呂豪杰 吳建德 楊國仁 何湘寧

(1.浙江大學 電氣工程學院，浙江杭州 310027;2.奧能照明電器，浙江杭州 310027)

目前，我國的路燈系統(tǒng)主要依靠人工管理，需要工作人員定時開關(guān)燈;且當路燈出現(xiàn)故障時，不能及時發(fā)現(xiàn)和有效處理。如果采用路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)路燈的故障情況，減少大量的人力，還能節(jié)省路燈能耗，對城市的節(jié)能改造作出巨大貢獻。

在路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通信的方案主要有三種:

第一種方案采用總線通訊技術(shù)，如 RS485、CAN總線等。該方案技術(shù)上最成熟，但是需要額外布線，對于改造路段實施起來難度較大。

第二種方案通過無線通信方式，包括 GPRS、藍牙、ZigBee等方案。采用 GPRS通信方式成本太高，一般不會考慮。目前最適合的是ZigBee通信技術(shù)，ZigBee是一種廉價的低速無線個域網(wǎng)，相對于藍牙通信具有價格更低、距離更遠、支持節(jié)點數(shù)目更多等優(yōu)點。ZigBee適合于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，采用DSSS/O-QPSK調(diào)制［1］，能夠有效克服無線傳輸中的多徑干擾問題，傳輸可靠性高;但路燈網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點分布在一條直線上，延伸至幾公里甚至幾十公里，并不是ZigBee理想的拓撲結(jié)構(gòu)。而且無線方式對環(huán)境的依賴性較大，在天氣惡劣的情況下會影響通信質(zhì)量。因此ZigBee技術(shù)應(yīng)用于路燈監(jiān)控系統(tǒng)的實際效果尚需驗證。

第三種方案采用電力線通信 (PLC，Power Line Communication)技術(shù)，該方案以電力線為通信介質(zhì)，減少了布線成本，而且對外部環(huán)境的依賴性較小，可靠性更高，與前兩種方案相比更加適用于路燈監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。電力線通信分窄帶調(diào)制方式和寬帶調(diào)制方式。由于路燈監(jiān)控系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，因而對傳輸速率的要求不高，窄帶PLC技術(shù)就可以滿足通信要求;而寬帶PLC技術(shù)則主要應(yīng)用于大流量數(shù)據(jù) (如多媒體數(shù)據(jù)等)的高速傳輸，而且由于寬帶通信所占用的帶寬很寬，很容易超出CENELEC規(guī)范所規(guī)定的頻率范圍，所以在監(jiān)控系統(tǒng)中一般不采用。早期的窄帶電力線通信一般采用簡單的模擬調(diào)制技術(shù)，其抗干擾能力不強，應(yīng)用范圍有限。但是隨著信號檢測技術(shù)和DSP技術(shù)的發(fā)展完善，窄帶通信如BPSK(二進制相移鍵控技術(shù))的抗干擾能力得到很大提高，將會更加適用于PLC網(wǎng)絡(luò)。

綜上分析，本文選擇電力線窄帶BPSK通信方式作為監(jiān)控系統(tǒng)的通信方案，并根據(jù)路燈系統(tǒng)的特點，提出了可行的系統(tǒng)結(jié)構(gòu);隨后，本文描述了系統(tǒng)中各個組成部分的設(shè)計思路，并詳細設(shè)計了路燈節(jié)點。

1 系統(tǒng)概述

為實現(xiàn)路燈的優(yōu)化管理，路燈監(jiān)控系統(tǒng)需要收集每盞路燈的狀態(tài)和環(huán)境信息，匯集到電腦終端，集中優(yōu)化處理后，控制每一盞路燈的輸出光通。整個系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖

圖1中，路燈監(jiān)控系統(tǒng)主要包括路燈節(jié)點、i.Lon SmartSever(電力線網(wǎng)絡(luò)管理器)以及在電腦終端運行的路燈監(jiān)控軟件。路燈監(jiān)控軟件通過因特網(wǎng)控制LonWorks控制網(wǎng)中的所有路燈節(jié)點［2］;每一個LonWorks控制網(wǎng)相當于一個因特網(wǎng)上的站點，配有一個 IP地址，通過訪問該 IP地址，實現(xiàn)對LonWorks控制網(wǎng)的訪問。

i.Lon SmartSever以主從方式管理 LonWorks控制網(wǎng)，并能通過Ethernet接口或GPRS通信模塊以撥號方式接入因特網(wǎng)。這樣，控制中心通過與i.Lon SmartSever進行數(shù)據(jù)交換，就可以對 LonWorks控制網(wǎng)上的每個節(jié)點進行監(jiān)控。此外，i.Lon SmartSever帶有多個I/O端口，用于收集道路的環(huán)境信息 (照度、濕度等)，作為調(diào)光依據(jù)。

在監(jiān)控中心，路燈監(jiān)控軟件不斷巡查各個路燈節(jié)點的狀態(tài)，顯示每盞路燈的工作狀況和輸出功率，既能手動控制每個燈的光通，也可以根據(jù)一定的算法自動調(diào)整路燈照度。

