基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统设计.pdf
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基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统设计.pdf
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2012年4月第23卷第2期照明工程学报ZHAOMINGGONGCHENGXUEBAOApr2012Vol.23No.2基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统设计朱旭1唐显锭2蒋紫东2徐峰2冯辉2胡波2刘木清1(1.复旦大学电光源研究所,先进照明技术教育部工程研究中心,上海200433;2.复旦大学电子工程系,数字信号处理与传输实验室,上海200433)摘要:
针对LED所具有的节能和易于控制的特性,本文设计了与之配套的基于电力线载波通信技术的智能控制系统。
我们使用专业的电力载波芯片和集中控制器,构建出较为完善的控制系统,通过上位机程序实现了对LED路灯的远程控制开关,调光,查询电流及电压等功能。
最后,经过实地试验,验证了该系统的稳定性。
关键词:
LED路灯;电力线载波通信;控制系统;实地试验DesignofLEDRoadLightingLanternControlSystemBasedonPowerLineCarrierCommunicationTechnologyZhuXu1TangXianding2JiangZidong2XuFeng2FengHui2HuBo2LiuMuqing1(1.InstituteforElectricLightSources,FudanUniversity,EngineeringResearchCenterofAdvancedLightingTechnology,MinistryofEducation,Shanghai200433;2.DSPTLab,EEDept,FudanUniversity,Shanghai200433)AbstractLEDhasseveraladvantagessuchaslowpowerconsumptionandconveniencetobecontrolledInthispaper,apowerlinecarrier(PLC)communicationsystemisproposedforLEDroadlightinglanternWithaprofessionalPLCchipandcentralcontroller,acompletecontrolsystemisbuiltThroughthePCprogram,thesystemcanbeusedtoswitchon/offthelanternremotely,adjustthelanternandinquirethecurrentandvoltageconvenientlyFinally,thesystemsstabilityisprovedwellbypilottestinfieldKeywords:
LEDroadlightinglantern;powerlinecarriercommunication;controlsystem;fieldtest1引言LED作为第四代照明光源,近几年得到了巨大的发展,其光效等性能指标快速提高而价格快速下降,已经突破了显示、景观照明等常规的应用领域,在道路照明等定向照明中应用得越来越多,越来越具有竞争力1。
目前我国路灯控制系统主要采用定时控制的方式,一般定时器会有冬夏两种定时模式。
这种方式可以实现路灯的定时自动开关,但缺点在于设定的时间不能调整,季节变化时会出现开关灯时间与昼夜变换时间不匹配的现象,也无法对路灯状态进行监测。
与传统光源相比,LED具有节能和易于控制两大显著特点,而现有的路灯控制系统显然无法将这些优点体现出来。
因此,针对LED路灯,有必要重新设计与之配套的智能路灯控制系统。
本文将介绍基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统的设计,该系统依托现有路灯网络,无须重新布线,使DOI:
10.13223/ki.ciej.2012.02.023第23卷第2期朱旭等:
