基于電力載波的可尋址LED路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖惜春，任敬哲，楊志高

(五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020)

1 概況

目前，在城市景觀燈、街道照明燈、公路照明燈、隧道照明燈等大功率LED 燈具應(yīng)用實(shí)踐方面，從社會(huì)反饋的意見(jiàn)來(lái)看，大功率LED 燈具應(yīng)用還有一些常見(jiàn)的問(wèn)題，如散熱、光衰、可靠性及監(jiān)控等。首先，在節(jié)能方面，目前的大功率LED 燈具大都采用恒流驅(qū)動(dòng)，燈具的發(fā)光強(qiáng)度與環(huán)境亮度、與照明時(shí)間段、人多、人少或車多少都無(wú)關(guān)，造成浪費(fèi)[1]。

在智能監(jiān)控方面，當(dāng)路燈使用一段時(shí)間后，因燈具老化或其他某種原因，使得燈具“失明”(燈具損壞、被盜或供電線路被盜)，且無(wú)法及時(shí)掌握燈具“失明”信息，得不到及時(shí)更換。尤其是遠(yuǎn)離服務(wù)中心的燈具損壞后，若不能及時(shí)有效地得到監(jiān)控，將造成某路段路燈失去照明，影響交通甚至造成引發(fā)交通事故。

LED 照明產(chǎn)生的效益顯而易見(jiàn)，世界各國(guó)都在政府的大力資助下加快推進(jìn)LED 照明取代傳統(tǒng)照明的步伐，日本、美國(guó)、歐盟、韓國(guó)、東南亞、我國(guó)政府和臺(tái)灣省都制定了相應(yīng)的發(fā)展計(jì)劃。目前國(guó)內(nèi)外LED 照明(含路燈)應(yīng)用日益普及，隨著技術(shù)發(fā)展和工藝成熟，LED 每瓦特發(fā)光的流明數(shù)(lm/W)不斷提高，LED 燈具的成本及能耗在不斷降低，LED 路燈的智能驅(qū)動(dòng)技術(shù)也在不斷提升，具有智能化驅(qū)動(dòng)、監(jiān)控與管理的LED 路燈，取代傳統(tǒng)照明路燈勢(shì)在必行。然而，現(xiàn)有傳統(tǒng)的節(jié)電措施僅僅靠夜晚間隔關(guān)燈、調(diào)整路燈開關(guān)時(shí)間、用電緊張時(shí)關(guān)閉景觀照明等舉措來(lái)實(shí)現(xiàn)，方法單純且收效甚微。近幾年來(lái)，研究人員給出了采用無(wú)線通信、電力載波、GPRS等技術(shù)的路燈管理系統(tǒng)方案[2]。

本文所設(shè)計(jì)的可尋址LED路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)，采用電力載波通信技術(shù)，結(jié)合傳感器檢測(cè)技術(shù)，可使LED 路燈能夠根據(jù)不同的時(shí)間、環(huán)境亮度等自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度、顏色、角度，還可以對(duì)每盞LED 路燈的使用狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED路燈開關(guān)、調(diào)光、亮度反饋、狀態(tài)查詢、故障告警、分組控制等的智能化管理，達(dá)到了進(jìn)一步節(jié)電和提高LED 燈使用壽命的目的，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、多功能、高可靠和智能化管理[3]。

2 系統(tǒng)組成及原理

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)三部分組成。監(jiān)控中心主要由一臺(tái)PC機(jī)作為服務(wù)器，供用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)用戶在任何時(shí)間任何地點(diǎn)只要能上網(wǎng)就能實(shí)時(shí)查看監(jiān)控信息。網(wǎng)關(guān)主要由ARM S3C2440作為主控單元，網(wǎng)關(guān)既接收監(jiān)控中心發(fā)來(lái)的指令傳給節(jié)點(diǎn)同時(shí)也接收節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息傳給監(jiān)控中心。節(jié)點(diǎn)主要由STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控單元，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光和電纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。本系統(tǒng)中，各節(jié)點(diǎn)之間以及節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間，采用電力載波通信，各節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境亮度，結(jié)合系統(tǒng)定時(shí)功能，根據(jù)所需照明的時(shí)間和環(huán)境亮度，控制LED 路燈的亮度及其照明時(shí)間，實(shí)現(xiàn)LED 路燈功率和亮度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)和驅(qū)動(dòng)，減少耗電量；(2)利用LED 燈的余暉效應(yīng)和人眼視覺(jué)殘留效應(yīng)，采用自適應(yīng)動(dòng)態(tài)PWM 控制技術(shù)，減小燈具的驅(qū)動(dòng)電流的平均值，降低燈具功耗；(3)根據(jù)路面情況以及是否有人車經(jīng)過(guò)，自動(dòng)控制LED 路燈的開關(guān)，調(diào)節(jié)亮度，從而延長(zhǎng)LED 路燈的使用壽命并且節(jié)約能源。(4)采用電力載波通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)路燈智能化管理，如LED 路燈開關(guān)、調(diào)光、亮度反饋、狀態(tài)查詢、故障告警、分組控制等，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、多功能和高可靠。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of the system

