制表示;数据域的长度是可变的,包含所要发送的命令、所要上传的数据、目的地址、原地址等;方向字表示数据的传输方向,0x01表示由载波模块向MCU发送指令,0x02表示由MCU向载波模块发送数据,而应答字表示接收数据的一方对该帧数据做出怎么样的回复,如0x01表示立即回复;校验码采用奇校验,用于检测数据传输过程中是否出错,如果出错就要求从新发送。如表1所示。

表1 自定义通信协议格式

5 实验及实验数据分析

5.1 光照检测实验

在实验室环境下,模拟外界的光照度,检验路灯的光照检测电路,为了实验的便利性,决定用光照度值作为依据进行判断,两者的逻辑是一样的。首先需要将DS1302的时钟调整到白天,避免因开灯时间到来影响光照检测电路,在光敏电阻附近用遮挡物减弱周围的光照度值,在程序中设定外界光照度值为8Lux时的电压值为开灯阈值,外界光照度值为15Lux时的电压值为关灯阈值,用光照度计测量光敏电阻周围的光照度值。实验结果如表2所示。

表2 光照检测实验结果

开灯前光照度平均值为8.14Lux,关灯前的光照度平均值为15.1Lux,这两个值都在误差允许范围内,因此所设定的开灯阈值与关灯阈值所对应的电压值是可行的。

5.2 红外感应实验

在节能模式下对红外感应电路进行测试,夜晚将实验室灯全部关闭,将单灯控制终端放在高处,分别在距离终端水平距离4m～10m范围内走动,检测路灯是否开启,实验结果如表3所示。

表3 红外感应实验结果

实验表明在有效范围内红外感应电路能很好地工作,在临界范围处出现检测不准的情况是可以接受的。

5.3 单灯控制实验

在实验室环境下,将集中器通过RS232与电脑相连,单灯控制终端与集中器连接在同一路供电线路上,给主灯和副灯供电,然后通过串口助手向单灯控制终端发送开灯、关灯、上传数据指令,实验结果如表4所示。

表4 单灯控制实验结果

由实验数据可以看出,在实验室环境下,集中器能够很好地实现对单灯的控制,包括对不同位置路灯开关的控制,而且能够实现对不同位置处路灯的电参量数据的接收等。

6 结语

本文设计了一种智能单灯控制终端,并从硬件、软件的设计进行了详细的阐述,最后在实验室环境中进行了实验,并对实验数据进行了分析,由实验数据证明了设计的可行性。实验结果显示光照检测与红外感应电路能很好地应用到路灯控制中,同时载波通信也能实现对路灯的单灯控制。随着“智慧城市”的提出,必然会加快路灯智能控制的步伐,本设计为路灯智能化控制提供了重要的依据。

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Design of Street Lamp Terminal Based on STC15W404AS and Power Carrier

HE Weiting LV Feng

(Xi’an Technological University, Xi’an 710021)

In view of the problem that traditional street lamp lighting system adopts centralized control method and exists serious energy waste, switch way is single, a model is designed based on STC15W404AS and terminal of the lamps in the electric power carrier, combined with the light detection and infrared sensor, the single light switch can be controlled according to the external environment, street lights work voltage and current are collected at the same time, timely upload to the monitoring center, fine management of the whole street lamp lighting system is implemented.

STC15W404AS, power carrier, terminal

2016年9月8日,

2016年10月27日

贺为婷,女,硕士,副教授,研究方向:计算机测控技术。吕丰,男,硕士研究生,研究方向:计算机测控技术。

O43

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.037