引言
目前,我國的路燈系統主要依靠人工管理,需要工作人員定時開關燈; 且當路燈出現故障時,不能及時發現和有效處理。如果采用路燈智能監控系統,不僅能夠及時發現路燈的故障情況,減少大量的人力,還能節省路燈能耗,對城市的節能改造作出巨大貢獻。
在路燈監控系統中,數據通信的方案主要有三種:
第一種方案采用總線通訊技術, 如RS485、CAN 總線等。該方案技術上最成熟,但是需要額外布線,對于改造路段實施起來難度較大。
第二種方案通過無線通信方式, 包括GPRS、藍牙、ZigBee 等方案。采用GPRS 通信方式成本太高,一般不會考慮。目前最適合的是ZigBee 通信技術,ZigBee 是一種廉價的低速無線個域網,相對于藍牙通信具有價格更低、距離更遠、支持節點數目更多等優點。ZigBee 適合于網狀結構系統, 采用DSSS /O-QPSK 調制,能夠有效克服無線傳輸中的多徑干擾問題,傳輸可靠性高; 但路燈網絡中的所有節點分布在一條直線上,延伸至幾公里甚至幾十公里,并不是ZigBee 理想的拓撲結構。而且無線方式對環境的依賴性較大,在天氣惡劣的情況下會影響通信質量。因此ZigBee 技術應用于路燈監控系統的實際效果尚需驗證。
第三種方案采用電力線通信( PLC,Power LineCommunication) 技術, 該方案以電力線為通信介質,減少了布線成本,而且對外部環境的依賴性較小,可靠性更高,與前兩種方案相比更加適用于路燈監控網絡。電力線通信分窄帶調制方式和寬帶調制方式。由于路燈監控系統需要傳輸的數據量較少,因而對傳輸速率的要求不高,窄帶PLC 技術就可以滿足通信要求; 而寬帶PLC 技術則主要應用于大流量數據( 如多媒體數據等) 的高速傳輸,而且由于寬帶通信所占用的帶寬很寬,很容易超出CENELEC規范所規定的頻率范圍,所以在監控系統中一般不采用。早期的窄帶電力線通信一般采用簡單的模擬調制技術,其抗干擾能力不強,應用范圍有限。但是隨著信號檢測技術和DSP 技術的發展完善,窄帶通信如BPSK ( 二進制相移鍵控技術) 的抗干擾能力得到很大提高,將會更加適用于PLC 網絡。
綜上分析,本文選擇電力線窄帶BPSK 通信方式作為監控系統的通信方案,并根據路燈系統的特點,提出了可行的系統結構; 隨后,本文描述了系統中各個組成部分的設計思路,并詳細設計了路燈節點。
1 系統概述
為實現路燈的優化管理,路燈監控系統需要收集每盞路燈的狀態和環境信息,匯集到電腦終端,集中優化處理后,控制每一盞路燈的輸出光通。整個系統的實現框圖如圖1 所示。
圖1 系統實現框圖
圖1 中,路燈監控系統主要包括路燈節點、i.Lon SmartSever ( 電力線網絡管理器) 以及在電腦終端運行的路燈監控軟件。路燈監控軟件通過因特網控制LonWorks 控制網中的所有路燈節點; 每一個LonWorks 控制網相當于一個因特網上的站點,配有一個IP 地址, 通過訪問該IP 地址, 實現對LonWorks 控制網的訪問。
i. Lon SmartSever 以主從方式管理LonWorks 控制網,并能通過Ethernet 接口或GPRS 通信模塊以撥號方式接入因特網。這樣, 控制中心通過與i.Lon SmartSever 進行數據交換, 就可以對LonWorks控制網上的每個節點進行監控。此外, i. LonSmartSever 帶有多個I /O 端口,用于收集道路的環境信息( 照度、濕度等) ,作為調光依據。
在監控中心,路燈監控軟件不斷巡查各個路燈節點的狀態,顯示每盞路燈的工作狀況和輸出功率,既能手動控制每個燈的光通,也可以根據一定的算法自動調整路燈照度。
以下情況可以采用自動調光,包括:
● 根據設定時間段調節照度, 如在后半夜時,調節到半載功率輸出。
● 根據天氣情況、不同時期的日照情況開、關燈或調節輸出光通。
● 根據特殊照明情況調節輸出光通。如城市隧道照明場合,為了避免進入或離開隧道時視覺上的不適應,單獨調節隧道口的路燈,讓其光通緩變。
● 根據特殊路段設定輸出光通。如在某一路段發生事故時,輸出最大光通,以便事故處理,同時提高道路安全。
2 路燈節點設計
本系統設計的路燈節點包括電力線通信部分、智能電子鎮流器部分和高壓鈉燈部分,電力線通信部分和智能電子鎮流器部分通過I2C 接*換數據。其硬件電路實現框圖如圖2 所示。
圖2 路燈節點硬件框圖
2. 1 電力線通信
2. 1. 1 硬件設計
電力線通信控制電路主要負責數據在電力線上的可靠傳輸,其主芯片采用Echelon 公司的PL3120,PL3120 是專用于電力線系統的神經元芯片,內部集成有三個處理器單元和一個電力線收發器。電力線收發器采用窄帶BPSK 調制,且具有雙載波頻率,當主頻率受到干擾后,自動切換到預備頻率上工作,極大增強了系統抗干擾能力。
如圖3 所示,電力線通信控制電路包括高通耦合電路、功率放大濾波電路和PL3120 及其外圍電路; 高通耦合電路提取市電線路中的高頻信號,經帶通濾波電路濾波后傳輸給PL3120,解調后得到通信數據。同時, PL3120 將發送數據進行BPSK 調制,功率放大后耦合到電網上。PL3120 通過TXSENSE 引腳采樣功率放大電路的輸出電壓,得到的值用來調整TXBIAS 引腳上的電流,從而控制發送功率。
