基于電力載波的路燈電纜防盜報警器設(shè)計

摘要：介紹了一種基于電力載波技術(shù)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC3548的路燈電纜防盜報警器的硬件和軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)方案。闡述了該方案的原理，即在主機(jī)與從機(jī)間進(jìn)行電力載波通信以檢測電纜狀況，通過單片機(jī)控制TLC3548進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，比較精確地測量出斷纜處距路燈現(xiàn)場控制柜的距離，并將信息經(jīng)GPRS通信模塊上報給服務(wù)器。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該防盜報警器可靠實(shí)用，性價比較高。

引言

本文提出一種基于電力載波技術(shù)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC3548的路燈電纜防盜報警器解決方案，可24小時實(shí)時監(jiān)控電纜通斷狀況，較精確地測量出斷纜位置，并將警情及時上報。

1 系統(tǒng)工作原理

路燈電纜防盜報警器由電纜前端防盜主機(jī)與電纜末端防盜從機(jī)兩部分組成。由于系統(tǒng)報警信號的采集針對的是電力電纜線，其本身就是信號的良好載體，因此主機(jī)與從機(jī)的線纜通信技術(shù)采用電力載波通信技術(shù)。電力載波通信PLC(Power Line Communication)是電力系統(tǒng)特有的通信方式，它是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。電力載波通信的最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電纜，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

路燈供電線纜均采用三相四線制，由于電纜被剪斷時必然三相齊斷，因此系統(tǒng)只要監(jiān)控一相即可。主機(jī)放置在變壓器端，從機(jī)放在線路末端(路燈最后一個燈桿或路燈控制箱中)，當(dāng)有人竊割或發(fā)生事故斷線時，系統(tǒng)就會獲得必要的報警信息。當(dāng)路燈晚上開啟后，若有電纜發(fā)生斷路的情況，此時系統(tǒng)可通過判斷電流數(shù)據(jù)和亮燈率的顯著變化來檢測電纜故障;而當(dāng)白天路燈關(guān)閉后，照明電纜無電，此時則須采用電力載波技術(shù)來檢測電纜故障?；陔娏d波和TLC3548的路燈電纜防盜報警器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

如圖1所示，在每一盞路燈(1，2…n)上都并聯(lián)有功率阻抗器(RT1，RT2，…RTn)。在停電狀態(tài)下若出現(xiàn)斷線或被竊割，則主機(jī)報警終端發(fā)送載波信號，由于中途電纜已斷，電力線載波通信信道不通，末端從機(jī)岡缺電而轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)。報警終端主機(jī)每隔5s發(fā)送一組載波信號，如收不到末端從機(jī)的回答信號，可以認(rèn)為主機(jī)與從機(jī)間電力線路中斷。

當(dāng)電纜斷路，路燈終端負(fù)載數(shù)量產(chǎn)生變化，整條被測電纜的阻抗隨之產(chǎn)生變化，TLC3548及其外圍電路可以精確地測出其變化值，經(jīng)單片機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)阻抗值對比，即可較精確地測量出電纜斷路處距路燈控制配電柜(變壓器端)的位置。報警器主機(jī)通過RS485將警情上報給路燈控制器，然后路燈控制器經(jīng)GPRS通信模塊將報警信息上報給路燈控制中心的管理服務(wù)器，工作人員接到報警信號后，立即通知工程搶修車搶修，必要時可與110報警中心聯(lián)合行動。

2 硬件設(shè)計

電纜防盜報警器主機(jī)可同時檢測6條線路，每條線路的末端需要配備一臺從機(jī)。主機(jī)在硬件上分為顯示板與控制板兩部分。顯示板主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，包括設(shè)置、加減、查看、確定等按鍵，以及8位LED數(shù)碼管和用于顯示電纜狀態(tài)信息的發(fā)光二極管，從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)的輸入與輸出功能。主機(jī)的控制板則包括單片機(jī)、電力載波模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC3548、時鐘電路、RS485通信接口、繼電器輸出控制、電源模塊及后備可充電電源、本地聲光報警等硬件資源，其硬件原理框圖如圖2所示，該圖為測一路電纜的情況。

主機(jī)單片機(jī)選用Microchip公司的PIC18F2520，它集成了256字節(jié)的EEPROM，帶有外接RS485的增強(qiáng)型UART接口，可很好地滿足主機(jī)的硬件控制需求。主機(jī)的單片機(jī)通過RS485接收到路燈控制器的關(guān)燈指令后，通過控制TLC3548選擇被測電纜，然后驅(qū)動繼電器控制電路，圖2中的兩只繼電器接通所測電纜。與此同時，單片機(jī)通過控制電力載波模塊向電纜發(fā)射載波信號，接收從機(jī)的應(yīng)答信號，并查詢TLC3548所測的電纜阻抗值與標(biāo)定的阻抗標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，并對數(shù)據(jù)加以存儲。倘若主機(jī)接收不到從機(jī)的應(yīng)答信號，單片機(jī)立刻將警情與計算出的斷纜距離通過RS 485上報給路燈控制器，并驅(qū)動本地聲光報警裝置。

