基于電力線載波的路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于電力線在進(jìn)行跨變壓器傳輸時(shí)信號(hào)衰減大，所以根據(jù)實(shí)際需求可以采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信的方式傳輸或者通過路由接入廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)數(shù)據(jù)通信。管理人員只需要對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作，通過電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，就能對(duì)路燈的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制和對(duì)路燈的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查詢，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈及時(shí)有效的管理控制。

1.1 設(shè)計(jì)思路

路燈控制系統(tǒng)由主控中心、路燈智能控制中心、路燈控制盒三大部分組成。配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送，主控中心可以通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)或路由器與路燈智能控制中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。智能控制中心接收到主控中心的命令后再通過電力線載波的方式將監(jiān)控中心的命令傳送到各支路的路燈分控盒。與此同時(shí)，路燈智能控制中心通過電力線載波模塊對(duì)每一個(gè)路燈的溫度、亮度、電壓、電流等情況進(jìn)行檢測(cè)，并向主控中心發(fā)送電壓電流異常報(bào)警、路燈故障報(bào)警、超高溫度報(bào)警等信息，以達(dá)到對(duì)每個(gè)路燈進(jìn)行管理控制的目的。如圖1所示。


1.2 硬件設(shè)計(jì)

主要對(duì)路燈控制系統(tǒng)的控制器模塊與電力線傳輸模塊的接口和電力線傳輸模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2.1 MI200E電力線載波芯片

電力傳輸模塊選用上海彌亞微公司生產(chǎn)的MI200E電力線載波通信芯片，它采用復(fù)雜的正交調(diào)制原理，該原理應(yīng)用在信號(hào)衰減變化劇烈的電力線傳輸中有極大的優(yōu)越性。相比較于當(dāng)前主要的窄帶通信方式、擴(kuò)頻通信方式、正交頻復(fù)用技術(shù)，它能夠更有效地阻止相位和正交之間的關(guān)聯(lián)所帶來的消極影響。MI200E是專門針對(duì)低壓電力線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的高集成度、高性能的電力線載波通信芯片，具有通信可靠，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，用戶可以非常容易地將模塊嵌入到系統(tǒng)中[2]。

1.2.2 控制器模塊

選用LM3S6916的32位ARM處理器作為智能控制中心的控制器，它支持最大主頻為50 MHz的ARM Cortex-M3內(nèi)核，集成的嵌套向量中斷控制，它相比于其他控制器的最大優(yōu)勢(shì)在于其集成了100 MHz的以太網(wǎng)[3]。當(dāng)智能控制中心與主控中心處于不同的局域網(wǎng)時(shí)，計(jì)算機(jī)通過路由器與廣域網(wǎng)連接，只要對(duì)IP地址進(jìn)行配置就能實(shí)現(xiàn)通信，或者也可以采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?？刂破髋c電力線傳輸模塊采用SPI接口，它不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，簡(jiǎn)單而高效，最高速率可達(dá)幾Mb/s。接口硬件原理圖如圖2所示。

控制器LM3S6916的CPU主頻采用6 MHz、3.3 V的電源供電，25 MHz晶振用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位操作。CS是MI200E的片選輸入，SDO是串行數(shù)據(jù)輸出，SDI是串行數(shù)據(jù)輸入，SCK是串行時(shí)鐘輸入。讀指令時(shí)，將片選信號(hào)CS設(shè)置為低電頻，此時(shí)SDO為高阻態(tài)，串行數(shù)據(jù)由SDI輸入，并且時(shí)鐘信號(hào)SCK的上升沿被鎖存。寫指令時(shí)，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)SCK的下降沿由SDO輸出。PLC_AC接通電源后，通過電力線載波的傳輸方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

1.2.3 電力傳輸模塊

智能控制中心的控制器通過電力載波模塊與分控盒電力載波模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。由于MI200E電力線載波芯片高度集成的特點(diǎn)，使得它的外圍電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，故本設(shè)計(jì)選用MI200E作為電力線載波通信芯片，電路原理圖如圖3所示。

