路燈電子鎮(zhèn)流器組網(wǎng)的通信實驗研究

楊蕊冰+程為彬+郭穎娜+宋久旭+詹文霞

摘 要： 搭建一個路燈電子鎮(zhèn)流器組網(wǎng)的模擬實驗系統(tǒng)，對集中控制終端和子終端進行通信流程設(shè)計，以實現(xiàn)上位機對集中控制終端、集中控制終端對子終端的命令傳送，以及子終端對集中控制終端、集中控制終端對上位機的命令傳回，特別對集中控制終端與子終端之間的電力線載波通信波形、數(shù)據(jù)，以及上位機接收到的數(shù)據(jù)進行實驗研究，結(jié)果表明模擬組網(wǎng)系統(tǒng)成功實現(xiàn)了上位機、集中控制終端、子終端之間的通信。

關(guān)鍵詞： 電子鎮(zhèn)流器； 組網(wǎng)； 電力線載波通信； PL3106

中圖分類號： TN99?34； TM923 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）23?0175?04

Abstract： A networking simulation experiment system for electronic ballast of street lamp is set up. The communication process is designed for the centralized control terminal and sub terminal to realize the command transmission from the upper computer to the centralized control terminal and the centralized control terminal to the sub terminal， and command return from the sub terminal to the centralized control terminal and the centralized control terminal to the upper computer. The experimental study was performed for the waveform and data of the power line carrier communication between the centralized control terminal and sub terminal， and data received by the upper computer. The experimental results show that the simulated networking system can realize the communication among upper computer， centralized control terminal and sub terminal successfully.

Keywords： electronic ballast； networking； power line carrier communication； PL3106

0 引 言

近幾年我國城市道路照明發(fā)展迅速，據(jù)統(tǒng)計城市路燈照明的電能利用率不到65%，粗放式照明、照明電能浪費的情況比較普遍，具有相當大的節(jié)能空間[1]。

針對路燈照明節(jié)能問題，法、德等國結(jié)合日出、日落控制路燈開關(guān)，以色列采用GSM超短波兩信道切換方式自動檢測路燈線路故障。根據(jù)自己國家電網(wǎng)特點，國外普遍采用PLC組網(wǎng)方式對路燈進行遠程監(jiān)控[2?4]。我國上海等地采用以無線通信為主的組網(wǎng)方式對路燈進行監(jiān)控[5]，投入成本較大，且大多數(shù)地區(qū)仍采用時控法、光控法和人工巡查方式對路燈進行開關(guān)控制及管理[6]，控制方法及管理手段相對落后。

考慮到建設(shè)成本[7]及通信距離的因素，目前路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計多基于GPRS與電力線載波相結(jié)合的組網(wǎng)方式，在路燈監(jiān)控終端側(cè)，多采用集中器與路燈監(jiān)控終端的兩層式設(shè)計[8?10]，其路燈控制器一般采用兩個芯片分別實現(xiàn)載波通信與路燈調(diào)光功能，設(shè)計較復雜[9]。PL3106集電力載波功能與單片機控制功能于一體，是路燈終端控制器的良好選擇[11]。文獻[12]提出一種以GPRS為一級網(wǎng)絡(luò)、低壓電力線為二級網(wǎng)絡(luò)的段式路燈監(jiān)控系統(tǒng)，任一個段內(nèi)終端控制器可外接GPRS模塊升級成集中控制器，同時也是單個路燈終端控制器，可實現(xiàn)路燈終端的通信及調(diào)光功能，多個段及其GPRS構(gòu)成分布式路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)。這種方式可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及降低軟硬件設(shè)計的復雜性，某段的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中與監(jiān)控中心通信的終端被稱為集中控制終端，其他為子終端。

在圖1所示的段式路燈監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文搭建了電子鎮(zhèn)流器組網(wǎng)系統(tǒng)模擬實驗環(huán)境，對上位機、集中控制終端與子終端之間的通信情況進行測試、分析和驗證。

1 電子鎮(zhèn)流器組網(wǎng)模擬系統(tǒng)

電子鎮(zhèn)流器組網(wǎng)模擬系統(tǒng)如圖2所示，主要由1臺上位機與2個路燈終端組成，與上位機通過RS 232串口通信的路燈終端稱為集中控制終端，另一個為子終端，集中控制終端與子終端組成一個路段。集中控制器與終端控制器連接在220 V低壓電力線上，模擬實際路燈間距離為10 m。對路段控制時，上位機通過串口將命令發(fā)送給集中控制終端，集中控制終端接收后，執(zhí)行命令并將命令通過電力線傳輸給子終端，子終端接收命令后向集中控制終端返回應答命令并執(zhí)行命令，集中控制終端最終向上位機返回應答命令。

