基于电力线载波的LED路灯监控系统设计.pdf

第 5 2卷第 2 2期 2 0 1 5年1 1月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a i M e a s ur e me n t& I n s t r u m e n t a t i o n V0 1 5 2 No 2 2 No v 2 5。 2 0 1 5 基 于 电力线载 波的 L E D路灯 监控 系统设计 刘伊莎 ， 黄胜 明 ， 毛周 明 ( 1 南京工业大学 电气与自动化学院， 南京 2 1 1 8 1 6 ； 2 深圳华智测控技术有限公司， 广东 深圳 5 1 8 0 0 0 ) 摘要 ： 随着城市的发展 ， 人们对路灯的节能减排及智能控制的要求越来越高 ， 针对这种情况 ， 设计了一套基于电 力线载波技术的 L E D路灯监控系统。采用 电力线载波芯片 R I S E 3 5 0 1 结合 A T me g al 6微型控制器的方式 ， 完成 了集中控制器和终端控制器的软硬件设计 ， 实现 了 L E D远程开关灯 、 调光等控制 ， 并对 R I S E 3 5 0 1芯片载波电 源 电流和电压波形进行了测试 。最后对采用智能监控系统 的 L E D路灯 的经济效益进行了分析。 关键词： 电力线载波 ； L E D路灯监控系统 ； 终端控制器 ； 经济效益 中图分类号： T M 9 2 3 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 2 2 - 0 1 1 3 -06 De s i g n o f LED s t r e e t l a mp mo n i t o r i n g s y s t e m ba s e d o n p o we r l i n e c a r r i e r c o m mun i c a t i o n t e c hn o l o g y Li u Yi s h a ，Hu a n g S he n g mi n g ，Ma o Z h o u mi ng ( 1 Na n j i n g死 U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 1 8 1 6 ， C h i n a 2 C h i n a w i s e s t T e c h n o l o g y C o ， L t d ， S h e n z h e n 5 1 8 0 0 0 ，G u a n g z h o u ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：W i t h t h e d e v e l o p me n t o f t h e c i t y，t h e d e ma n d f o r e n e r g y s a v i n g a n d e mi s s i o n s r e d u c t i o n a n d i n t e l l i g e n t c o n t r o l o f s t r e e t l a mp i s i n c r e a s i n g l y h i g h Ai mi n g a t t h i s s i t u a t i o n，a mo n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n p o we r l i n e c a r tie r c o mmu n i c a t i o n t e c h n o l o g y i s d e s i g n e d T h e s y s t e m d e s i g n for s o f t w a r e a n d h a r d wa r e o f c o n c e n t r a t o r s a n d c o n t r o l t e r mi n a l s a r e c o mp l e t e d b a s e d o n P L C c h i p RI S E 3 5 0 1 a n d MC U c h i p AT me g a 1 6，a l s o r e mo t e c o n t r o l o f s wi t c h i n g a n d d i mmi n g f o r L E D l i g h t i n g i s i mp l e me n t e d T h e n，t h e s u p p l y c u r r e n t a n d v o h a g e wa v e for ms o f P L C c h i p