基于Lonworks電力載波通信的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)*

胡敦利，高　楊，徐繼寧（北方工業(yè)大學(xué)　現(xiàn)場總線及自動(dòng)化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100144）

基于Lonworks電力載波通信的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)*

胡敦利，高楊，徐繼寧
（北方工業(yè)大學(xué)現(xiàn)場總線及自動(dòng)化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100144）

針對(duì)龐大的路燈系統(tǒng)監(jiān)控難、檢修難的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于Lonworks總線的路燈監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ADE7753芯片和Lonworks總線為核心，由ADE7753芯片與Lonworks電力載波芯片組成數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，由各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過電力載波將節(jié)點(diǎn)采集到路燈各項(xiàng)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能對(duì)路燈的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能及時(shí)對(duì)突發(fā)狀況進(jìn)行報(bào)警。

ADE7753芯片；Lonworks總線；路燈監(jiān)控系統(tǒng)

0　引言

如今路燈照明系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)模在不斷擴(kuò)大，路燈系統(tǒng)不僅消耗大量的電能，而且在維護(hù)方面會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，這對(duì)城市的電力系統(tǒng)和財(cái)政系統(tǒng)都是一個(gè)巨大的負(fù)擔(dān)［1］。傳統(tǒng)的路燈系統(tǒng)一直存在一個(gè)很大的弊端，就是路燈是由專人巡檢的，有些突發(fā)狀況難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決，如重要路段路燈老化或損壞，沒有及時(shí)進(jìn)行修理，有可能會(huì)造成行人出行不便，甚至造成交通事故等危險(xiǎn)，傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)都沒有行之有效的措施［2-3］。為了解決以上問題，提出了將ADE7753與Lonworks總線相結(jié)合來控制路燈系統(tǒng)的方法。利用ADE7753測量電路各項(xiàng)參數(shù)，然后經(jīng)由Lonworks總線電力載波通信方式傳輸?shù)娇刂浦行模煽刂浦行耐ㄟ^傳輸數(shù)據(jù)來判斷路燈的狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)異常，即可報(bào)警并派技術(shù)人員解決，既能節(jié)省定期維護(hù)的人力，也能有效防止由于路燈損壞造成的危害，并且該方案能夠在原有路燈的基礎(chǔ)上直接架構(gòu)，有效降低成本［4］。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由兩大部分組成，一是路燈監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，二是數(shù)據(jù)管理中心，如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如下：

（1）ADE7753芯片和Lonworks智能電力載波芯片構(gòu)成路燈的電能載波智能控制節(jié)點(diǎn)，用以采集路燈的各項(xiàng)數(shù)據(jù)并控制路燈的開關(guān)［5］；

（2）通過電力載波通信線路將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行模煽刂浦行呐袆e并處理數(shù)據(jù)，對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，并通過郵件或書面方式通知有關(guān)人員進(jìn)行處理。

圖1　路燈監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

路燈的電力載波智能控制節(jié)點(diǎn)是本系統(tǒng)的核心模塊，其采用ADE7753芯片和電力載波智能收發(fā)器PL3120作為監(jiān)控器的核心，該系統(tǒng)通過繼電器控制路燈通斷電路；耦合電路、電源電路、互感電路完成對(duì)路燈工作狀態(tài)的監(jiān)控。路燈控制節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　路燈控制節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖

信息采集模塊以ADE7753芯片為核心，通過互感電路測量路燈工作時(shí)的各種工作參數(shù)；通信模塊以PL3120為核心，通過耦合電路與電力線相連，采用電力線載波通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間互相通信及與上位機(jī)的通信；路燈控制模塊通過使用光電耦合器控制繼電器的通斷并能正確地將繼電器的通斷信息反饋到系統(tǒng)中來。

2.1信息采集模塊

ADE7753電路如圖3所示。ADE7753能夠承受的最大測量電流電壓有限，所以將大電流通過互感電路轉(zhuǎn)變成ADE7753芯片能夠承受的小電流，用于采集電流信息。V2P、V2N連接到路燈兩端的零線和火線上，將大電壓通過互感電路轉(zhuǎn)變成ADE7753芯片能夠承受的小電壓，用于采集電壓信息；復(fù)位RESET引腳低電平有效；DVDD、AVDD連接5V直流電源；AGND、DGND接地；ADE7753芯片通過DIN、DOUT、SCLK、CS引腳分別連接PL3120的IO10、IO9、IO8、IO7引腳，以SPI方式與PL3120芯片之間通信。

圖3　ADE7753電路

2.2通信模塊

2.2.1VCN-PL3120M電力線控制模塊

核心控制部分采用了埃施朗公司的VCN-PL3120M電力線控制模塊，共集成了符合ANSI709.2的PL3120電力線智能收發(fā)器，通過電力載波技術(shù)傳送數(shù)據(jù)，節(jié)約現(xiàn)場布線和開發(fā)周期。

PL3120M智能收發(fā)器有4 KB的EEPROM，2KB靜態(tài)RAM，24KB ROM，支持38種可編程I/O模式和11個(gè)I/O引腳［6］。

