引言

　　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,，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 LineCommunication) 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； 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. LonSmartSever 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,，電力線通信部分和智能電子鎮(zhèn)流器部分通過I2C 接*換數(shù)據(jù),。其硬件電路實現(xiàn)框圖如圖2 所示。

圖2 路燈節(jié)點硬件框圖

　　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,。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,，自動切換到預備頻率上工作,，極大增強了系統(tǒng)抗干擾能力。

　　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,，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。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. LonSmartSever 的返回數(shù)據(jù))， 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。

圖4 電力線通信軟件實現(xiàn)框圖

　　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。

　　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,，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,。