RI S E 3 5 0 1 are t e s t e d F i n a l l y，t h e e c o n o mi c b e n e f i t s o f L E D l i g h t i n g i n t e l l i g e n t mo n i t o r i n g s y s t e m are a n a l y z e d Ke y wo r d s ：p o w e r l i n e c a r r i e r ，L E D s t r e e t l a mp mo n i t o r i n g s y s t e m，t e r mi n a l c o n t r o l l e r ，e c o n o mi c b e n e f i t s 0 引 言 目前 ， 由于 L E D照明节能特性 ， 城市照明逐渐采 用高效节能清洁的 L E D路灯来替代传统的高压钠 灯、 荧光灯等。然而 ， 在城市道路 照 明的监控方 面 ， 还存在诸多问题。主要体现在以下四个方面： ( 1 ) 开 关灯方式落后； ( 2 ) 调节操控能力不足； ( 3 ) 不具备路 灯照明状况监测 功能 ； ( 4 ) 不具备设 施 防盗 监测功 能。 因此 ， 建立合适的监控系统 ， 用远程控制技术对 路灯照明进行智能监控和科学管理尤为重要。文章 设计 了一套基于电力线载波技术 的 L E D路灯监控系 统， 电力线载波通信( P L C ) 是电力系统特有的、 基本 的通信方式， 与其他通信方式相 比电力线载波通信 以现有的非常发达的电力线为载体， 有传输数据信 息可靠、 投资少、 施工期短无需再铺设信号线等优 点 ， 已经越来越多的被应用于社会生活的方方面面。 此系统具备远程化实时性监控 、 单灯管控、 集中 控制、 分组定时开关灯控制 、 灯具 故障监测报警 、 数 据分析管理、 灯具 线路防盗报警等能力。构成路 灯的二次节能模式 ： 一次节能为 由具有高效节能功效 图 1 路灯照明的二次节能示意图 F i g 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f s e c o n d a r y e n e r g y s a v i n g f o r s t r e e t l i g h t i n g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 2 2期 2 0 1 5年l 1月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t I n s t r u me nt a t i o n V0 I 5 2 No 2 2 N0 v 2 5。 2 0 1 S 处理。集中器接收监控 中心发送的控制信 息 ， 通 过 电力线载波传送到路灯端 ， 并将路灯端数据返 回监 控 中心 。路灯控制器安装在路灯灯杆维护孔 内。接 收控制中心发来的控制信息 ， 对 L E D路灯进行相应 的控制动作 ， 并将路灯运行的实时数据返回 。 2 路灯控制器的设计 路灯控制器主要 由载波通信模块 和 MC U电路 组成。载 波 通 信 模 块 主 要 包 括 集 成 电 路 芯 片 R I S E 3 5 0 1 。R I S E 3 5 0 1是一款 专用于电力线载波通信 的单片系统芯片。MC U处理整个路灯控制器的的数 据 ， 并接收电力线载波部分发出的工作指令 ， 执行开 灯 、 关灯 ， 回送电流 电压数据 ， 自动上报路灯故障和 过载信号灯任 - 10 务。 2 1 载波通信模块外围电路设计 要保证载波通信模块正常工作还需要外围电路的 支持， 下面介绍配合载波通信模块工作的外围电路。 2 1 1 载波接收电路 如图 5示 ， 在载波接收电路中 ， 载波信号从 T X O U T进人 ， 通过三 阶带通 ( B P F ) 滤波器 和衰减控制 电路 进入 R I S E 3 5 0 1 -P G C V I N接 口引脚 。图 7中 C A G C控 制 为 R I S E 3 5 0 1增 益 控 制 引 脚 ，当进 入 R I S E 3 5 0 1 信号过大时， C A G C控制使得信号在进入 芯片之前先进行 2 0 d B的信号衰减处理 。 二极管 D l 和 D 2的作用是将接收的载波信号的 电压钳位在 0 7 V ， 接收信号经过电容 C 3 0 7到 R I S E 3 5 0 1的 P G C V I N弓 i 脚 ， 信号在芯片 中电压会被 适当的上拉接收滤波电路则根据芯片工作的载波频 率以及带宽滤除 无用信号与噪声 ， 将有用的 载波信 号输入给 R I S E 3 5 0 1芯片。 