以下情況可以采用自動調(diào)光，包括:

●根據(jù)設(shè)定時間段調(diào)節(jié)照度，如在后半夜時，調(diào)節(jié)到半載功率輸出。

●根據(jù)天氣情況、不同時期的日照情況開、關(guān)燈或調(diào)節(jié)輸出光通。

●根據(jù)特殊照明情況調(diào)節(jié)輸出光通。如城市隧道照明場合，為了避免進入或離開隧道時視覺上的不適應(yīng)，單獨調(diào)節(jié)隧道口的路燈，讓其光通緩變。

●根據(jù)特殊路段設(shè)定輸出光通。如在某一路段發(fā)生事故時，輸出最大光通，以便事故處理，同時提高道路安全。

2 路燈節(jié)點設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的路燈節(jié)點包括電力線通信部分、智能電子鎮(zhèn)流器部分和高壓鈉燈部分［3］，電力線通信部分和智能電子鎮(zhèn)流器部分通過I2C接口交換數(shù)據(jù)。其硬件電路實現(xiàn)框圖如圖2所示。

2.1 電力線通信

2.1.1 硬件設(shè)計

電力線通信控制電路主要負責數(shù)據(jù)在電力線上的可靠傳輸，其主芯片采用Echelon公司的PL3120，PL3120是專用于電力線系統(tǒng)的神經(jīng)元芯片，內(nèi)部集成有三個處理器單元和一個電力線收發(fā)器［4］。電力線收發(fā)器采用窄帶BPSK調(diào)制，且具有雙載波頻率，當主頻率受到干擾后，自動切換到預(yù)備頻率［2］上工作，極大增強了系統(tǒng)抗干擾能力。

圖2 路燈節(jié)點硬件框圖

如圖3所示，電力線通信控制電路包括高通耦合電路、功率放大濾波電路和PL3120及其外圍電路;高通耦合電路提取市電線路中的高頻信號，經(jīng)帶通濾波電路濾波后傳輸給PL3120，解調(diào)后得到通信數(shù)據(jù)。同時，PL3120將發(fā)送數(shù)據(jù)進行 BPSK調(diào)制，功率放大后耦合到電網(wǎng)上。PL3120通過TXSENSE引腳采樣功率放大電路的輸出電壓，得到的值用來調(diào)整TXBIAS引腳上的電流，從而控制發(fā)送功率。

圖3 電力線通信控制電路

為保證電力線通信電路的可靠工作，必須對高通耦合電路做優(yōu)化設(shè)計，使高通耦合電路濾除50Hz市電分量的同時，具有較大的輸入阻抗和較小的輸出阻抗［4］，減小信號的衰減。圖3中，電容C1、C2和變壓器T1組成發(fā)送通路，變壓器變比為1∶1，起到隔離作用;要減小發(fā)送通路的交流輸出阻抗，需要選擇較大的C1、C2。C2為隔直電容，可以取得大些;但是C1直接接在電力線上，增大容值會增大體積，增加損耗，因此在不增大C1的情況下，通過恰當設(shè)計變壓器的漏感Lk，與電容C1在載波頻率段產(chǎn)生諧振，減小輸出阻抗。在輸入通路中，C1和Lm濾除了50Hz市電分量，而高頻信號分量通過C3和L2的諧振電路，將接收信號放大，得到較強的接收信號。實際電路中Lm取1 mH，Lk取12 μH，電容 C1取 0.1 μF，C3取 1.5nF，而 L2取 820μH。

2.1.2 軟件設(shè)計

LonWorks系統(tǒng)的最大優(yōu)點是通信程序設(shè)計采用Neuron C語言［5］。Neuron C在標準C的基礎(chǔ)上，提供了大量的硬件接口函數(shù)，只需調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)就可以使用該硬件資源;而且，節(jié)點間的通信通過網(wǎng)絡(luò)變量的綁定［5］來實現(xiàn)，而通信過程完全由底層協(xié)議完成，方便了程序的開發(fā)。

電力線通信軟件實現(xiàn)框圖如圖4所示，系統(tǒng)定義了一個輸入網(wǎng)絡(luò)變量 (i.Lon SmartSever對節(jié)點的控制命令)和一個輸出網(wǎng)絡(luò)變量 (節(jié)點對 i.Lon SmartSever的返回數(shù)據(jù))［5］，并與i.Lon SmartSever上相應(yīng)的輸出、輸入網(wǎng)絡(luò)變量綁定。發(fā)送數(shù)據(jù)時，改變本地輸出網(wǎng)絡(luò)變量，與之綁定的輸入網(wǎng)絡(luò)變量的值就會隨之改變，而數(shù)據(jù)的傳輸過程則完全由底層協(xié)議完成，極大簡化了程序的開發(fā)過程。