2 軟件設(shè)計

2.1 通信命令設(shè)計

根據(jù)Modbus?RTU通信協(xié)議，設(shè)計的段內(nèi)路燈終端的控制命令構(gòu)成如下：

（1） 路燈終端地址：路燈終端地址包含8位，可編程范圍為01H?0FFH，00H為廣播地址，系統(tǒng)中定義路燈段內(nèi)地址為十六進制數(shù)F2H。

（2） 功能碼：Modbus協(xié)議的功能碼分為只讀與讀寫，其中功能碼F05為讀寫命令，用于上位機控制路燈終端的開關(guān)控制量，實現(xiàn)不同功能控制。endprint

（3） 起始地址：起始地址為寄存器的位地址，不同位地址對應不同控制，如路燈開關(guān)控制及功率控制。

（4） 數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)0FF00H代表操作命令有效，從機開關(guān)控制量置“1”；數(shù)據(jù)0000H代表路燈終端的開關(guān)控制量置“0”。

（5） CRC校驗域：由兩個字節(jié)組成，用于檢測命令傳輸?shù)恼_性。

2.2 通信流程設(shè)計

基于主從式的通信特點，設(shè)計了路燈路段控制的通信流程，并將程序燒寫至PL3106中。

2.2.1 集中控制終端的通信流程

集中控制終端通信流程如圖3所示。集中控制終端通過串口接收到上位機發(fā)送的Modbus命令后，調(diào)用CRC校驗函數(shù)檢驗Modbus數(shù)組，若錯誤，則向上位機返回錯誤應答幀；若正確，則調(diào)用子終端載波發(fā)送子程序。將Modbus命令發(fā)送給子終端，然后調(diào)用命令處理子程序?qū)γ钸M行分析（判斷是否對集中控制終端控制）及處理（開關(guān)或功率調(diào)節(jié)）。若集中控制終端接收到了子終端返回的應答命令，且CRC校驗正確，則將載波接收的數(shù)據(jù)返回至上位機；若CRC校驗錯誤，向上位機返回錯誤應答幀。

2.2.2 子終端的通信流程

子終端通信流程如圖4所示。子終端默認處于載波接收狀態(tài)，若接收到載波命令，則進行CRC校驗，正確則返回正確命令（與集中控制終端發(fā)送的命令相同），然后調(diào)用命令處理子程序?qū)γ钸M行分析（判斷是否對子終端控制）及處理（開關(guān)或功率調(diào)節(jié)）；CRC校驗錯誤則發(fā)送錯誤應答命令。

3 載波通信波形測試

載波通信電路用于實現(xiàn)信號的電力載波轉(zhuǎn)發(fā)，由載波發(fā)送、接收電路及耦合電路組成，具體如圖5所示[13]。通過上位機的串口調(diào)試軟件發(fā)送對路段的控制命令F2 05 00 01 FF 00 39 C9H，集中控制終端將上位機發(fā)送的命令通過電力線傳輸給子終端，子終端接收到命令后，向集中控制終端返回應答命令，對集中控制終端與子終端之間命令的傳輸進行測試。

3.1 PL3106調(diào)制解調(diào)波形

PL3106內(nèi)部集成了直序擴頻單元，可實現(xiàn)對信號的調(diào)制與解調(diào)，通信命令經(jīng)偽碼直擴、調(diào)制后從芯片PSKOUT引腳輸出。集中控制終端中PL3106的PSKOUT引腳輸出的部分波形如圖6所示。

3.2 載波發(fā)送波形

由于芯片輸出的信號達不到功率要求，因此采用三極管Q1～Q4構(gòu)成的推挽電路將信號放大，信號放大后的部分波形如圖7所示，信號幅值為0～20 V。信號通過電力線收發(fā)時，需要耦合線圈進行隔離，耦合至電力線上的波形如圖8所示，電力線上傳輸?shù)臄U頻載波信號的部分放大波形如圖9所示。

3.3 載波接收波形

子終端接收載波信號后，將應答信號通過電力線返回集中控制終端，通過SIGIN引腳進入芯片。由于載波發(fā)送電路與接收電路同時耦合在電力線上，所以在載波接收引腳SIGIN仍可以測到載波發(fā)送信號，SIGIN引腳波形如圖10所示，前者為載波發(fā)送的信號，后者為接收的載波信號。