基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统设计67得改造成本最小化,并能够实现对LED路灯的远程控制开关,调光,查询电流及电压等功能。
2系统组成整个智能控制系统架构如图1所示,主要包括了上位机(PC),集中控制器(ECC)及由载波通信模块(TN)和控制终端(MCU)组成的单灯控制器三大模块,采用PC与ECC间的GPRS通信,ECC与单灯控制器间PLC通信的两级通信机制。
其中集中控制器和载波通信模块,我们选用了瑞斯康公司的ECC3001和RISE3501芯片。
本文主要涉及单灯控制器和上位机程序的设计。
图1基于电力线载波通信技术的路灯控制系统架构3单灯控制器设计单灯控制器主要由载波通信模块和MCU电路组成。
载波通信模块内含有集成电路芯片RISE3501。
RISE3501是一款专用于电力线载波通信的单片系统芯片。
3.1载波通信模块外围电路设计载波通信模块的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。
3.1.1载波信号耦合电路如图2所示,输入端L线上串有一个0.22F/275V聚酯电容,用来隔离50Hz交流电和通过有用的高频载波信号。
并有一个11耦合线圈(2.2mH)以传输有用的载波信号,同时起到隔离高压作用,让大部分高压降在聚酯电容上,使后面的电路不带高压以保护人身安全。
TVS-8.5V(瞬变二极管)防止快速冲击,保护后端电路。
图2载波信号耦合电路3.1.2看门狗电路通信模块定时给出看门狗输入信号WDI给看门狗芯片,若WDI信号停止,看门狗芯片通信模块进行复位,电路如图3所示。
图3看门狗电路3.1.3过零检测电路如图4所示的过零检测电路正过零导通,过零检测用于通信模块判断相位。
图4过零检测电路3.2MCU电路设计MCU的工作流程图如图5所示,MCU与载波通信模块之间通过串口进行通信。
载波通信模块将接收到的上位机命令发送给MCU,MCU进行相应的处理后再将响应结果返回给通信模块。
MCU采用的是silicon公司的c8051f330单片机,68照明工程学报2012年4月通过MCU电路实现的功能包括灯的开关控制,火线电压及灯上电流的测量,以及MCU输出PWM信号对灯进行调光等。
图5MCU程序流程图3.2.1灯开关控制对路灯的开关控制通过继电器来实现。
继电器接5V电源,继电器的通断由MCU的RELAY信号进行控制。
电路如图6所示。
3.2.2电流与电压测量电流测量的电路如图7所示,其原理是在接入路灯的火线上串上一个电流互感器(线圈比4500),在次级得到与线圈比相反的电流,在R10上得到相应的电压信号。
经运放LM358放大10倍,同时由于D1和D4的作用反向电压被削去。
经过运放的信号CURRENT接到MCU上进行AD采样,通过测量信号峰值计算电流互感器初级电流。
AD以每个市电周期50个点的速度采集数据,取其中最大的一个作为信号的峰值。
为了减小噪声的影响,每次测量均测得几十个周期的峰值进行平均(MCU程序中发送给PC的是几十个峰值的和,PC机程序计算平均值)。
设电流互感器初级的电流有效值为I,那么此电流I和MCU测得的信号峰值的关系为:
图6灯开关控制电路槡2I(500/4)R10R7R9=测量峰值为了使测量更准确,R7,R9,R10均需使用精密电阻,否则需在MCU端做一定的补偿校正。
图7电流测量电路电流互感器如果要满足电流比等于线圈在数比的反比,负载电阻R10则需要尽可能的小,然而此处若R10过小,会导致R10上电压信号过小,使得噪声影响很大,所以此处R10取值为51欧,由此带来的误差是线性的,可在PC端进行校正。
调试中得到的真实、测量以及校正后的电流如图8所示。
校正后的公式为:
第23卷第2期朱旭等:
基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统设计69图8电流校正对比校正后测量值=1.365校正前测量值141.3(mA)由于电流互感器次级一旦开路,次级将会有极高的电压,所以为了安全,加入D2、D3两个二极管防止次级开路。
电压测量的原理与电流测量完全类似,变压器并联在电源线上,MCU测量计算的方法与电流测量完全相同。
同样,为了测量准确,R21、R25和R26需要用精密电阻。
不过电压测量不存在电流测量中需要校正的问题。
电路如图9所示。
图9电压测量电路3.2.3PWM输出电路单片机的PWM信号经三极管驱动,再经光耦隔离后接入LED路灯驱动器的PWM输入口,实现调光功能。
