路燈控制系統(tǒng)中集中控制器的設(shè)計研究

劉建成

摘要：照明系統(tǒng)是城市建設(shè)不可缺少的公用設(shè)施，照明系統(tǒng)的維護(hù)管理水平是整個城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的綜合體現(xiàn)。設(shè)計自動化程度高、運(yùn)行可靠、高效節(jié)電、使用維護(hù)方便是照明控制與管理現(xiàn)代化的必然要求。

關(guān)鍵詞：照明系統(tǒng)；智能化；監(jiān)控；運(yùn)行

1 城市路燈控制系統(tǒng)發(fā)展方向

1．1引入節(jié)能控制

路燈控制系統(tǒng)從最初路燈開關(guān)控制功能，逐漸演化到監(jiān)控節(jié)能控制功能。各種節(jié)能技術(shù)融合到路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，路燈監(jiān)控系統(tǒng)的功能從原來單一監(jiān)控功能，發(fā)展到集體監(jiān)控功能和節(jié)能控制于一體的新型路燈監(jiān)控系統(tǒng)。

1．2 控制更細(xì)化

在傳統(tǒng)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，一個遠(yuǎn)程控制單元RTU所監(jiān)控的是數(shù)十盞甚至數(shù)百盞路燈。隨著低壓(220V)電力線載波技術(shù)的日益成熟，很多城市的路燈監(jiān)控引用了所謂的單燈控制器LCU ( Lamp Control Unit )。LCU安裝在每盞路燈燈頭處，可以對每盞路燈進(jìn)行監(jiān)控。

1．3 遠(yuǎn)程化

新型的路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，中央控制室與RTU直接采用公共基礎(chǔ)通信設(shè)施GPRS/CDMA交換信息。由于GPRS/CDMA采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，這使路燈監(jiān)控系統(tǒng)與Internet無縫銜接在一起，允許監(jiān)控人員在任何時候(any time )、從任何地方(any where)獲取路燈現(xiàn)場的工作狀況并對其實施控制。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計以及主要功能

本系統(tǒng)由以下幾部分組成:中央控制室、集中控制器和路燈控制器。系統(tǒng)采用三級結(jié)構(gòu)形式，本文主要針對系統(tǒng)中的集中控制器的設(shè)計進(jìn)行了分析和研究。

該系統(tǒng)主要有以下功能：

2．1 遙控功能

將根據(jù)經(jīng)緯度計算或人工定義的開關(guān)燈時間表存儲于微機(jī)內(nèi)，并下載到各集中控制器中作為該部分(或區(qū)段)的主時間表，若無特殊情況，路燈控制器按設(shè)定的時間表，自動執(zhí)行路燈的開關(guān)，并將執(zhí)行結(jié)果報告給集中控制器，然后再上傳給中央控制室。中央控制室同時接入光照度測量裝置，根據(jù)天氣變化在設(shè)定的開關(guān)時間前十五分鐘，設(shè)定照度門限，當(dāng)照度達(dá)到設(shè)定照度門限，即自動控制開關(guān)燈，這樣，以時間為主、光控為輔，可使路燈控制更趨于合理。此外還可以通過微機(jī)鍵盤或鼠標(biāo)可隨時對各集中控制器進(jìn)行手動控制，遙控開、關(guān)燈。

2．2 遙測功能

該功能有自動巡測和手動巡測二種:

自動巡測:系統(tǒng)每隔十分鐘(時間可隨意設(shè)定)對各個集中控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的項目是各個集中控制器在該時刻的電壓、電流等數(shù)據(jù)，并把該數(shù)據(jù)存儲到中央控制室的計算機(jī)中，然后存儲在服務(wù)器中。手動巡測:通過微機(jī)鍵盤或鼠標(biāo)操作可隨時檢測各集中控制器下路燈的運(yùn)行情況，并在顯示器的屏幕上顯示出運(yùn)行數(shù)據(jù)，也可將其在該城市地圖上的位置及其運(yùn)行正常與否的情況在顯示屏上顯示出來。

2．3 報警功能

通過分析所采集到的數(shù)據(jù)，給操作人員反饋設(shè)備運(yùn)行狀況，提高處理事故效率。設(shè)備在出現(xiàn)故障或系統(tǒng)異常(如亮燈率低于限定值、變壓器失電、大片滅燈、單燈故障等)時立即向中央控制室報警，報警以聲音提醒值班人員注意，同時在主界面上顯示相應(yīng)報警區(qū)域。作為可選功能，報警信息可以通過短信(SMS)方式自動轉(zhuǎn)發(fā)給負(fù)責(zé)該報警區(qū)域的維修人員手機(jī)上，提高工作效率。

2．4 查詢功能

中央控制室可以查詢實時數(shù)據(jù)、某日數(shù)據(jù)、亮燈率、用電量、報警數(shù)據(jù)、即時照度、照度數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)可用曲線顯示出來，并可以打印。

3 集中控制器的硬件設(shè)計

集中控制器是系統(tǒng)的主要組成部分，它關(guān)系到中央控制室與路燈控制器的信息交互，是系統(tǒng)信息交換的樞紐，也是設(shè)計重點。集中控制器既可以起到上傳下達(dá)的作用，也可以單獨對路燈控制器進(jìn)行控制。它與上級的中央控制室是采用無線通信，與下級的路燈控制器是采用電力線載波通信。這樣既可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，也可以節(jié)約線路成本，控制更為精細(xì)。