图 5载 波接 收 电路 F i g 5 C a r r i e r r e c e i v i n g c i r c u i t 2 1 2 载波耦合电路 如图 6示 ， 输 入端 L线 上 串有一 个 0 。4 7 p W 2 7 5 V聚酯电容 ， 用来隔离 5 0 H z交流电和通 过有用 的高频载 波 信号。并 有一个 l ： 1耦 合线 圈 ( 2 2 mH) 以传输有用的载波信号， 同时起到隔离高压 作用， 耦合变压器 T 1 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 可共用一个耦合变压器 ， 不会造成收发冲突。 2 2 MC U 电路 设 计 MC U部分 ： MC U为路灯 控制器 的控制核 心， 执 行如下多项 任务 ： ( 1 )读取电压 、 电流、 功率等数据 ： ( 2 )与载波模块通信； AC 0 L _I N AC2 2 O N I N DGND 图 6载波耦 合 电路 F i g 6 Ca r r i e r c o u p l i n g c i r c u i t ( 3 )控制继电器动作； ( 4 )过流保护( 报警) 和负载短路报警； ( 5 )输出P WM调光信号。 文章路灯控制器设计所采用的微控 制器是 A T 一 1 l 5 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 2 2期 2 0 1 5年1 1月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t I n s t r u m e nt a t i o n V0 1 5 2 NO 2 2 No v 2 5。 2 0 1 5 ME L公司的 A V R系列单片机 A T me g a l 6 ， 该单片机采 用先进 R I S C结构的 A V R内核 ， 片 内含有较大容量 ， 非易失性 的程序和数据存储 器 ， 片内含有 J T A G接 口， 有大量外围接 口。 该微控制器主要作用是完成对电力线载波芯片控 制寄存器的读写测试 ， 使得 电力线载波芯片能够按照 我们要求的工作方式去工作； 完成数据通过电力线的 发送和接收； 完成实时响应外围中断和轮询及时做出 相应处理。主要用到 A T m e g a l 6的外部中断、 定时器中 断、 异步通信 口U S A R T ， 以及串行通信 S P I 完成对调制 解调芯片操作以及电力线通信的操作 。 2 3路 灯控 制 器软件 设计 通信协议是通信双方或多方的一种标准约定 ， 载 波通信采用 ( B P S K) 调制解调方式。系统硬件设备进 入初始化后， 首先判断是否能收到 P L C控制命令， 若 是则进行开关灯、 查询电气参数、 调光等动作； 若不是 则检测电气参数是否达到报警条件， 如果达到报警条 件则判断报警为真； 最后当操作报警为真时判断计时 是否够五分钟 ， 如果是则 P L C主动上报报警； 不是则 返回主循环起始位置， 流程框图如图 7所示。 开关灯 查询电气参数 调光 图7单灯节点流程 图 Fi g 7 S i n g l e l a mp no d e flo wc h a r t 图 8开灯流程框图 控制软件设计如下 ： 函数名称 ： R e l a y O N 函数功能 ： 开灯 Vo i d Re l a y O N ( u i n t 8 r l y l ， u i n t 8 r l y 2 ) I f( r l y l=：1 ) 一 1 1 6 一 图 8开灯 流程 图 F i g 8 S wi t c h i n g o n fl o wc h a r t R EL AY1 一O N( ) ； 开启继电器 1 Re l a y l _S t a t u s =1 ； 设置继电器 1状态 i f ( r l y 2=1 & & v e r s i o n s t a t u s = 2 ) R EL AY2 一O N ( ) ； 开启继电器2 Re l a y 2 _S t a t u s =1 ； 设置继电器 2状态 3 测试与分析 3 1 L E D远 程 开关灯 、 调光控 制 系统澳 佣 白 炽灯模拟L E D路灯，用个集中 控制 器和 一 ? 灯控制器进行测试， 在集中器接 工作的情况 下， 首凳睁 双灯控制器的输出输入端与测试板连接起来， 嗍调光端与示波器相连， 然后将集中控制器通过网线连 接在路由 器上， 每个双灯控制器 匕 连接两盏灯， 最后将系统 都接|人 到A C 2 V电力研境中。测瞬黻图如图9 。 图 9测试 电路连接 图 Fi g 9 Te s t c i r c ui t c o n n e c t i o n d i a g r a m 在系统全部搭接 好之后 ， 可以通过按键或者上 位机软件对灯的状态进行控制。