2.2 電子鎮(zhèn)流器

如圖2所示，路燈節(jié)點中的電子鎮(zhèn)流器部分采用普通的兩級拓撲結(jié)構(gòu)，前級PFC電路加后級半橋逆變和諧振觸發(fā)電路，并且通過中央處理器電路、采樣電路和調(diào)光電路收集鎮(zhèn)流器的狀態(tài)信息，并根據(jù)命令調(diào)光。

圖4 電力線通信軟件實現(xiàn)框圖

電子鎮(zhèn)流器有多種調(diào)光方式，調(diào)頻調(diào)光、調(diào)母線電壓調(diào)光、調(diào)占空比調(diào)光等。在大功率高壓鈉燈中，由于聲諧振的頻率點較少，所以選用比較簡單的調(diào)頻方式。

以下分析頻率變化對輸出功率的影響。圖5為電子鎮(zhèn)流器的諧振電路，為了減小波峰因子，工作頻率通常選在諧振頻率的4～6倍［6］，不考慮高次諧波通過LC濾波后的分量，僅對該諧振電路進行基波分析。

圖5 諧振電路

基波分量表達式:

其中:Vbus為PFC電路輸出母線電壓;Rlamp為穩(wěn)定工作時燈的等效電阻;

輸出電壓:

其中:

根據(jù)式 (1)、(2)可得輸出功率:

當f>f0，隨著f的增大，P0減小 (為了使開關(guān)管工作于軟開通狀態(tài)，工作頻率一般會選擇比f0大)。

調(diào)頻調(diào)光電路如圖6所示。ATMega8的PB2管腳 (計數(shù)器比較輸出管腳)輸出PWM波，通過光耦，濾除高頻分量后，得到基準電壓Vref;改變Vref，A點電位改變，4腳的輸出電流就改變，工作頻率隨之變化 (L6574的4腳為恒定2V電壓，通過改變4腳的輸出電流值改變頻率);由式5可知，諧振電路的頻率改變，輸出功率也隨之變化。所以改變ATMega8輸出的PWM的占空比，就可以改變燈輸出功率，且占空比越大，輸出功率越低。

圖6 調(diào)頻調(diào)光電路

經(jīng)過實驗測量，得到輸入功率—頻率變化曲線圖如圖7。由于輸入功率比較容易測量，所以用輸入功率的變化來近似表示輸出功率的變化。

如圖7所示，滿載時，工作頻率為43 kHz，輸入功率為273W;隨著頻率增加，輸入功率近似線性減小，當頻率達到60kHz時，輸入功率約為100W。在很多路燈應(yīng)用場合，調(diào)節(jié)至半載功率已經(jīng)足夠;而且高壓鈉燈在38 kHz～100 kHz頻率范圍內(nèi)，為聲諧振的安全區(qū)，可以實現(xiàn)安全調(diào)光。

圖7 功率—頻率曲線圖

3 實驗結(jié)果

通過模擬現(xiàn)場情況，在1000米的電力線上均勻掛上20個路燈節(jié)點。實驗結(jié)果表明，各個路燈節(jié)點能夠可靠的完成上位機發(fā)出的指令，實現(xiàn)單點調(diào)光、多點調(diào)光和定時調(diào)光等，并且能夠準確收集自身的狀態(tài)信息，顯示到電腦上。同時，i.Lon SmartSever在沒有上位機操作的情況下，可以通過特定的算法對各個路燈節(jié)點的輸出光通進行調(diào)節(jié)，達到預(yù)期效果。

4 結(jié)束語

隨著新的城市節(jié)能減排的要求的提出，道路照明系統(tǒng)的優(yōu)化管理也越來越受到關(guān)注，本文提出的基于 LonWorks控制網(wǎng)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，選擇LonWorks技術(shù)作為路燈監(jiān)控系統(tǒng)的控制平臺，實現(xiàn)了電腦終端對各個路燈節(jié)點的實時監(jiān)控;并且能夠依據(jù)路燈所處的具體環(huán)境調(diào)節(jié)輸出光通，不但減少了大量的人力、物力和財力，而且實現(xiàn)了更加有效的照明。

本系統(tǒng)還可以方便地應(yīng)用到其他類型的路燈照明系統(tǒng)中。隨著以LED為主的第四代光源日趨成熟，很多路燈系統(tǒng)都已經(jīng)采用了LED燈，而該系統(tǒng)只需將高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器換成帶數(shù)字接口的LED驅(qū)動器就可以正常工作，同時監(jiān)控高壓鈉燈和LED燈節(jié)點。

［1］LAN/MAN.Standards Committee.“IEEE Standards 802.15.4”，2003

［2］ANSI/EIA-709.1.“ControlNetwork ProtocolSpecification”，1998

［3］呂曉東.具有電力線載波功能的HID電子鎮(zhèn)流器.電力電子技術(shù)，2005

［4］Echelon Corporation.“PL3120/PL3150 Power Line Smart Transceiver Data Book”，2008

［5］Echelon Corporation.“Neuron C Programmer's Guide”.2003

［6］Melvin C.Cosby，Jr.and R.M.Nelms.A Resonant Inverter For Electronic Ballast Applications