汪義旺 張 波 吳 鑠

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系，江蘇蘇州 215104;2.蘇州新士達光電科技有限公司，江蘇蘇州 215128)

1 引言

作為第四代光源的LED照明產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通用照明領(lǐng)域，特別是大功率LED路燈，正以迅猛速度沖擊傳統(tǒng)的路燈市場［1］。近年來，已出現(xiàn)了大量的采用無線通信、電力載波、GPRS等技術(shù)的路燈智能管理監(jiān)控系統(tǒng)方案［2～3］。然而，隨著城市道路規(guī)模的不斷增加，用于照明的路燈數(shù)量和規(guī)模都大幅增長，對其控制的數(shù)據(jù)傳輸容量和速率、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面都提出了新的更高要求，傳統(tǒng)的控制管理方式難以滿足對現(xiàn)代化的智能照明控制需要。

3G(3rd Generation，第三代移動通信技術(shù))是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術(shù)［4］，3G技術(shù)相對于GSM和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)具有更多的技術(shù)優(yōu)勢，其中傳輸速率可達到144kbps～2Mbps［5］，可以滿足路燈監(jiān)控系統(tǒng)的實時性和數(shù)據(jù)傳輸量大的要求。

低壓電力線載波PLC(Power Line Carrier)通信技術(shù)是以低壓配電線 (380V/220V電力線)作為信息傳輸媒介進行數(shù)據(jù)或語音等傳輸?shù)囊环N特殊通信方式［6～7］。由于供電網(wǎng)絡(luò)本身是一種方便、低成本、高可靠性的通信媒介，使得電力載波通信變得方便、成本低、易實現(xiàn)［6］。將低壓電力線載波通信技術(shù)引入LED路燈照明控制系統(tǒng)，利用低壓PLC可以實現(xiàn)遠程控制每盞LED路燈具的開關(guān)、工作狀態(tài)監(jiān)測、調(diào)光控制和故障識別等，減少了傳統(tǒng)遠程控制通信的布線成本，但由于PLC的通信距離和控制節(jié)點數(shù)量有限，不能滿足區(qū)域或多路段的大范圍路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的控制需要。將PLC結(jié)合3G通信技術(shù)，發(fā)揮各自的通信優(yōu)勢，可實現(xiàn)較大范圍或區(qū)域的LED路燈監(jiān)控。

2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于PLC和3G技術(shù)的LED路燈照明智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由若干智能控制終端模塊、3G區(qū)域 (路段)集中控制器、遠程監(jiān)控中心或便攜式移動控制終端組成。

圖1 LED路燈照明智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能控制終端模塊通過電力載波通信與集中控制器組網(wǎng)，集中控制器通過3G無線通信網(wǎng)絡(luò)與控制中心或便攜式移動控制終端進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)對路燈的實時在線監(jiān)控。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要包括智能終端控制模塊、集中控制器和遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計。

3.1 智能終端控制模塊

智能終端控制模塊主要完成對LED路燈的恒流驅(qū)動、智能調(diào)光控制和PLC組網(wǎng)通信，其硬件組成原理框圖如圖2所示。

圖2 智能終端控制模塊硬件結(jié)構(gòu)

主電路由前端帶PFC功能的開關(guān)電源和后端恒流變換電路組成，開關(guān)電源采用基于L6562功率因數(shù)控制器［9］來實現(xiàn)，可以滿足寬電壓輸入和高PF值的要求。后端的恒流驅(qū)動電路采用Buck變換電路，經(jīng)PWM控制來實現(xiàn)精確恒流控制。MCU控制器采用uPD78F0503D單片微控制器為核心，PLC通信電路采用PL2102芯片［10］，環(huán)境亮度檢測芯片采用帶I2C接口的智能環(huán)境光傳感器NOA1302［11］，它們與控制器間采用I2C總線連接?？刂破魍ㄟ^AD轉(zhuǎn)換接口采集輸出電流反饋值，實現(xiàn)電流閉環(huán)精確控制。

3.2 集中控制器

圖3 集中控制器硬件結(jié)構(gòu)

集中控制器以PLC通信的方式與各終端控制模塊進行通信，并通過3G網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進行通信。負責(zé)采集各模塊數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)控制中心的指令。同時，控制器還采集所連接區(qū)域 (路段)的電能數(shù)據(jù)信息。集中控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要包括uPD78F0511、PLC通信模塊、3G模塊、時鐘和存儲電路、電源模塊和電能計量模塊等。

圖3中，MCU控制器采用uPD78F0511單片微控制器，電能計量模塊采用單相多功能計量芯片ATT7053A［12］，通過 SPI接口和 MCU通信，實時獲取電能參數(shù)信息。微控制器通過I2C接口與PLC通信模塊通信，完成PLC數(shù)據(jù)的采集和指令的傳送。時鐘電路采用內(nèi)置高精度調(diào)整的水晶振子的I2C總線接口方式的實時計時器RX8025，存儲電路采用EEPROM24C64進行數(shù)據(jù)的存儲，MCU通過I2C總線讀取RTC數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)信息的存儲操作。

中國電信的CDMA是3G網(wǎng)絡(luò)里覆蓋最廣泛的，并且傳輸速率較快，上行和下行峰值傳輸速率分別能達到3.1Mbps和1.8Mbps［13］，能夠滿足路燈照明智能監(jiān)控系統(tǒng)無線傳輸速率的要求。設(shè)計采用SIMCOM公司的 SIM5216E［14］模塊進行3G通信設(shè)計，支持 WCDMA通信模式，模塊集成了UART、USB等接口，方便與控制器的設(shè)計開發(fā)。本設(shè)計的MCU采用UART與SIM5216E模塊進行通信，實現(xiàn)集中控制器與監(jiān)控中心的3G組網(wǎng)。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)分為智能終端控制軟件設(shè)計、集中控制器軟件和遠程監(jiān)控的軟件設(shè)計。