首先使两灯全开， 然后使灯一调光灯二灭， 接着使灯二调光灯一灭， 最 后两盏灯全关。测试结果通过上位机 的操作实现 L E D筒灯状态的变化效果如图 1 O所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 2 2期 2 0 1 5年l 1月 2 5日 电测与仪表 Ei e c t r i e a l M e a s u r e me nt& I n s t r u m e nt a t i o n VO 1 5 2 N0 2 2 No v 2 5。 2 01 5 4 经济效益分析 4 1 针对 L E D路灯经济效益分析 L E D智能控制方案与普通 L E D灯节能 比较在表 1中给出。 表 2中的经济效益分析是 以 1 0 0盏灯 、 每盏 LE D 灯的功率为 2 0 0 W 为例 ， 主要效果如下 ： ( 1 ) 大幅度降低 日常使用成本 节约用电4 7 5 ： 电费以0 8 度计算， 1 0 0盏 L E D灯以往每年电费支出约为6 4 2 4 0元。运用智能 控制系统后， 保守估计每年至少可节省 电费支出 3 0 5 1 4元 b ( 2 ) 大幅度减少灯具固定投资 普通 L E D路灯每盏灯每年投资 6 0 0元， 运用智 能控制系统后 ， 折合每盏灯 每年节省 固定投资 ： 6 0 0 元 2 8 4 =1 7 0 4元 ， 以 1 0 0盏灯为例 ， 每年可节 省 1 7 o 4 0 0元。 ( 3 ) 真正的减排 从每条路每天排放 的温 室气 体来看 ， 运用智能 控制系统后的 L E D路灯比普通 L E D路灯减少 3 9 1 2 公斤 度 ：l； 2 2= 8 6 0 6公斤 ， 每年可节省 3 6 5： ： 8 6 0 6 公斤 = 3 1 5吨。 从测试结果看 ， 发送数据 时间为 5 8 ms 左右 ， 给 P L C模块供电的 1 6 V峰值 电流为 0 8 A左右 ， 平均为 0 4 A左右 ； 发送数据时 1 6 V会从 1 7 7 V跌落到1 1 7 V， 因为发送瞬间电流较大 ， 电源输 出驱动不够 ， 所 以 导致 电压低落 ； 5 V电流为 5 0 m A左右 ， 变化 不大 ， 载 波中心频率为 1 3 2 k H z 。 5结束语 针对 目前人们对 LE D路灯智能控 制的要求 ， 设 计了基于电力线载波 的 L E D路灯监控系统 ， 并对该 系统进行了实验测试。通过电力线传输信号， 达到 对 L E D路灯 的监控 ， 测试结果表明， 系统能够稳定工 作 ， 达到设 计要求。工作人员 在控制 中心就 可以方 便地控制路灯的开 关以及亮度的调节 ， 同时 ， 系统 可以实时监测路灯运行数据 ， 具有异常报警 功能， 能 够快速定位损坏路灯， 为维修工作提供很大的便利。 在网络技术得 到极 大发展 和完善的社会时代里 ， 基 于 P L C的路灯监控 系统有着高效 、 简约 、 方便 、 快捷 的几点集 中优势。很大程度上为企业或 国家节省紧 张的人力方 面的资源， 同时很好 的实现 了节 能减 排 的 目的。随着载波通信技术 的发展 ， 其应用前 景将 越来越广 。 、 参 考 文 献 1 杨绪东 城市路灯监控管理系统远程终端设计 D 南京： 南京 理工大学 ， 2 0 0 3 2 朱旭 ，张震 ，刘木 清青岛胶 州湾 隧道照 明应用 的研 究与 实践 J 照明工程学报 ， 2 0 1 0， 2 1 ( z 1 ) ： 5 7 - 6 0 Z h u X u， Z h a n g Z h e n ，L i u Mu q i n g R e s e a r c h a n d p r a c t i c e o f Qi n g d a o J i a o z h o u B a y t u n n l i g h t i n g a p p l i c a t i o n s J I l l u m i n a t i n g E n g i n e e r - in g J o u r n a l ， 2 0 1 0 ， 2 1( z 1 ) ： 5 7 - 6 0 3 俞天自 基于电力线载波通信技术的照明控制系统的设计 D 杭州 ： 浙江大学 ， 2 0 0 6 4 赵玉 玺基于电力线载 波通信技术 的照 明控制系统开 发与实施 D 杭州 ： 浙 江大学 ， 2 0 0 6 5 As h t o n K T h a t i n t e rne t o f t h i n g s t h i n g J R F i D J o u r n a l ， 2 0 0 9， 2 2：9 7- 1 1 4 6 于柏 ， 李永峰 基于电力线载波通讯技术的线路监测系统 J 制造业 