3.1 主要器件選型

3．1．1CPU選型。集中控制器的CPU選型，是其工作的主要保障，關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及成本問題。選取的CPU要與其它模塊兼容、具有抗干擾能力以及滿足系統(tǒng)所要求的處理能力等是重點考慮的問題。根據(jù)電力系統(tǒng)信號復(fù)雜，干擾較多的特點，可以選擇TI公司的MSP430F149作為控制器的CPU。MSP430F149是一款性價比極高的工業(yè)級芯片，只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計，就能在惡劣的電磁干擾環(huán)境下可靠地工作。

3．1．2 GPRS模塊選型。在該系統(tǒng)中，集中控制器與中央控制室的通訊是基于GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的，而GPRS模塊則是實現(xiàn)GPRS通訊的關(guān)鍵部分，該系統(tǒng)中的GPRS模塊選用的MOTOROLA公司的G20模塊。

3.2 電源設(shè)計

電源是該集中控制器工作的能量提供者。該系統(tǒng)中主要包括兩類電源設(shè)計：

3．2．1 +3.6V電源的設(shè)計。3.6V的電源是一個單獨給GPRS模塊供電的電源，由于GPRS模塊在射頻傳輸期間有很大的峰值電流，所以要求給它供電的電源必須具有較大的電流驅(qū)動能力。設(shè)計中采LM2576T-ADJ開關(guān)電源芯片來完成+12V直流電到+3.6V的轉(zhuǎn)換。LM2576系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的各種功能，這些器件的固定輸出電壓有3.3V,5V,12V,15V，還有可調(diào)整輸出的型號。

3．2．2 +3.3V電源的設(shè)計。由于該集中控制器中的依靠+3.3V電壓供電的主要有觸發(fā)器74HC 123、時鐘芯PCF8563, MSP430F149以及它的一些外圍器件對電流的要求并不是很大，為了簡化電路設(shè)計，利用+5V的電源來轉(zhuǎn)變?yōu)?3.3V：把+5V電壓加在一個二極管1N4148和一個20歐姆的電阻上，再利用一個穩(wěn)壓二極管來穩(wěn)壓之后，就可以得到一個比較穩(wěn)定的+3.3V的輸出電壓了。

3.3 GPRS模塊接口設(shè)計

3．3．1 電源部分。G20模塊的供電在前面的電源設(shè)計中已經(jīng)專門做了設(shè)計，由開關(guān)電源LM2576將+12V的直流電降壓為+3.6V的直流電為G20的供電，電流的驅(qū)動能力可達(dá)3A,滿足了G20在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時的要求，所以在應(yīng)用中將這四個腳短接，然后將產(chǎn)生的3.6V直流電送到這四個腳上。為了減少在信號線上的損失，在設(shè)計中使LM2576輸出的3.6V信號與G20的用戶接口之間的連線盡可能的短，為了減小在數(shù)據(jù)傳輸階段的電壓下降的幅度，在靠近G20的電源線和地線上還跨接了一個1000PF電容，在平時作為儲能元件，當(dāng)處于數(shù)據(jù)傳輸階段時釋放能量，從而減小電壓的下降值。

3．3．2 DART部分。G20和MSP430之間的通訊是通過各自的UART接口來完成的，G20的DART接口一共包括8個信號，除了RXD和TXD是負(fù)責(zé)真正的數(shù)據(jù)傳輸工作之外，其他的信號均是用來完成硬件握手的信號，文中決定不采用硬件流控制，而是構(gòu)建一個精簡的串口通訊，所以只利用RXD和TXD兩個信號來和MSP430實現(xiàn)通信，而其他的六個信號均不用，將它們空置。前面己經(jīng)論述了G20中DART的電平標(biāo)準(zhǔn)接近TTL電平，而M8P430的UART也是采用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，且它們的供電電壓也非常接近，所以它們都能互相識別對方發(fā)送的高低電平，不需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這樣以來，就可以直接將G20的RXD和TXD信號腳與MSP430的TXD和RXD引腳相連來完成串口通訊。

3.4 外圍電路設(shè)計

3．4．1 人機(jī)接口電路。為了提高系統(tǒng)的可操作性和可.維護(hù)性，方便工作人員在現(xiàn)場對集中控制器的測試和維護(hù)，特設(shè)計了這部分人機(jī)接口電路。它具有將相關(guān)信息輸出到LCD進(jìn)行顯示，以及利用鍵盤輸入來設(shè)定和修改存儲在MSP430F149中的運(yùn)行參數(shù)等功能。選用帶有FLASH存儲器的單片機(jī)MSP430F149作為集中控制器的主控制器，可以將系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置其中、也可方便地進(jìn)行修改其參數(shù)。這部分電路主要供操作人員利用鍵盤和LCD在現(xiàn)場對一個區(qū)段的路燈工作參數(shù)進(jìn)行即時設(shè)定和修改。

3．4．2 時鐘模塊。考慮到系統(tǒng)運(yùn)行過程中如果出現(xiàn)了通訊故障，集中控制器將在沒有中央控制室調(diào)度的情況下獨立工作，如果在集中控制器中配置時鐘模塊的話，就可以在系統(tǒng)運(yùn)行過程中提供準(zhǔn)確的時鐘，從而使得系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確和可靠的自主工作，完成信號測量和開關(guān)燈等操作。所以，在硬件設(shè)計中用到了時鐘模塊，這樣的設(shè)計大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和抗干擾能力。設(shè)計選用了PI-IILIPS公司的PCF8563實時時鐘芯片作為集中控制器的時鐘。PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工業(yè)級內(nèi)含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時鐘日歷芯片，符合該系統(tǒng)低功耗的設(shè)計原則。

參考文獻(xiàn)

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