4.1 智能終端控制模塊和集中控制器軟件設(shè)計

兩者都采用基于NEC的MCU為控制核心，其控制軟件都采用NEC單片機集成開發(fā)環(huán)境平臺PM+V6.30的進行開發(fā)設(shè)計，利用模塊化設(shè)計思想，采用C語言程序編寫。智能終端控制模塊工作流程如圖4所示，系統(tǒng)開始工作后，進行初始化和準備通信組網(wǎng)，接收集中控制器的指令信息，進行相應(yīng)的操作。

集中控制器軟件主要完成各終端控制模塊的數(shù)據(jù)采集與指令轉(zhuǎn)發(fā)，電能參數(shù)的采集等功能，其工作流程如圖5所示。

4.2 監(jiān)控軟件設(shè)計

監(jiān)控軟件采用基于Visual Studio開發(fā)平臺進行開發(fā)，主要由用戶管理、系統(tǒng)運行監(jiān)控、系統(tǒng)通信管理、能量分析管理、數(shù)據(jù)庫和事件記錄管理等模塊組成，其構(gòu)成圖如圖6所示。

圖4 智能終端控制模塊的工作流程

圖5 集中控制器的工作流程

圖6 監(jiān)控軟件模塊

5 系統(tǒng)測試

根據(jù)所提出的設(shè)計方案，開發(fā)了基于3G通信技術(shù)的LED路燈照明智能監(jiān)控系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行了測試實驗。實驗系統(tǒng)集中控制器5臺，每個集中控制器最多可連接80W(1W的大功率LED10串8并連接，額定恒流2.5A)大功率LED路燈200套，系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)控制規(guī)模1000套。進行了遠程實時監(jiān)控、智能調(diào)光、能量在線檢測等實驗，智能終端控制器模塊實時接收集中控制器的控制指令和回傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，集中控制器通過3G網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)交換通信。在監(jiān)控中心主機上，通過運行智能路燈監(jiān)控軟件，可以發(fā)送控制指令和觀測各路燈的工作的參數(shù)信息等，記錄部分監(jiān)控中心監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分監(jiān)控中心監(jiān)測數(shù)據(jù)表

在系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)測試中，由于受通信距離和電力線通信信道的噪聲等影響，會出現(xiàn)少量數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)采集不準確等影響，為此本系統(tǒng)在軟件設(shè)計時采用多次采樣軟件濾波算法，來消除數(shù)據(jù)干擾，提高數(shù)據(jù)采集的準確度。通過實驗發(fā)現(xiàn)，也可以通過增加集中控制器數(shù)量和減少控制器所連接的路燈數(shù)量，來進一步提高數(shù)據(jù)通信的可靠性。

對比檢測數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)，誤差均在允許的范圍內(nèi)。結(jié)果表明該系統(tǒng)遠距離通信實時可靠、LED路燈運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了基于3G通信技術(shù)的遠程控制，達到了預(yù)期的控制效果和參數(shù)指標。

6 結(jié)束語

將3G通信技術(shù)引入到LED路燈的遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效地改善傳統(tǒng)控制不足和控制容量受限等問題，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可實現(xiàn)能量的實時在線檢測與管理，能滿足未來遠程在線遠程路燈運行狀態(tài)畫面檢測的需要，方便功能的擴展和監(jiān)控水平的提升，也能滿足跨區(qū)域大范圍的路燈監(jiān)控需要，具有廣闊的應(yīng)用前景，這將對路燈控制系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展起到很大的促進和推動作用。

［1］劉明強.大功率LED路燈初探 ［J］.中國高新技術(shù)，2010(22):18～19.

［2］宋紹劍，薛春偉.基于Zigbee的城市路燈智能監(jiān)控終端控制器設(shè)計 ［J］.照明工程學(xué)報，2011，22(4):26～29.

［3］張偉，王宏剛，程培溫.基于GPRS的智能路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.計算機測量與控制，2010，18(9):2104～2106.

［4］鄭春，肖質(zhì)紅.中國3G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)特性與發(fā)展態(tài)勢［J］.商業(yè)時代，2010(7):29～30.

［5］解東光，張峰，張曉宇.基于3G術(shù)的配電變壓器遠程監(jiān)測系統(tǒng).電測與儀表，2009(11):13～15.

［6］Majumder A，Caffery J.Power Line Communications［J］.IEEE Potentials，2004，23(4):4～8.

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

［8］高云，黃漢英，賈桂鋒等.電力載波通信技術(shù)在溫室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上的應(yīng)用 ［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，48(10):2569～2572.

［9］吳樹誼，張建新.L6562功率因數(shù)控制器的應(yīng)用技術(shù)［J］.中國照明電器，2010(11):24～27.

［10］PL2102芯片手冊.北京福星曉程電子科技股份有限公司，2004.

［11］http://onsemi.com.

［12］戴治國.基于ATT7053A的符合國家電網(wǎng)新標準的單相多功能電子式電能表的設(shè)計 ［J］.可編程控制器與工廠自動化，2011(8):56～60.

［13］邢麗麗.基于3G技術(shù)的遠程輻射應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2010，30(3):446～450.

［14］http://www.sim.com/wm.

［15］桂勛，馮浩.基于無線公網(wǎng)和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的輸電線路綜合監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(10):40～43.

［16］鞏浩，屈玉貴.基于短距無線通信與3G的無線集中抄表系統(tǒng) ［J］.計算機工程，2011，37(2):290～292.