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 1 2 ) ： 5 8 - 6 1 Yu Bo，L i Yo n g f e n g L i B e mo n i t o r in g s y s t e m b a s e d o n p o we r l i n e e a r - r i e r c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g J M a n u f a c t u ri n g A u t o m a t i o n ， 2 0 0 9 ， 3 O( 1 2 ) ： 5 8 -61 7 王海韬城市路灯远程监控系统的研究 J 2 0 1 0 Wa n g Ha i t a o R e s e a r c h o n s t r e e t l i g h t m o n i t o ri n g s y s t e m J 2 0 1 0 8 深圳市 L E D产业标准联盟L E D路灯智能照明技术规范第 1 部 分： 控制系统 S 2 0 1 1 9 深圳市 L E D产业标准联盟L E D路灯智能照明技术规范第 2 部 分 ：电力线载波控制模块 S h e n z h e n L ED I n d u s t r y Al l i a n c e L E D s t r e e t s ma r t l i g h t i n g s t an d a r d t e c h n i c al s p e c i fi c a t i o n P a r t 2：Po we r l i n e c a r r i e r c o n t r o l mo d u l e 1 0 向敏 ，徐洋 ， 崔萍基于无 线技术 的光控 路灯控 制器设 计 J 自动化与仪表 ， 2 0 0 7， 2 2 ( 5 )： 4 1 - 4 3 Xi a n g Mi n，Xu Ya n g，C u i P i n g De s i g n o f L i g h t Co n t r o l l i n g S t r e e t L a m p C o n t r o l l e r B a s e d o n W i r e l e s s T e c h n o l o g y J A u t o m a t i o n a n d I n s t r u m e n t a t i o n ， 2 0 0 7 ， 2 2( 5 )： 4 1 -4 3 1 1 朱旭 ，唐显锭 ，蒋紫 东 ， 等 基 于 电力 线载 波通 信技术 的 L E D 路灯控制系统设计 J 照明工程 学报 ， 2 0 1 2， 2 3 ( 2 )： 6 6 - 7 0 Z h u Xu ， T a n g X i a n d i n g ， ,l i ang z i d o n g D e s i g n o f L E D l i ghri n g c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n p o w e r l i n e c a r r i e r c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y J I l - l u m i n a t i n g E n g i n e e ri n g J o u rna l ， 2 0 1 2 ， 2 3( 2 ) ：6 6 - 7 0 作者简介 ： 刘伊 莎 ( 1 9 9 O 一 ) ， 女， 安 徽省 马鞍 山人 ， 硕 士研 究 生 ， 主要从事电力电子技术 的研究 。 Emall ： 1 01 2 3 31 4 2 5 q q c o n l 黄胜明( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 河南省 ， 硕士研究生 导师 ， 主要 从事 电源控 制和 芯片设计。 毛周明 ( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 陕 西 ， 硕 士 ， 深 圳华 智测 控技术 有 限公 司董 事 长 ， 主要从 事城 市路灯照 明智能控制系统研究 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 2 - 1 5 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 5 -0 2 1 3 ( 刘爽编发) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m