防盜報警器從機(jī)的硬件設(shè)計相對簡單，主要包括單片機(jī)、電力載波模塊、繼電器控制電路、電源模塊及后備可充電電源等硬件資源。當(dāng)從機(jī)接收到主機(jī)的電力載波信號后，立即發(fā)回一個“應(yīng)答”信號給報警終端，以表明被測線路正常。

2.1 電力載波通信控制電路設(shè)計

電力載波通信模塊選用四川科強(qiáng)公司的KQ100F，該模塊可在干擾較小的市電正弦波基波零點(diǎn)處進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，接收靈敏度較高，遠(yuǎn)傳效果顯著。

電力載波通信控制電路原理如圖3所示，KQ100F的控制端由RX、TX、R/T三個端口構(gòu)成，輸出信號全為TTL電平，TX接PIC18F2520的RB4端口發(fā)送數(shù)據(jù);RX接PIC18F2520的RB5端口接收數(shù)據(jù);R/T為接收/發(fā)送控制端，R/T為高時模塊處于接收狀態(tài)，R/T為低時處于發(fā)送狀態(tài)，由PIC18F2520的RB3端口進(jìn)行控制。

VAA端為發(fā)送功率電源，發(fā)送時電流約300 mA，為提高電力載波發(fā)送距離，使用直流穩(wěn)壓15 V電源。KQ100F的兩個AC端經(jīng)光耦與繼電器控制電路，連接市電的火線L和零線N，光耦TIL113由PIC18F2520的RA0與RA1口進(jìn)行控制通斷，火線與零線均接有保護(hù)二極管。

2.2 TLC3548模擬數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

TLC3548是TI公司的14位高分辨率串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它采用SPI串行輸入結(jié)構(gòu)，具有8通道、轉(zhuǎn)換速度快、功耗低等特點(diǎn)。TLC3548在工作溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換時間僅為2.895μs，采樣率高達(dá)200 ksps，最大線性誤差為±1LSB。TLC3548內(nèi)部有一個片內(nèi)的8通道多路選擇器，可設(shè)置為8路單極性ADC或4路雙極性ADC。

TLC3548模擬數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示，PIC18F2520的RC2、RC3、RC4與RC5構(gòu)成SPI接口與TLC3548進(jìn)行通信。TLC3548在轉(zhuǎn)換結(jié)果結(jié)束時，EOC輸出端變?yōu)楦唠娖奖硎巨D(zhuǎn)換完成，PIC18F2520的RB0口可檢測此信號，并可輸出中斷信號給TLC3548。TLC3548使用5 V參考電壓，其BGAP引腳與模擬地間并聯(lián)0.1μF的內(nèi)部帶寬補(bǔ)償電容。TLC3548的A0～A5分別接6路電纜路燈阻值負(fù)載變化值采集通道，圖4中給出了第一路的圖例，其前端模擬信號輸入通道AIN1所測的電壓值必須有與之匹配的高精密繞線電阻R1，其阻值要在路燈電纜應(yīng)用現(xiàn)場進(jìn)行標(biāo)定，并隨著電纜路燈負(fù)載的變化重新進(jìn)行測定。路燈電纜防盜報警器主機(jī)所在的配電柜安裝有電流傳感器，TLC3548的模擬通道AIN7可采集電流傳感器輸出的0～5V信號，以判斷路燈電纜是否有電流。

3 軟件設(shè)計

3.1 防盜報警器主機(jī)軟件設(shè)計

防盜報警器的主、從機(jī)軟件采用C語言和匯編語言混合編程。軟件程序的設(shè)計采用模塊化編程思想，主要包括鍵處理程序、顯爾程序、主程序、串口終端程序等。主機(jī)顯示板的鍵處理程序主要包括標(biāo)準(zhǔn)阻抗值設(shè)置、通道選擇、工作模式、載波發(fā)送周期、時鐘沒置等功能，其主機(jī)軟件流程圖如圖5所示。

如圖5所示.單片機(jī)PIC18F2520的控制程序流程如下：

首先對起始端報警器主機(jī)中各功能模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，并在路燈開啟時.分別控制繼電器J1、J2，斷開與電纜的火線L、零線N的連接。