圖3 電力線通信控制電路
為保證電力線通信電路的可靠工作,必須對高通耦合電路做優化設計,使高通耦合電路濾除50Hz市電分量的同時,具有較大的輸入阻抗和較小的輸出阻抗,減小信號的衰減。圖3 中,電容C1、C2和變壓器T1組成發送通路,變壓器變比為1 :1,起到隔離作用; 要減小發送通路的交流輸出阻抗,需要選擇較大的C1、C2。C2為隔直電容,可以取得大些; 但是C1直接接在電力線上,增大容值會增大體積,增加損耗,因此在不增大C1的情況下,通過恰當設計變壓器的漏感Lk,與電容C1在載波頻率段產生諧振, 減小輸出阻抗。在輸入通路中,C1和Lm濾除了50Hz 市電分量,而高頻信號分量通過C3和L2的諧振電路,將接收信號放大,得到較強的接收信號。實際電路中Lm取1 mH,Lk取12 μH,電容C1取0. 1 μF,C3取1. 5nF,而L2取820μH。
2. 1. 2 軟件設計
LonWorks 系統的最大優點是通信程序設計采用Neuron C 語言。Neuron C 在標準C 的基礎上,提供了大量的硬件接口函數,只需調用相應的函數就可以使用該硬件資源; 而且,節點間的通信通過網絡變量的綁定來實現,而通信過程完全由底層協議完成,方便了程序的開發。
電力線通信軟件實現框圖如圖4 所示,系統定義了一個輸入網絡變量( i. Lon SmartSever 對節點的控制命令) 和一個輸出網絡變量( 節點對i. LonSmartSever 的返回數據), 并與i. Lon SmartSever上相應的輸出、輸入網絡變量綁定。發送數據時,改變本地輸出網絡變量,與之綁定的輸入網絡變量的值就會隨之改變,而數據的傳輸過程則完全由底層協議完成,極大簡化了程序的開發過程。
圖4 電力線通信軟件實現框圖
2. 2 電子鎮流器
如圖2 所示,路燈節點中的電子鎮流器部分采用普通的兩級拓撲結構,前級PFC 電路加后級半橋逆變和諧振觸發電路, 并且通過中央處理器電路、采樣電路和調光電路收集鎮流器的狀態信息,并根據命令調光。
電子鎮流器有多種調光方式,調頻調光、調母線電壓調光、調占空比調光等。在大功率高壓鈉燈中,由于聲諧振的頻率點較少,所以選用比較簡單的調頻方式。
以下分析頻率變化對輸出功率的影響。圖5 為電子鎮流器的諧振電路,為了減小波峰因子,工作頻率通常選在諧振頻率的4 ~ 6 倍,不考慮高次諧波通過LC 濾波后的分量,僅對該諧振電路進行基波分析。
圖5 諧振電路
基波分量表達式:
其中: Vbus為PFC 電路輸出母線電壓; Rlamp為穩定工作時燈的等效電阻;輸出電壓:
其中:
根據式(1)、(2) 可得輸出功率:
當f > f0,隨著f 的增大,P0減小( 為了使開關管工作于軟開通狀態,工作頻率一般會選擇比f0大)。
調頻調光電路如圖6 所示。ATMega8 的PB2 管腳( 計數器比較輸出管腳) 輸出PWM 波,通過光耦,濾除高頻分量后,得到基準電壓Vref; 改變Vref,A 點電位改變,4 腳的輸出電流就改變,工作頻率隨之變化( L6574 的4 腳為恒定2V 電壓,通過改變4腳的輸出電流值改變頻率) ; 由式5 可知, 諧振電路的頻率改變, 輸出功率也隨之變化。所以改變ATMega8 輸出的PWM 的占空比, 就可以改變燈輸出功率,且占空比越大,輸出功率越低。
圖6 調頻調光電路
經過實驗測量,得到輸入功率—頻率變化曲線圖如圖7。由于輸入功率比較容易測量,所以用輸入功率的變化來近似表示輸出功率的變化。
如圖7 所示,滿載時,工作頻率為43 kHz,輸入功率為273W; 隨著頻率增加, 輸入功率近似線性減小, 當頻率達到60kHz 時, 輸入功率約為100W。在很多路燈應用場合,調節至半載功率已經足夠; 而且高壓鈉燈在38 kHz ~ 100 kHz 頻率范圍內,為聲諧振的安全區,可以實現安全調光。
圖7 功率—頻率曲線圖
3 實驗結果
通過模擬現場情況,在1000 米的電力線上均勻掛上20 個路燈節點。實驗結果表明,各個路燈節點能夠可靠的完成上位機發出的指令,實現單點調光、多點調光和定時調光等,并且能夠準確收集自身的狀態信息,顯示到電腦上。同時,i. Lon SmartSever在沒有上位機操作的情況下,可以通過特定的算法對各個路燈節點的輸出光通進行調節, 達到預期效果。
4 結束語
隨著新的城市節能減排的要求的提出,道路照明系統的優化管理也越來越受到關注,本文提出的基于LonWorks 控制網的路燈監控系統, 選擇LonWorks 技術作為路燈監控系統的控制平臺,實現了電腦終端對各個路燈節點的實時監控; 并且能夠依據路燈所處的具體環境調節輸出光通,不但減少了大量的人力、物力和財力,而且實現了更加有效的照明。
本系統還可以方便地應用到其他類型的路燈照明系統中。隨著以LED 為主的第四代光源日趨成熟,很多路燈系統都已經采用了LED 燈,而該系統只需將高壓鈉燈電子鎮流器換成帶數字接口的LED驅動器就可以正常工作,同時監控高壓鈉燈和LED燈節點。
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