2.2.2耦合電路

COMP引腳相連，J5D直接連接電力線。

PL3120連接電力線，兩者之間需要設(shè)計(jì)耦合電路，本模塊選用的是圖4所示的耦合電路，此電路為變壓器隔離式耦合電路。為了使一次側(cè)與二次側(cè)的電氣完全絕緣，同時(shí)使該回路隔離，電路采用的是1∶1的隔離變壓器，并且可以利用其鐵芯的高頻損耗大的特點(diǎn)，從而抑制高頻雜波傳入回路。VA引腳為VCN-PL3120M模塊提供工作電壓，TXOUT、RXIN、RXCOMP引腳與PL3120模塊上TXOUT、RXIN、RX。

圖4　耦合電路

2.3路燈控制模塊

圖5為路燈控制模塊電路。U1、U2為光電耦合器，JD1為繼電器，通過將繼電器與鎮(zhèn)流器串聯(lián)來控制路燈的通斷。PL3120控制外部光電耦合器，當(dāng)IO3為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通繼電器閉合，路燈打開。繼電器吸合時(shí)，光電耦合器導(dǎo)通，IO2被拉為高電平，輸入給PL3120，如為低電平，表明繼電器未吸合，以此判斷繼電器吸合是否正常，實(shí)現(xiàn)故障檢測功能。

圖5　路燈控制電路

2.4時(shí)間控制模塊

如圖6所示，采用DS1302時(shí)鐘芯片作為時(shí)間控制模塊芯片，DS1302通過三線SPI通信方式與PL3120進(jìn)行通信，其SCLK、SDA、/CS引腳分別連接PL3120的IO0、IO4、IO5引腳，其中SCLK是時(shí)鐘線，SDA是數(shù)據(jù)線，/CS為片選引腳，PL3120通過SPI通信讀取DS1302時(shí)鐘芯片的時(shí)間數(shù)據(jù)。

圖6　DS1302電路

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要工作流程如圖7所示。預(yù)設(shè)開燈時(shí)間為18∶00，關(guān)燈時(shí)間為6∶00，在時(shí)間到達(dá)開關(guān)燈時(shí)間時(shí)，通過IO3控制路燈的開關(guān)。

在路燈為開燈狀態(tài)時(shí)，要通過ADE7753芯片測量路燈的電壓、電流、功率等相關(guān)參數(shù)，通過對(duì)這些相關(guān)參數(shù)的比較來判斷路燈的工作狀態(tài)。為防止誤判，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，不立即報(bào)警，而是返回重新測量參數(shù)，如果連續(xù)超過3次數(shù)據(jù)異常，則關(guān)燈報(bào)警。同時(shí)通過監(jiān)控繼電器工作狀態(tài)，開燈時(shí)是否正常閉合，關(guān)燈時(shí)是否正常斷開，如發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通知相關(guān)人員進(jìn)行檢修。

圖7　工作流程圖

4　實(shí)現(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)室里連接一個(gè)普通LED臺(tái)燈的監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)置為每80s左右路燈開與關(guān)。如圖8所示，從上位機(jī)界面可以直接觀察路燈的電壓、電流、功率、溫度，可以通過圖像觀察路燈的開關(guān)狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)，并可以通過預(yù)設(shè)的兩個(gè)開關(guān)對(duì)路燈進(jìn)行控制。在路燈正常工作狀態(tài)下，總控開關(guān)為“開”狀態(tài)，路燈報(bào)警圖標(biāo)為“關(guān)”，天氣開關(guān)為“關(guān)”。路燈發(fā)現(xiàn)異常，如繼電器未正常工作，電壓、電流未處于正常范圍內(nèi)，則報(bào)警圖標(biāo)為“開”，為防止其他嚴(yán)重情況的發(fā)生，可以通過總控開關(guān)直接關(guān)閉路燈；天氣開關(guān)是在天氣陰、霧霾等情況下打開開關(guān)，可以自動(dòng)將路燈打開時(shí)間提前20s，關(guān)閉時(shí)間延后20s，關(guān)閉后自動(dòng)恢復(fù)到原來預(yù)設(shè)時(shí)間。曲線圖是采集的一定時(shí)間內(nèi)LED燈的累積電能曲線圖，由于采集的是ADE7753的0x06寄存器，每采集一次便自動(dòng)清零，因此在路燈打開時(shí)，采集的數(shù)據(jù)基本持平，在路燈關(guān)閉狀態(tài)，電能為零。

圖8　上位機(jī)監(jiān)控畫面

5　結(jié)論

在路燈制作材料和保證路燈不“白亮”問題的解決上已經(jīng)趨近成熟，但在路燈檢修問題上不僅需要耗費(fèi)大量的人力物力，而且在某些危險(xiǎn)路段如果檢修不及時(shí)，很容易發(fā)生危險(xiǎn)。本文所設(shè)計(jì)的控制器有效解決了這一問題，控制器通過ADE7753芯片檢測路燈的電壓、電流、功率等參數(shù)，通過對(duì)這些參數(shù)的判別來判斷路燈的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)異常，則通知相關(guān)人員進(jìn)行檢查，修理或更換損壞的路燈。并且還可以通過參數(shù)的異常來判斷路燈是否老化，更換老化程度很大的路燈也能節(jié)省一定的電能。