4 數(shù)據(jù)測試與分析

4.1 載波接收數(shù)據(jù)

子終端返回至集中控制終端的Modbus命令通過集中控制終端PL3106的SIGIN引腳進入芯片，并經(jīng)內(nèi)部硬件電路解調(diào)后鎖存在芯片內(nèi)置的P3.7腳，因此將鎖存的Modbus命令通過PL3106串行通信口輸出，如圖11所示。

串口采用10位異步收發(fā)的工作方式，一幀數(shù)據(jù)包含1個起始位、8個數(shù)據(jù)位及1個停止位，起始位為低電平“0”，停止位為高電平“1”，通過波形放大，可得出對應的二進制數(shù)據(jù)為：0010011111 0101000001 0000000001 0100000001 011111111 0000000001 0100111001 0100100111B，即接收的Modbus數(shù)據(jù)為：11110010 00000101 00000000 00000001 11111111 00000000 00111001 11001001B，十六進制表示為F2 05 00 01 FF 00 39 C9H，與集中控制終端發(fā)送的命令碼相同，說明集中控制終端接收到了子終端的正確應答信息，即路燈終端載波通信成功。

4.2 串口接收數(shù)據(jù)

采用串口調(diào)試軟件監(jiān)視集中控制終端向上位機返回的應答命令，結(jié)果如圖12所示，上位機接收的數(shù)據(jù)與其發(fā)送的完全相同，因此說明集中控制終端與子終端載波通信成功，且上位機、集中控制終端、子終端之間通信成功。

5 結(jié) 論

在上位機對路段控制的情況下，對集中控制終端與子終端載波通信的波形及集中控制終端、上位機接收的應答命令進行測試，發(fā)現(xiàn)集中控制終端接收到了子終端的應答命令，且與其發(fā)送的命令碼完全相同；上位機接收到集中控制終端的應答命令與其發(fā)送的命令碼完全相同。表明集中控制終端與子終端載波通信成功，路燈電子鎮(zhèn)流器組網(wǎng)的模擬系統(tǒng)可實現(xiàn)上位機、集中控制終端、子終端之間的通信。

參考文獻

[1] 孔繁宇，崔健博，鄒同元，等.基于地上地下數(shù)據(jù)的智慧照明信息系統(tǒng)總體設(shè)計[J].照明工程學報，2015，26（5）：14?18.

[2] ADAMS J. Designing with 802.15.4 and ZigBee [J]. Wireless communications and networking， 2008， 24（5）， 42?50.

[3] XU Luo， ZHANG Yangbin， HU Guopeng， et al. Single phase power/energy IC?CS5460 and its application in electric meter instruments [C]// Proceedings of 2011 the 4th International Symposium on Test and Measurement. Shanghai， China： China Ordnance Society， 2001： 465?468.

[4] ZHANG Jun， WANG Hui， QIAO Guifang， et al. Design and implementation of a WSN based remote monitoring system for street lighting [J]. Energy procedia， 2011（13）： 9273?9279.

[5] 彭紅娟.路燈電子鎮(zhèn)流器的通訊技術(shù)研究[D].西安：西安石油大學，2015.

[6] 梁人杰.智能照明控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[J].照明工程學報，2014，25（2）：15?26.

[7] 陳鳳，鄭文剛，申長軍，等.低壓電力線載波通信技術(shù)及應用[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（22）：188?195.

[8] 徐利謀，黃長遠.基于GPRS和ZigBee的城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（6）：34?35.

[9] 向敏，王時賀，趙星宇.一種基于電力載波通信的路燈控制系統(tǒng)集中器的設(shè)計[J].重慶郵電大學學報，2013，25（2）：161?165.

[10] 姚偉，韋云生，高益峰，等.基于PLC/GPRS的智能照明單燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].廣西科技大學學報，2015，26（1）：63?69.

[11] 楊波，琴會斌，毛祥根，等.基于PL3106的室內(nèi)調(diào)光控制系統(tǒng)[J].電子器件，2014，37（4）：679?683.

[12] 李儒，程為彬，郭穎娜，等.基于Modbus協(xié)議的城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].照明工程學報，2015，26（5）：19?23.

[13] 彭紅娟，郭穎娜，程為彬.基于PL3106的路燈電子鎮(zhèn)流器調(diào)光設(shè)計[J].電氣應用，2015，34（10）：34?37.endprint