摘 要： 針對龐大的路燈系統(tǒng)監(jiān)控難、檢修難的特點，設(shè)計了一種基于Lonworks總線的路燈監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ADE7753芯片和Lonworks總線為核心，由ADE7753芯片與Lonworks電力載波芯片組成數(shù)據(jù)采集節(jié)點，由各個節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集，通過電力載波將節(jié)點采集到路燈各項信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理中心。實驗表明，該系統(tǒng)能對路燈的運行狀態(tài)進行有效的實時監(jiān)控，并能及時對突發(fā)狀況進行報警。
關(guān)鍵詞： ADE7753芯片；Lonworks總線；路燈監(jiān)控系統(tǒng)
0 引言
如今路燈照明系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)模在不斷擴大，路燈系統(tǒng)不僅消耗大量的電能，而且在維護方面會耗費大量的人力、物力、財力，這對城市的電力系統(tǒng)和財政系統(tǒng)都是一個巨大的負擔(dān)[1]。傳統(tǒng)的路燈系統(tǒng)一直存在一個很大的弊端，就是路燈是由專人巡檢的，有些突發(fā)狀況難以及時發(fā)現(xiàn)和解決，如重要路段路燈老化或損壞，沒有及時進行修理，有可能會造成行人出行不便，甚至造成交通事故等危險，傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)都沒有行之有效的措施[2-3]。為了解決以上問題，提出了將ADE7753與Lonworks總線相結(jié)合來控制路燈系統(tǒng)的方法。利用ADE7753測量電路各項參數(shù)，然后經(jīng)由Lonworks總線電力載波通信方式傳輸?shù)娇刂浦行?，由控制中心通過傳輸數(shù)據(jù)來判斷路燈的狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)異常，即可報警并派技術(shù)人員解決，既能節(jié)省定期維護的人力，也能有效防止由于路燈損壞造成的危害，并且該方案能夠在原有路燈的基礎(chǔ)上直接架構(gòu)，有效降低成本[4]。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由兩大部分組成，一是路燈監(jiān)控節(jié)點，二是數(shù)據(jù)管理中心，如圖1所示。
整個系統(tǒng)的工作流程如下：
?。?）ADE7753芯片和Lonworks智能電力載波芯片構(gòu)成路燈的電能載波智能控制節(jié)點，用以采集路燈的各項數(shù)據(jù)并控制路燈的開關(guān)[5]；
?。?）通過電力載波通信線路將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，由控制中心判別并處理數(shù)據(jù)，對異常情況進行報警，并通過郵件或書面方式通知有關(guān)人員進行處理。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
路燈的電力載波智能控制節(jié)點是本系統(tǒng)的核心模塊，其采用ADE7753芯片和電力載波智能收發(fā)器PL3120作為監(jiān)控器的核心，該系統(tǒng)通過繼電器控制路燈通斷電路；耦合電路、電源電路、互感電路完成對路燈工作狀態(tài)的監(jiān)控。路燈控制節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
信息采集模塊以ADE7753芯片為核心，通過互感電路測量路燈工作時的各種工作參數(shù)；通信模塊以PL3120為核心，通過耦合電路與電力線相連，采用電力線載波通信技術(shù)實現(xiàn)節(jié)點之間互相通信及與上位機的通信；路燈控制模塊通過使用光電耦合器控制繼電器的通斷并能正確地將繼電器的通斷信息反饋到系統(tǒng)中來。
2.1 信息采集模塊
ADE7753電路如圖3所示。ADE7753能夠承受的最大測量電流電壓有限，所以將大電流通過互感電路轉(zhuǎn)變成ADE7753芯片能夠承受的小電流，用于采集電流信息。V2P、V2N連接到路燈兩端的零線和火線上，將大電壓通過互感電路轉(zhuǎn)變成ADE7753芯片能夠承受的小電壓，用于采集電壓信息；復(fù)位RESET引腳低電平有效；DVDD、AVDD連接5V直流電源；AGND、DGND接地；ADE7753芯片通過DIN、DOUT、SCLK、CS引腳分別連接PL3120的IO10、IO9、IO8、IO7引腳，以SPI方式與PL3120芯片之間通信。
2.2 通信模塊
2.2.1 VCN-PL3120M電力線控制模塊
核心控制部分采用了埃施朗公司的VCN-PL3120M電力線控制模塊，共集成了符合ANSI709.2的PL3120電力線智能收發(fā)器，通過電力載波技術(shù)傳送數(shù)據(jù)，節(jié)約現(xiàn)場布線和開發(fā)周期。
PL3120M智能收發(fā)器有4 KB的EEPROM，2 KB靜態(tài)RAM，24 KB ROM，支持38種可編程I/O模式和11個I/O引腳[6]。
2.2.2 耦合電路
COMP引腳相連，J5D直接連接電力線。
PL3120連接電力線，兩者之間需要設(shè)計耦合電路，本模塊選用的是圖4所示的耦合電路，此電路為變壓器隔離式耦合電路。為了使一次側(cè)與二次側(cè)的電氣完全絕緣，同時使該回路隔離，電路采用的是1∶1的隔離變壓器，并且可以利用其鐵芯的高頻損耗大的特點，從而抑制高頻雜波傳入回路。VA引腳為VCN-PL3120M模塊提供工作電壓，TXOUT、RXIN、RXCOMP引腳與PL3120模塊上TXOUT、RXIN、RX。