MI200E的模擬電源AVDD和數(shù)字電源DVDD分別并接入10μF的電解電容和100 nF的電容，對(duì)電源進(jìn)行濾波。電路設(shè)計(jì)中在數(shù)字電源DVDD和模擬電源AVDD間串接入磁珠，降低了數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。為了減少220 V電壓對(duì)電力載波芯片的沖擊，本設(shè)計(jì)還在VAC+和VAC-上分別串聯(lián)5.1 MΩ和220 kΩ的電阻后接入電力線。MI200E能根據(jù)不同的要求選擇不同的載波速率，本設(shè)計(jì)采用1 920 b/s的傳輸速率、12 MHz的晶振頻率，由PA和PB以76.8 kHz的載波信號(hào)輸出，載波信號(hào)經(jīng)過耦合電路后發(fā)送到電力線。RAI+和RAI-接收電力線上76.8 kHz的載波信號(hào)，MI200E載波芯片對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)用Keil uVision3作為L(zhǎng)M3S6916的編程開發(fā)工具，主程序設(shè)置時(shí)間中斷，每隔2 ms對(duì)MI200E的內(nèi)部寄存器進(jìn)行查詢。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MI200E先以200 b/s的速率傳輸幀頭、波特率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。然后用戶可以根據(jù)要求重新配置模式寄存器，改變發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率。MI200E具有硬件自動(dòng)校驗(yàn)功能，可直接從寄存器中讀出較驗(yàn)值。接收數(shù)據(jù)時(shí)，先將發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)置的波特率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寫入寄存器，硬件完成CRC校驗(yàn)后，檢查接收的數(shù)據(jù)是否正確。系統(tǒng)一直默認(rèn)為接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。


3 系統(tǒng)測(cè)試

將系統(tǒng)的控制中心模塊通過網(wǎng)口與智能控制中心模塊連接，智能控制中心模塊通過電力線與分控盒模塊連接。通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手對(duì)智能控制中心與分控盒通過電力線載波通信進(jìn)行了多次測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了兩者之間的可靠通信。主控中心通過電力線載波方式對(duì)路燈實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制開燈、關(guān)燈、上傳系統(tǒng)時(shí)間、上傳路燈運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈的監(jiān)控與控制要求。本地端口號(hào)為默認(rèn)的4 374，本地的IP地址為192.168.1.55，設(shè)置服務(wù)器即智能控制中心的端口號(hào)為5 000， IP地址為192.168.1.191。通過網(wǎng)絡(luò)口調(diào)試助手對(duì)智能控制中心與分控盒通過電力線載波通信進(jìn)行了多次測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了兩者之間的相互通信。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試如圖5所示。

以太網(wǎng)幀傳輸協(xié)議測(cè)試結(jié)果顯示，上傳強(qiáng)制開燈或關(guān)燈命令，路燈分控盒返回?cái)?shù)據(jù)SGGOPL<1KPGO00000000表示1號(hào)路燈開燈或關(guān)燈成功。上傳系統(tǒng)時(shí)間命令返回?cái)?shù)據(jù)0001UTGO，對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)據(jù)為30 30 30 31 55 54 47 30 20 10 12 02 04 02 16 46 OD OA，即系統(tǒng)時(shí)間為20 10 12 02 04 02 16 46，表示2010年12月2日星期四2點(diǎn)16分46秒。上傳路燈運(yùn)行參數(shù)命令返回?cái)?shù)據(jù)0002UPGO，對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)據(jù)為30 30 30 32 55 50 47 30 F1 46 46 00 00 00 00 01 01 DE OD OA，即路燈運(yùn)行參數(shù)為F1 46 46 00 0000 00 01 01 DE，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)為241 70 70 0 0 0 0 1 1 222，表示繼電器開關(guān)狀態(tài)241、路燈運(yùn)行模式70、路燈強(qiáng)制/自動(dòng)方式70、路燈亮度值0、環(huán)境亮度00、環(huán)境溫度01、CPU溫度1222。

電力線是一個(gè)廣泛存在的網(wǎng)絡(luò)，利用這一優(yōu)勢(shì)，不需要對(duì)路燈系統(tǒng)重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要利用已有的配電網(wǎng)就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這在很大程度上降低了基礎(chǔ)建設(shè)和維護(hù)的成本。本文選用的MI200E作為電力線載波通信模塊，它能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的傳輸，在此基礎(chǔ)上研究和設(shè)計(jì)了一種基于電力線載波的方式對(duì)路燈進(jìn)行控制的系統(tǒng)。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)表明，方案設(shè)計(jì)可行，性能穩(wěn)定可靠，可為今后“低碳”經(jīng)濟(jì)提供借鑒[4]。