其次PIC18F2520通過GPRS通信模塊接收電纜的標(biāo)準(zhǔn)阻抗值A(chǔ)，并對該數(shù)值進(jìn)行更新，然后判斷是否接收到遠(yuǎn)程控制中心發(fā)出的關(guān)燈指令;如果未收到，則程序返回到初始化完成處，并等待接收關(guān)燈指令;如果PIC18F2520接收到關(guān)燈指令，即驅(qū)動TLC3548采集電流傳感器測出電纜的電流數(shù)據(jù)，以此判斷電纜是否有電流。

若PIC18F2520判斷電纜上有電流，則通過TLC3548計算此時電纜的標(biāo)準(zhǔn)阻抗值B，并將此時的標(biāo)準(zhǔn)阻抗值B和電纜的無斷纜狀態(tài)經(jīng)GPRS通信模塊上傳給遠(yuǎn)程控制中心;若PIC18F2520判斷電纜上無電流，則控制繼電器J1、J2吸合，并控制電力載波通信模塊向電纜的火線L與零線N發(fā)送電力載波信號。

若PIC18F2520通過電力載波通信模塊接收到安置在電纜末端報警器從機(jī)的電力載波應(yīng)答信號，則表示電纜正常，TLC3548計算此時電纜的標(biāo)準(zhǔn)阻抗值C并進(jìn)行該數(shù)值的更新，將更新后的標(biāo)準(zhǔn)阻抗值和電纜的無斷纜狀態(tài)經(jīng)GPRS通信模塊上傳給遠(yuǎn)程控制中心;若PIC18F2520接收不到應(yīng)答信號，則認(rèn)為電纜中斷，此時PIC18F2520控制電力載波通信模塊繼續(xù)發(fā)射電力載波信號，并驅(qū)動TLC3548測量AIN1通道電壓，將得到的電壓數(shù)據(jù)換算成此時電纜的實(shí)際阻抗值D，與預(yù)先通過GPRS通信模塊接收到的電纜正常時的標(biāo)準(zhǔn)阻抗值A(chǔ)進(jìn)行差值計算。PIC18F2520將計算得到的差值進(jìn)行查表程序換算，即得到電纜斷纜處距電纜起始端的準(zhǔn)確距離，然后將此距離值和報警信息經(jīng)GPRS通信模塊上傳給遠(yuǎn)程控制中心，并驅(qū)動聲光報警裝置在起始端報警器主機(jī)所在位置進(jìn)行現(xiàn)場報警。管理人員接到報警信息后，可以立刻組織相關(guān)人員到現(xiàn)場進(jìn)行查看、搶修或者報告警方。

3.2 防盜報警器從機(jī)軟件設(shè)計

防盜報警器從機(jī)的軟件設(shè)計功能相對簡單，主要功能即循環(huán)查收主機(jī)發(fā)送的載波信號，并每5 s向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答編碼信號，并開啟定時器計時。

此外，電力載波信號在電纜上的傳輸距離在3 km左右，倘若路燈鋪設(shè)電纜的距離超過這一上限，則需要加中繼防盜報警器。此時，中繼防盜報警器既具有主機(jī)的載波發(fā)射作用，又具有從機(jī)應(yīng)答接收載波信號的功能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計的路燈電纜防盜報警器應(yīng)用于濰坊市昌樂縣遠(yuǎn)程路燈管理系統(tǒng)中。以昌樂縣孤山街為例，全街長為3.12 km，雙向共有路燈396盞，實(shí)測正常阻抗值A(chǔ)為6.87 kΩ。以孤山街其中6盞路燈為例，分別在#1、#50、#100、#200、#300與#396路燈所在位置切斷電纜，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。

由表1可以看出，路燈距離報警器主機(jī)(配電柜)越近，斷纜導(dǎo)致的異常阻抗值和TLC3548模擬通道AIN1采集的電壓值變化越大。路燈電纜防盜報警器測得的斷點(diǎn)距離可精確到1 m，因而能夠較準(zhǔn)確地判斷出斷纜位置。

結(jié)語

基于電力載波技術(shù)和TLC3548的路燈電纜防盜報警器在實(shí)驗(yàn)中取得了預(yù)期的效果，但也存在一些需要改進(jìn)的問題。眾所周知，不同城市與街道的路燈電纜鋪設(shè)構(gòu)造形式多樣，有的環(huán)境異常復(fù)雜，電纜通電后，存在容抗、感抗、漏電等多種情況，這都會引起TLC3548阻抗計算的誤差。因此，對照明電纜的應(yīng)用環(huán)境的實(shí)地考察顯得格外重要，要結(jié)合實(shí)際設(shè)計技術(shù)與施工方案，必要時要加防盜中繼報警器以提高系統(tǒng)的可靠性。