基于電力線載波通信技術的LED路燈控制系統設計

朱 旭 唐顯錠 蔣紫東 徐 峰 馮 輝 胡 波 劉木清

(1.復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433;2.復旦大學電子工程系，數字信號處理與傳輸實驗室，上海 200433)

1 引言

LED作為第四代照明光源，近幾年得到了巨大的發展，其光效等性能指標快速提高而價格快速下降，已經突破了顯示、景觀照明等常規的應用領域，在道路照明等定向照明中應用得越來越多，越來越具有競爭力［1］。

目前我國路燈控制系統主要采用定時控制的方式，一般定時器會有冬夏兩種定時模式。這種方式可以實現路燈的定時自動開關，但缺點在于設定的時間不能調整，季節變化時會出現開關燈時間與晝夜變換時間不匹配的現象，也無法對路燈狀態進行監測。

與傳統光源相比，LED具有節能和易于控制兩大顯著特點，而現有的路燈控制系統顯然無法將這些優點體現出來。因此，針對LED路燈，有必要重新設計與之配套的智能路燈控制系統。本文將介紹基于電力線載波通信技術的LED路燈控制系統的設計，該系統依托現有路燈網絡，無須重新布線，使得改造成本最小化，并能夠實現對LED路燈的遠程控制開關，調光，查詢電流及電壓等功能。

2 系統組成

整個智能控制系統架構如圖1所示，主要包括了上位機 (PC)，集中控制器 (ECC)及由載波通信模塊 (TN)和控制終端 (MCU)組成的單燈控制器三大模塊，采用PC與ECC間的GPRS通信，ECC與單燈控制器間PLC通信的兩級通信機制。其中集中控制器和載波通信模塊，我們選用了瑞斯康公司的ECC3001和RISE3501芯片。本文主要涉及單燈控制器和上位機程序的設計。

圖1 基于電力線載波通信技術的路燈控制系統架構

3 單燈控制器設計

單燈控制器主要由載波通信模塊和MCU電路組成。載波通信模塊內含有集成電路芯片RISE3501。RISE3501是一款專用于電力線載波通信的單片系統芯片。

3.1 載波通信模塊外圍電路設計

載波通信模塊的工作還需要外圍電路的支持，下面介紹配合載波通信模塊工作的外圍電路。

3.1.1 載波信號耦合電路

如圖2所示，輸入端L線上串有一個0.22μF/275V聚酯電容，用來隔離50Hz交流電和通過有用的高頻載波信號。并有一個1∶1耦合線圈 (2.2mH)以傳輸有用的載波信號，同時起到隔離高壓作用，讓大部分高壓降在聚酯電容上，使后面的電路不帶高壓以保護人身安全。TVS-8.5V(瞬變二極管)防止快速沖擊，保護后端電路。

圖2 載波信號耦合電路

3.1.2 看門狗電路

通信模塊定時給出看門狗輸入信號WDI給看門狗芯片，若WDI信號停止，看門狗芯片通信模塊進行復位，電路如圖3所示。

圖3 看門狗電路

3.1.3 過零檢測電路

如圖4所示的過零檢測電路正過零導通，過零檢測用于通信模塊判斷相位。

圖4 過零檢測電路

3.2 MCU電路設計

MCU的工作流程圖如圖5所示，MCU與載波通信模塊之間通過串口進行通信。載波通信模塊將接收到的上位機命令發送給MCU，MCU進行相應的處理后再將響應結果返回給通信模塊。

MCU采用的是silicon公司的c8051f330單片機，通過MCU電路實現的功能包括燈的開關控制，火線電壓及燈上電流的測量，以及MCU輸出PWM信號對燈進行調光等。

圖5 MCU程序流程圖

3.2.1 燈開關控制

對路燈的開關控制通過繼電器來實現。繼電器接5V電源，繼電器的通斷由MCU的RELAY信號進行控制。電路如圖6所示。

3.2.2 電流與電壓測量

電流測量的電路如圖7所示，其原理是在接入路燈的火線上串上一個電流互感器 (線圈比4∶500)，在次級得到與線圈比相反的電流，在R10上得到相應的電壓信號。經運放LM358放大10倍，同時由于D1和D4的作用反向電壓被削去。經過運放的信號CURRENT接到MCU上進行AD采樣，通過測量信號峰值計算電流互感器初級電流。AD以每個市電周期50個點的速度采集數據，取其中最大的一個作為信號的峰值。為了減小噪聲的影響，每次測量均測得幾十個周期的峰值進行平均 (MCU程序中發送給PC的是幾十個峰值的和，PC機程序計算平均值)。設電流互感器初級的電流有效值為I，那么此電流I和MCU測得的信號峰值的關系為:

圖6 燈開關控制電路

為了使測量更準確，R7，R9，R10均需使用精密電阻，否則需在MCU端做一定的補償校正。

圖7 電流測量電路

電流互感器如果要滿足電流比等于線圈在數比的反比，負載電阻R10則需要盡可能的小，然而此處若R10過小，會導致R10上電壓信號過小，使得噪聲影響很大，所以此處R10取值為51歐，由此帶來的誤差是線性的，可在PC端進行校正。調試中得到的真實、測量以及校正后的電流如圖8所示。

校正后的公式為:

圖8 電流校正對比

校正后測量值 =1.365×校正前測量值－141.3(mA)

電壓測量的原理與電流測量完全類似，變壓器并聯在電源線上，MCU測量計算的方法與電流測量完全相同。同樣，為了測量準確，R21、R25和R26需要用精密電阻。不過電壓測量不存在電流測量中需要校正的問題。電路如圖9所示。

圖9 電壓測量電路

3.2.3 PWM輸出電路

單片機的PWM信號經三極管驅動，再經光耦隔離后接入LED路燈驅動器的PWM輸入口，實現調光功能。電路如圖10所示。

4 上位機程序設計

圖10 PWM輸出電路

我們使用QT4.7開發上位機程序，Qt是一個跨平臺的C++應用程序開發框架，具有優良的跨平臺特性、面向對象、豐富的API、大量的開發文檔等優點［2］。我們可以把它看成是一個第三方的C++的類庫，提供了豐富了API。在本設計中，我們主要用到了GUI和網絡功能的類庫，程序共由6個類組成，如表1所示。

表1 上位機程序內容

上位機程序主要工作流程為:

1)上位機發送命令基本流程:

a)在MainWindow上，用戶選擇相應命令;

信度指測量結果的一致性、穩定性以及可靠性，一般多以內部一致性系數(Cronbach’ α)來檢驗。如表1所示，各構念的Cronbach’ α系數的變動范圍在0.919～0.951之間，均大于0.7，因而可以說研究中采用的量表具有較好的信度。另一方面，構念的組合信度(CR)也是判別內在質量的標準之一，各構念的CR值均在0.60以上，表示量表的內在質量理想。

b)命令傳遞給Server，Server按要求填寫相應幀格式，并選擇相應的Socket寫入命令;

c)Socket發送命令給相應的集中器。

2)上位機接收響應基本流程:

a)Socket接收響應，判斷命令合法性;

b)Server接收響應，翻譯響應的內容，根據這些內容修改Ecc，Tn，Task的狀態信息;

c)MainWindow根據Ecc，Tn，Task的狀態信息，更改圖形界面的顯示內容。

3)命令沒有及時響應的判斷:

a)發送命令時，Server根據命令修改Ecc的工作狀態;

b)Ecc開始計時，這里選擇60s。如果是組播或者廣播，則計時為60s*節點個數;

c)接收對應Ecc工作狀態的響應時，計時停止。如果一直沒有響應，則界面顯示超時。

5 試驗結果

根據以上設計，我們在實際道路上安裝了一個集中控制器和8個單燈控制器，LED路燈間距為30米。在實際電網環境中連續測試了6天，通過上位機與最遠的第8個控制器進行通信，來驗證系統的通信成功率和穩定性。

表2是本次的測試結果，通信成功率穩定在94%左右，燈的開關、電壓及電流測量、定時控制、調光等各項功能均能正常實現。在實地試驗中，8個路燈的總響應時間在4～5秒左右，在可接受的范圍內。

表2 通信成功率試驗結果

6 總結

基于專業的電力線載波模塊和集中控制器，本文設計了完整的LED路燈控制系統。通過實地試驗，初步驗證了該系統的可靠性和穩定性，可以適用于實際的道路照明中，為后續大規模應用打下堅實的基礎。

［1］朱旭，張震，劉木清.青島膠州灣隧道照明應用的研究與實踐.照明工程學報，2010.21(z1):57～60.

［2］陳靖，王振宇.Linux平臺上的組件開發技術.計算機與數字工程，2005.33(5):25～28;68.

［3］朱吉佳，蔡家麟.基于Qt的業務監控系統界面設計與實現.計算機技術與發展，2008.18(3):236～239;242.