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基于电力线载波通讯的路灯控制系统设计
作者:管理员    发布于:2016-02-01 16:14:39    文字:【】【】【

  公共路灯是城市建设中必不可少的公用设施之,与人民的生活和交通安全有着密切的联系。传统的路灯总控制室只能实现所有路灯的开和关,不能进行单灯控制,造成电能的浪费,且无法实时了解路灯工作是否正常,导致路灯维护迟缓,给市民造成生活上的不便,因此国内外路灯系统正朝着节能、单灯控制以及远程监控的方向发展。目前应用于路灯控制的通信方式主要包括有线通信、短距离无线通信。本文设计了种基于电力线载波通信的路灯控制系统,该系统能够实现路灯的单灯控制,并且实时监测路灯运行的情况。

  1系统结构和工作过程路灯控制系统的组成框图如所示,它由个主控单元和多个从控单元组成。主控单元和从控单元都是以电力线载波芯片PL3106为核心,主控单元安装在路灯的总控制室内,从控单元安装在各个路灯控制箱内,每个从控单元控制个路灯,主控单元与从控单元以电力线载波通讯方式实现数据交换。该系统可以对单个路灯、分组路灯或者所有路灯进行控制。要开启或者关闭单个路灯时,PC机通过串口发送路灯开启或者关闭的命令给主机,主机将命令通过电力线载波方式传输给从机,从机接到数据后一方面根据指令操作继电器的开关,另一方面返回继电器状态给主机。当需要同时开启或者关闭所有路灯时,主机发送基金项目:西安工程大学研究生创新基金资助项目(CHX131119)通讯作者:陈增禄(1957-),男,山西省运城市人,西安工程大学教授,博士。主要从事电力电子技术,电动机变频调速,光伏逆变系统等方面的研究。E-mail:chen广播命令给所有从机,从机全部响应,不返回数据。

  公共路灯监控系统框图当从机接收到路灯开启的指令并启动路灯后,启动A/D转换,实时监测路灯电压。如果发现路灯电压持续低于一定阈值,表示路灯发生故障,从机即向主机发送故障信息,主机将故障信息发送给PC机,在Labview界面里显示出来,方便操作人员实时了解路灯状况,及时维修路灯出现的故障。

  2载波模块的硬件结构电力线载波通信系统的核心是电力线载波通信芯片,本系统选用北京福星晓程公司开发的载波通信PL3106芯片是依据我国电力网的特殊情况专门设计的,应用于低压电力线载波通信的场合,该芯片集调制、解调、微控制器、输入输出等功能于一体。PL3106内嵌增强型8051兼容微处理器,两个可灵活配置的全双工多功能UAR丁,2路16位A/D转换器,可实现高精度的数据转换;内嵌扩频通信调制/解调模块,调制/解调过程完全由硬件实现,不需要用户软件操作,可靠性高;采用5V单电源供电,芯片功耗低;数据传输速率可以根据用户的需要选择500bit/s或250bit/s;载波调制输出可配置为正弦波输出或方波输出。PL3106具有与典型的51单片机兼容的指令系统,可以直接使用51系列单片机的编译器等开发工具,降低了开发难度,加快了开发速度。

  电路工作在发射状态时,从芯片P1. OUT)发出的信号功率相对较小,为了在较长距离内有效传输,需要设计功率放大电路。为了防止谐波进入电网,设计有滤波电路。

  PL3106芯片的发送电路如所示,此发送电路是芯片以方波输出时的功率放大电路。A和D2用于电路保护,吸收低压电力线上的脉冲干扰;4个三极管构成达林顿开关放大器,实现发送信号PSK OU丁的功率放大。VHH般外接1518V的直流电源,为功率放大电路提供能量;VHH决定着载波发射功率的大小,VHH越大,发射功率也越大。

  电容G、电感L组成带通滤波电路,以滤除载波信号中的高次谐波。电感L的下端接到中D7上,并通过中的耦合变压器将载波信号耦合到电力线上。

  PL3106芯片的接收耦合电路如所示,A用于箝位,以防止过大的尖峰电压;C9和L2组成并联谐振电路,具有对120kHz信号的选频作用,以去除噪声干扰;A和A有限幅的作用,将接收的载波信号的电压钳位在0.7V.耦合变压器71实现信号在强电侧与弱电侧之间传递,同时将强电侧与弱电侧进行隔离,由于采用接收发送分开进行的半双工通信方式,发送与接收可共用个耦合变压器,不会造成收发冲突。C8和L1.组成的选频滤波电路对220V/50Hz的工频信号有隔离作用,而120kHz的信号则可以几乎没有衰减地正常通过。

  3载波通讯协议上位机与下位机的通讯采用主从模式,主机的信息可以发往任何一个从机,但从机的信息只能发给主机,各个从机之间互不通讯。主机可以采用广播方式及非广播方式和从机进行通讯,广播方式下所有的从机都会接收耦合电路接收主机发来的信息,不再向主机返回数据;非广播方式下,主机每次发送的数据包中只含有一个从机地址,从机接收到信息之后会向主机返回继电器状态、路灯运行状况等数据。上位机和下位机之间载波通信的协议帧格式如表l所示。表l中各部分说明如下:表l载波通讯协议巾贞格式说明代码长度预同步头48bit6字节帧同步头0x091字节被叫地址A1A02字节数据长度L1字节数据域DATAL字节校验码CS1字节(1)预同步头:至少6字节,即48bit持续高电平(0FFH),用于载波芯片捕获和跟踪接收到的扩频信号。

  数据域DATA:数据域包括主叫地址、继电器操作命令、路灯运行状态(下位机向上位机返回数据时才有)。

  校验码CS:从被叫地址开始到校验码之前的所有字节的和,不计超出255的溢出值。

  4Labview控制界面本系统的控制界面利用Labview软件实现,Labview界面都是图形化的,操作简单。Labview与上位机通过串口进行通信,波特率为1200bit/s,其界面如所示。

  五号路-11七号路灯四号路灯六号路灯八号路灯。另外,本系统测试了主控节点发送时和信号传输到3号从控节点时的电压波形以及从控节点返回数据时这两点的电压波形,测试点均为耦合变压器低压侧两端;主控节点和从控节点均采用5V和12V供电,5V为芯片及其外围电路提供电源,12V为发送放大电路提供电源;3号从控节点距离主控节点大约70m,是4个从控节点中距离主控节点远的个;测试时。

  抗干扰能力较强。根据扩频通信的理论,接收端可以在信噪比很低的情况下解扩得到正确数据,根据70m处电压衰减量可以推算出本系统能够正确传输距离在500m左右,并且提高发射电压还能增加通信距离。

  在实际路灯控制时,由于距离较长,还需要采用中继对信号进行放大。系统经过多次实验,都能够正确对路灯进行控制,且整个系统经过长时间测试运行稳定。

  6结束语利用电力线作为通信信道的路灯控制系统,为路灯自动控制提供了种更好的解决方案。通过对10盏灯具的控制测试表明本文提出的控制系统是可行的、合理的。本系统采用图形界面,使得路灯控制操作非常简单,路灯故障信息也一目了然。

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