基于LonWorks電力線通信的隧道照明系統(tǒng)

神華科學技術研究院有限責任公司 黃 維

1.引言

隧道作為地面交通的一部分有其特殊性，司機駕駛汽車經過隧道時會有本能的不安全感，為了消除司機的不安全感，必須借助于合理的隧道照明，使司機能夠快速適應照明環(huán)境并容易看清路面狀況。為了從節(jié)能出發(fā)，使隧道各個區(qū)段的照明狀況時刻跟隨洞外實際亮度的變化而變化，實現(xiàn)照明的實時節(jié)能控制，同時又不增加額外的通信、控制線纜，本文采用基于LonWorks電力線通信技術的隧道照明網絡。

2.隧道照明概述

本照明系統(tǒng)參照國家交通部發(fā)布的《公路隧道設計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)，將整個隧道從入口到出口劃分為接近段、入口段(Dth)、過渡段(Dtr)、中間段、和出口段[1][2]，各階段亮度不同，如圖1所示。

圖1 隧道照明段劃分

在隧道照明系統(tǒng)的傳統(tǒng)設計中，對于具體某一天，洞外亮度L20(S)是個定值，于是隧道內各個區(qū)段的照明狀況在一天中也保持不變。而在本文中，在隧道接近段的起點S處安裝測光節(jié)點，調光節(jié)點收到亮度級數(shù)信息和交通量信息計算出各自的調光等級，輸出對應的調光電壓來控制亮度連續(xù)可調的電磁感應無極燈。這樣，整個隧道的照明亮度就隨洞外亮度整體提高或下降，相比《規(guī)范》推薦的做法具有實時性和節(jié)能效果。

3.照明控制系統(tǒng)網絡

本照明控制系統(tǒng)采用基于LonWorks電力線通信技術的測控網絡。LonWorks總線支持電力線通信，無需另外鋪設通信電纜，如雙絞線[3-5]。LonWorks電力線網絡的接線也十分簡單，且當需要增加測控設備時，只需將節(jié)點就近連接在原有的電力線上。本照明控制網絡由220V的電力線作為傳輸介質，電力線上掛接有三類節(jié)點，分別是測光節(jié)點、車輛檢測節(jié)點和調光節(jié)點，如圖2所示。

入口測光節(jié)點安裝在接近段的起點S，測量該處自然光照度。車輛檢測節(jié)點安裝在隧道口和隧道內部車流平穩(wěn)的區(qū)域。一個調光節(jié)點控制一組電磁感應無極燈。入口測光節(jié)點獲得的亮度信息連同車輛檢測節(jié)點輸出的車速、交通量信息等一起發(fā)送給對應的調光節(jié)點。調光節(jié)點根據(jù)內部程序輸出相應的調光電壓(0-5V)，對入口段、過渡段燈具進行連續(xù)調光。中間段調光節(jié)點只接收車輛檢測節(jié)點的輸出信息。出口測光節(jié)點安裝在出口洞外，獲得的亮度信息發(fā)送給出口段調光節(jié)點。節(jié)點使用“網絡變量”相互通信。

圖2 照明控制網絡結構

4.智能節(jié)點硬件設計

智能節(jié)點由LonWorks處理模塊和功能模塊組成。LonWorks處理模塊是設計LonWorks節(jié)點的一個通用模塊，它由PL3120(CPU)，通信耦合電路等組成，類似于普通單片機硬件設計的最小系統(tǒng)。功能模塊(功能板)由電源電路、應用電路等組成。在智能節(jié)點的開發(fā)中，處理模塊只需設計一次，與不同的功能模塊結合就構成了相應的智能節(jié)點，如測光節(jié)點、車輛檢測節(jié)點和調光節(jié)點等。這樣設計能實現(xiàn)通用模塊的即插即用，達到高效、低成本開發(fā)和便于維護的目的。圖3是智能節(jié)點硬件結構圖：