2.3 路燈控制模塊
圖5為路燈控制模塊電路。U1、U2為光電耦合器，JD1為繼電器，通過將繼電器與鎮(zhèn)流器串聯(lián)來控制路燈的通斷。PL3120控制外部光電耦合器，當(dāng)IO3為低電平時，三極管導(dǎo)通繼電器閉合，路燈打開。繼電器吸合時，光電耦合器導(dǎo)通，IO2被拉為高電平，輸入給PL3120，如為低電平，表明繼電器未吸合，以此判斷繼電器吸合是否正常，實現(xiàn)故障檢測功能。
2.4 時間控制模塊
如圖6所示，采用DS1302時鐘芯片作為時間控制模塊芯片，DS1302通過三線SPI通信方式與PL3120進行通信，其SCLK、SDA、/CS引腳分別連接PL3120的IO0、IO4、IO5引腳，其中SCLK是時鐘線，SDA是數(shù)據(jù)線，/CS為片選引腳，PL3120通過SPI通信讀取DS1302時鐘芯片的時間數(shù)據(jù)。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
系統(tǒng)的主要工作流程如圖7所示。預(yù)設(shè)開燈時間為18∶00，關(guān)燈時間為6∶00，在時間到達開關(guān)燈時間時，通過IO3控制路燈的開關(guān)。
在路燈為開燈狀態(tài)時，要通過ADE7753芯片測量路燈的電壓、電流、功率等相關(guān)參數(shù)，通過對這些相關(guān)參數(shù)的比較來判斷路燈的工作狀態(tài)。為防止誤判，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，不立即報警，而是返回重新測量參數(shù)，如果連續(xù)超過3次數(shù)據(jù)異常，則關(guān)燈報警。同時通過監(jiān)控繼電器工作狀態(tài)，開燈時是否正常閉合，關(guān)燈時是否正常斷開，如發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)出報警信號，通知相關(guān)人員進行檢修。
4 實現(xiàn)
在實驗室里連接一個普通LED臺燈的監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)置為每80 s左右路燈開與關(guān)。如圖8所示，從上位機界面可以直接觀察路燈的電壓、電流、功率、溫度，可以通過圖像觀察路燈的開關(guān)狀態(tài)和報警狀態(tài)，并可以通過預(yù)設(shè)的兩個開關(guān)對路燈進行控制。在路燈正常工作狀態(tài)下，總控開關(guān)為“開”狀態(tài)，路燈報警圖標(biāo)為“關(guān)”，天氣開關(guān)為“關(guān)”。路燈發(fā)現(xiàn)異常，如繼電器未正常工作，電壓、電流未處于正常范圍內(nèi)，則報警圖標(biāo)為“開”，為防止其他嚴重情況的發(fā)生，可以通過總控開關(guān)直接關(guān)閉路燈；天氣開關(guān)是在天氣陰、霧霾等情況下打開開關(guān)，可以自動將路燈打開時間提前20 s，關(guān)閉時間延后20 s，關(guān)閉后自動恢復(fù)到原來預(yù)設(shè)時間。曲線圖是采集的一定時間內(nèi)LED燈的累積電能曲線圖，由于采集的是ADE7753的0x06寄存器，每采集一次便自動清零，因此在路燈打開時，采集的數(shù)據(jù)基本持平，在路燈關(guān)閉狀態(tài)，電能為零。
5 結(jié)論
在路燈制作材料和保證路燈不“白亮”問題的解決上已經(jīng)趨近成熟，但在路燈檢修問題上不僅需要耗費大量的人力物力，而且在某些危險路段如果檢修不及時，很容易發(fā)生危險。本文所設(shè)計的控制器有效解決了這一問題，控制器通過ADE7753芯片檢測路燈的電壓、電流、功率等參數(shù)，通過對這些參數(shù)的判別來判斷路燈的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)異常，則通知相關(guān)人員進行檢查，修理或更換損壞的路燈。并且還可以通過參數(shù)的異常來判斷路燈是否老化，更換老化程度很大的路燈也能節(jié)省一定的電能。
在應(yīng)用成本上，此監(jiān)控器是一個基于傳統(tǒng)路燈制系統(tǒng)的綠色環(huán)保擴展性監(jiān)控器，采用的是Lonworks電力線載波通信，能夠在原有的路燈系統(tǒng)上進行加裝改進，有效解決了重新搭建路燈系統(tǒng)的問題，節(jié)約成本。此系統(tǒng)能夠行之有效地實現(xiàn)路燈系統(tǒng)的智能化控制，并且能夠節(jié)省大量的人力、物力、財力，有著廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻
[1] 任君偉.城市綠色照明與路燈節(jié)能措施[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2011（2）：96-97.
[2] 景春國，何榮富，舒冬梅.異常天氣城市路燈照明控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30（20）：81-83.
[3] 邵子揚．新型智能節(jié)能路燈的設(shè)計[J]．世界電子元器件，2009（2）：78-81.
[4] 胡開明，李躍忠，盧偉華．智能路燈節(jié)能控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（9）：143-145.
[5] 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.
[6] Echelon Corporation. PL3120 power line smart transcevier data book[Z]. 1996-2005.