电路如图10所示。
4上位机程序设计我们使用QT4.7开发上位机程序,Qt是一个跨平台的C+应用程序开发框架,具有优良的跨平台特性、面向对象、丰富的API、大量的开发文档等图10PWM输出电路优点2。
我们可以把它看成是一个第三方的C+的类库,提供了丰富了API。
在本设计中,我们主要用到了GUI和网络功能的类库,程序共由6个类组成,如表1所示。
表1上位机程序内容类名继承自类3主要功能MainWindowQMainWindow图形界面功能;只有一个对象。
ServerQTcpServer一个TCP服务器,接受多个集中器的TCP连接;下行按照格式填写命令,并写入相应的套接字;上行将接收到的响应翻译后,修改Ecc、Tn的状态;只有一个对象。
SocketQTcpSocket发送和接受命令和响应;每一条TCP连接拥有一个Socket对象。
EccQObject每一个集中器的信息;每一个和上位机建立连接的集中器都拥有一个对象。
TnQObject每一个终端的信息;每一个下载进入集中器的终端都有一个对象。
TaskQObject每一个定时任务的具体信息;每一个下载完成的定时任务都有一个对象。
上位机程序主要工作流程为:
1)上位机发送命令基本流程:
a)在MainWindow上,用户选择相应命令;b)命令传递给Server,Server按要求填写相应帧格式,并选择相应的Socket写入命令;70照明工程学报2012年4月c)Socket发送命令给相应的集中器。
2)上位机接收响应基本流程:
a)Socket接收响应,判断命令合法性;b)Server接收响应,翻译响应的内容,根据这些内容修改Ecc,Tn,Task的状态信息;c)MainWindow根据Ecc,Tn,Task的状态信息,更改图形界面的显示内容。
3)命令没有及时响应的判断:
a)发送命令时,Server根据命令修改Ecc的工作状态;b)Ecc开始计时,这里选择60s。
如果是组播或者广播,则计时为60s*节点个数;c)接收对应Ecc工作状态的响应时,计时停止。
如果一直没有响应,则界面显示超时。
5试验结果根据以上设计,我们在实际道路上安装了一个集中控制器和8个单灯控制器,LED路灯间距为30米。
在实际电网环境中连续测试了6天,通过上位机与最远的第8个控制器进行通信,来验证系统的通信成功率和稳定性。
表2是本次的测试结果,通信成功率稳定在94%左右,灯的开关、电压及电流测量、定时控制、调光等各项功能均能正常实现。
在实地试验中,8个路灯的总响应时间在45秒左右,在可接受的范围内。
表2通信成功率试验结果日期序号发送命令数成功返回数成功率13040286394.18%26618623794.24%36674632494.76%43514333294.82%58774828594.43%68836835494.55%6总结基于专业的电力线载波模块和集中控制器,本文设计了完整的LED路灯控制系统。
通过实地试验,初步验证了该系统的可靠性和稳定性,可以适用于实际的道路照明中,为后续大规模应用打下坚实的基础。
参考文献1朱旭,张震,刘木清青岛胶州湾隧道照明应用的研究与实践照明工程学报,201021(z1):
57602陈靖,王振宇Linux平台上的组件开发技术计算机与数字工程,200533(5):
2528;683朱吉佳,蔡家麟基于Qt的业务监控系统界面设计与实现计算机技术与发展,200818(3):
236239;242中国轻工联合会召开常务理事会2012年3月26日晚,中国轻工业联合会三届三次常务理事会在湖南长沙召开,讨论并通过有关三届二次理事会的有关议题。
2012年3月27日,中国轻工业联合会三届二次理事会在长沙湖南宾馆召开。
湖南省委常委副省长陈肇雄、工信部党组成员总工程师朱宏任、国务院国资委行业协会联系办公室副主任张涛在会上致辞讲话,联合会理事长歩正发做工作报告。
会上颁发了2011年度中轻联科技奖、轻工企业管理现代化创新成果奖和全国轻工业卓越绩效先进企业奖。
浙江阳光照明电器集团股份有限公司、北京星光影视设备科技股份有限公司获奖。
会议还组织了规划和形势报告。
中国照明学会徐淮秘书长参加会议。
关于中国照明学会乔迁新址的通知自2012年2月20日起,中国照明学会办公地址变更如下:
北京市朝阳区大北窑厂坡村甲3号南楼二层,邮编:
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- 基于 电力线 载波通信 技术 LED 路灯 控制系统 设计