圖3 智能節(jié)點硬件結構圖

4.1 處理模塊(CPU模塊)硬件設計

LonWorks處理模塊是智能節(jié)點硬件結構中的核心部分，它是由智能收發(fā)器芯片PL3120(CPU)，接口電路(接收，發(fā)送)，耦合電路，時鐘，復位，服務等部分組成。PL 3120智能收發(fā)器把神經元芯片的核和電力線收發(fā)器核集成在一起。在芯片PL3120外部，用分立元件組成功率放大電路和信號衰減電路，用于通信信號的發(fā)射與接收。發(fā)射電路的輸出信號幅度為7伏，發(fā)射電流為1安培，使用C波段-130K赫茲作為通信信道。發(fā)射電路在功能上分成直流偏置、鏡像電流源、直流工作點鉗位和功率放大四個部分。信號接收電路主要由濾波和分壓兩個部分組成。PL3120的12個I/O口用于光強采集、開關動作、亮度調節(jié)等應用電路的接口。

4.2 測光功能模塊的硬件設計

測光節(jié)點安裝在隧道的入口和出口，對隧道外的環(huán)境亮度進行檢測。將環(huán)境亮度分成64個等級，最小亮度定為0級，最大亮度定為63級，則某一時刻檢測到的亮度即為0～63中的某一級。該時刻的亮度級數(shù)通過LonWorks電力線網絡傳輸?shù)剿淼纼鹊恼{光節(jié)點。測光功能模塊由電源電路和光強數(shù)據(jù)采集電路兩部分組成。

A/D轉換器選用MCP3004。三個光照度傳感器的0—5V電壓輸出信號經過電壓跟隨器，作為ADC芯片MCP3004(U205)的三路輸入。ADC芯片MCP3004與處理模塊上的智能收發(fā)器PL3120的通信采用四線SPI接口，為了提高節(jié)點的可靠性和抗干擾能力，通過光電隔離的方法對節(jié)點的輸入輸出通道進行隔離。

4.3 調光功能模塊的硬件設計

調光節(jié)點接受來自測光節(jié)點的調光等級信號和車輛檢測節(jié)點的交通信息，根據(jù)節(jié)點內置的調光等級計算公式，計算出節(jié)點自身的調光等級。由該調光等級信號來控制數(shù)字電位器X9241的輸出電壓，配合可調式電子整流器來改變無極燈的光強。調光節(jié)點功能模塊由電源電路、數(shù)字電位器接口電路、開關量控制電路、節(jié)點編址電路組成。燈光亮度的調節(jié)通過調節(jié)數(shù)字電位器X9241的輸出電壓來實現(xiàn)。

在工業(yè)控制設備中，為了提高設備的可靠性和抗干擾能力，常常通過光電隔離的方法對設備的輸入輸出通道進行隔離。數(shù)字電位器X9241是一個I2C器件，SDA和SCL都是雙向I/O線，而光電耦合器件的光電轉換具有單向性，所以對每一個I/O線進行隔離必須采用2片光電耦合器，還需要一個方向控制線來控制數(shù)據(jù)傳輸方向。

5.智能節(jié)點軟件設計

5.1 節(jié)點軟件設計

以測光節(jié)點為例，介紹節(jié)點軟件設計。測光節(jié)點安裝在隧道接近段的起點S處，檢測隧道外的自然光照度，并對照度由弱至強分成0—63共64級。將照度信息(照度級數(shù))以網絡變量的形式廣播給隧道內調光節(jié)點。

測光節(jié)點以設定的采樣頻率采樣，若采樣的照度與上一次廣播發(fā)送的數(shù)據(jù)相同，本次不廣播發(fā)布照度信息；反之，則以廣播方式向對應的調光節(jié)點和上位機發(fā)布照度信息。測光節(jié)點收到上位機要求其測光的命令，立即測光采樣一次，并發(fā)送亮度信息，并將定時器清零，重新開始計時。