在應(yīng)用成本上，此監(jiān)控器是一個(gè)基于傳統(tǒng)路燈制系統(tǒng)的綠色環(huán)保擴(kuò)展性監(jiān)控器，采用的是Lonworks電力線載波通信，能夠在原有的路燈系統(tǒng)上進(jìn)行加裝改進(jìn)，有效解決了重新搭建路燈系統(tǒng)的問題，節(jié)約成本。此系統(tǒng)能夠行之有效地實(shí)現(xiàn)路燈系統(tǒng)的智能化控制，并且能夠節(jié)省大量的人力、物力、財(cái)力，有著廣闊的應(yīng)用前景。

［1］任君偉.城市綠色照明與路燈節(jié)能措施［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2011（2）：96-97.

［2］景春國，何榮富，舒冬梅.異常天氣城市路燈照明控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（20）：81-83.

［3］邵子揚(yáng)．新型智能節(jié)能路燈的設(shè)計(jì)［J］．世界電子元器件，2009（2）：78-81.

［4］胡開明，李躍忠，盧偉華．智能路燈節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（9）：143-145.

［5］陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［6］Echelon Corporation.PL3120 power line smart transcevier data book［Z］.1996-2005.

ADI推出的RF設(shè)計(jì)工具現(xiàn)已支持Hittite微波產(chǎn)品

Analog Devices，Inc.（ADI），全球領(lǐng)先的高性能信號(hào)處理解決方案和RF IC供應(yīng)商，最近在北京發(fā)布了廣受歡迎的RF設(shè)計(jì)工具，支持ADI Hittite微波公司的產(chǎn)品。ADI simRFTM設(shè)計(jì)工具讓工程師可以通過ADI的RF IC產(chǎn)品組合對(duì)RF和微波信號(hào)鏈建模。ADI simRF Version1.9增加了190款混頻器、放大器、開關(guān)和衰減器，其中大部分來自Hittite的產(chǎn)品組合。ADI simPLLTM設(shè)計(jì)工具是一款全面且簡單易用的鎖相環(huán)（PLL）頻率合成器設(shè)計(jì)和仿真工具。ADI simPLL第4版升級(jí)后包含下列器件的模型：HMC703和HMC704 PLL，以及HMC830、HMC832、ADF4355、ADF4355-2和ADF5355集成式PLL以及VCO（壓控振蕩器）。

·下載ADI simRF設(shè)計(jì)工具：http://www.analog.com/adisimrf

·下載ADI simPLL開發(fā)軟件：http://www.analog.com/adisimpll

·查看ADI公司豐富的RF IC產(chǎn)品組合：http://www.analog.com/pr150730/rf-microwave

·瀏覽ADI公司領(lǐng)先的PLL產(chǎn)品：http://www.analog.com/pr150730/pll-synth

·讓ADI中文技術(shù)論壇EngineerZone上的ADI工程師給您答疑解惑：https://ezchina.analog.com/community/rf

更多ADI產(chǎn)品及應(yīng)用視頻，請(qǐng)?jiān)L問：http://videos.analog.com/category/chinese/

ADI于2014年收購了Hittite，現(xiàn)可提供最豐富的RF和微波產(chǎn)品組合，涵蓋從天線到比特以及比特到天線的整個(gè)信號(hào)鏈，涉及100GHz以上的整個(gè)頻譜。配合全球領(lǐng)先的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，ADI的RF、微波和毫米波產(chǎn)品組合包括超過2 000款高性能產(chǎn)品，從功能模塊到高度集成的解決方案、開發(fā)平臺(tái)和模塊，應(yīng)有盡有。

（ADI公司供稿）

Intelligent street lights monitor system based on Lonworks power line communication

Hu Dunli，Gao Yang，Xu Jining
（Beijing Key Laboratory of Profibus Technology and Automation，North China University of Technology，Beijing 100144，China）

To solve the problem of difficult to monitor and overhaul the huge street lights system，a new system based on Lonworks bus was proposed.ADE7753 chip and Lonworks bus are the core of the system，ADE7753 chip and power line communication chip form the data collection node，data are collected by each node，and all the information of the street lights is transmitted to the data management center by power line communication.The experiment indicates that this system can be able to effectively save manpower and financial resources，and can alarm the unexpected situations immediately.

ADE7753 chip；Lonworks bus；street lights monitor system

TP393

A

1674-7720（2015）16-0070-04

胡敦利，高楊，徐繼寧．基于Lonworks電力載波通信的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（16）：70-73.

2015-03-17）

胡敦利（1976-），女，博士研究生，副教授，主要研究方向：現(xiàn)場總線技術(shù)——CAN總線、LonWorks總線等。

高楊（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)場總線技術(shù)、嵌入式Linux、智能家居等。

國家自然科學(xué)基金（61203230）