為測光節(jié)點設置了一個“心跳”網絡變量，每15分鐘進行一次。若連續(xù)兩次沒有“心跳”，視為該節(jié)點發(fā)生故障。

在本數(shù)據(jù)采集節(jié)點中筆者用到同步串行(neurowire)I/O和移位(bitshift)I/O對象。MCP3004芯片的通信接口為SPI接口，是一個半雙工串行A/D轉換器，與提供了同步串行(neurowire)I/O和移位(bitshift)I/O接口對象的Neuron芯片連接相當方便。MCP3004的轉換數(shù)據(jù)輸出是在地址被移入進來之后，地址移入和數(shù)據(jù)輸出都是轉換過程的一部分，在此期間MCP3004片選端一直要置低。而在一般情況下每調用一次neuronwire I/O函數(shù)片選端先被拉低，函數(shù)執(zhí)行完后又將片選端拉高，所以不能只使用全雙工neurowire I/O函數(shù)來寫控制字和讀取數(shù)據(jù)。我們使用兩個I/O對象(分別是bitshift和neurowire)來配合MCP3004的時序，即先用bitshift函數(shù)將控制字移入MCP3004，然后使用neurowire I/O函數(shù)讀取A/D轉換得到的數(shù)據(jù)，這里neurowire作為半雙工接口使用。A/D采樣子程序如下：

5.2 節(jié)點組網

要構成LonWorks網絡，需要利用LonMaker，NodeBuilder等工具對智能節(jié)點進行組網。限于篇幅，僅以測光節(jié)點和調光節(jié)點的組網為例進行探討。

在LonMaker里創(chuàng)建一個網絡“Lighting”，利用Visio為LonMaker網絡中添加一個開發(fā)目標設備(Development Target Device)，啟動NodeBuilder，同時創(chuàng)建一個工程項目。在NodeBuilder中，進行Neuron C語言編程，并且編譯下載該設備模板程序。此時能得到如下的系統(tǒng)組態(tài)結構圖(圖4)。

該組態(tài)圖中包含測關節(jié)點和調光節(jié)點兩個設備(Device1、Device2)和對應的兩個功能模塊，功能模塊中包含節(jié)點所定義的諸多網絡變量，例如nvLampLev(當前采得的亮度等級)、nvoLampLev(調光等級)等等。

將LonMaker軟件中節(jié)點開發(fā)程序Nodebuilder模板Nodebuilder Basic Shape的“connecteror”拖到繪圖區(qū)，用它把組態(tài)圖中測光節(jié)點的輸出網絡變量nvLampLev和調光節(jié)點的輸入網絡變量nvLampLev連接起來。只要測光節(jié)點(Device1)的nvLampLev改變，調光節(jié)點(Device2)的nvLampLev就能跟著改變。按照這種方式將測光節(jié)點和所有的調光節(jié)點“連接”起來，每當輸出網絡變量nvLampLev更新，就會以廣播的形式發(fā)送給每個調光節(jié)點，調光節(jié)點據(jù)此按照內部的程序驅動數(shù)字電位器輸出一定的電壓信號從而調節(jié)電磁感應燈的亮度。

圖4 LonMaker中節(jié)點組網界面

另外，測光節(jié)點上的輸出網絡變量nvoSwitch可根據(jù)需要與調光節(jié)點的輸入網絡變量nviLampSwitch連接。其它的網絡變量與上位機連接。

6.結語

基于LonWorks電力線通信技術的隧道照明控制系統(tǒng)通過下層現(xiàn)場總線與上層以太網相結合的組網模式，采用集中管理、分散控制的控制策略，提高了整個系統(tǒng)信息交互的可靠性。在控制系統(tǒng)的智能節(jié)點的設計上，硬件和軟件均采用了模塊化的思路，使得系統(tǒng)內部各個節(jié)點具有安裝調試簡易、維護方便、通用性強、組態(tài)靈活等特點，從整體上提高了系統(tǒng)的可靠性與擴展性。

[1]重慶交通科研設計院.公路隧道設計規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2004,9:68.

[2]重慶交通科研設計院.公路隧道通風照明設計規(guī)范[M].北京:人民交通出版社,2001,6:41.

[3]劉永生.Echelon公司的電力線載波通信技術[J].儀器儀表標準化與計量,2005(4):20-22.

[4]LonWorks技術介紹——原理和實踐概述(第二版)[M].Echelon公司.

[5]雷霖編著.現(xiàn)場總線控制網絡技術[M].電子工業(yè)出版社,2004,4.