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 節(jié)點(diǎn)硬件

節(jié)點(diǎn)硬件主要由STC12C5A60S2微處理器、環(huán)境照度檢測(cè)、紅外檢測(cè)、燈具溫度檢測(cè)、載波模塊和開關(guān)電源等幾部分組成，節(jié)點(diǎn)硬件電路組成框圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件電路組成框圖Fig.2 Block diagram of node circuit

利用光敏電阻的光電效應(yīng)完成光照強(qiáng)度的檢測(cè)。由光敏傳感器檢測(cè)環(huán)境亮度信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器并由STC12C5A60S2單片機(jī)處理。節(jié)點(diǎn)根據(jù)采集到的光強(qiáng)值并結(jié)合系統(tǒng)的定時(shí)功能，控制燈陣的開與關(guān)，節(jié)點(diǎn)模塊之間工作互不影響。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)自身周圍的環(huán)境自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整照明時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)“獨(dú)立思考”。

由于LED燈具在照明過(guò)程中會(huì)發(fā)熱，一旦溫度過(guò)高，其光衰特性會(huì)指數(shù)增大，采用DS18B20 數(shù)字溫度傳感器檢測(cè)燈具內(nèi)部的溫度，防止燈具因過(guò)熱而損壞[4]。開關(guān)電源模塊溫度過(guò)高，也會(huì)影響其輸出特性。針對(duì)路燈的連續(xù)照明需要，當(dāng)檢測(cè)到LED燈具溫度超過(guò)系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，令驅(qū)動(dòng)電源自動(dòng)減小電流，降低LED亮度，并向管理中心發(fā)出告警信息，從而實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)LED 陣列、開關(guān)電源乃至整個(gè)燈具的壽命。

當(dāng)電纜出現(xiàn)故障或被損壞，將導(dǎo)致電力載波通信中斷，此時(shí)，上一個(gè)節(jié)點(diǎn)收不到后續(xù)節(jié)點(diǎn)發(fā)回的令牌信令，立即向管理中心發(fā)出相關(guān)告警信息和電纜受損的具體位置。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用DS1302芯片作為外部數(shù)字時(shí)鐘，為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)間和記錄重要時(shí)刻，如告警時(shí)間和出故障時(shí)間。同時(shí)方便系統(tǒng)查詢所需數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)采用SENS-01模塊[5]作為電力線載波模塊。該模塊可以在220V/110V，50/60Hz電力線上實(shí)現(xiàn)局域性半雙工通信。模塊的接口為TTL電平串行接口RXD、TXD，因此，十分方便與STC12C5A60S2單片機(jī)連接，本系統(tǒng)的通信速率選用4800bps，電力線載波頻率采用125kHz，數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為16Byte。該模塊為用戶提供了透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，數(shù)據(jù)傳輸與用戶協(xié)議無(wú)關(guān)，由用戶數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。在同一臺(tái)變壓器下，多個(gè)SENS-01嵌入式電力線載波模塊可以連接在同一條電力線上，在主從通信模式下，模塊分別單獨(dú)工作，不會(huì)相互影響，這就給系統(tǒng)的可尋址操作提供了方便。STC12C5A60S2單片機(jī)與SENS-01模塊的硬件接口電路如圖3所示。多個(gè)SENS-01模塊進(jìn)行通信組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示。

圖3 單片機(jī)與SENS-01接口電路Fig.3 MCU interface circuit with SENS-01

圖4 基于SENS-01的通信組網(wǎng)拓?fù)鋱DFig.4 Network topology based on SENS-01

2.2.2 監(jiān)控中心和網(wǎng)關(guān)

監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶通過(guò)因特網(wǎng)隨時(shí)隨地查看各節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，用戶通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲取相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的信息。它的兩個(gè)網(wǎng)口分別與Internet和無(wú)線路由器相連，組成框圖如圖5所示。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的互傳，既可以將服務(wù)器發(fā)來(lái)的開、關(guān)、亮度控制等指令傳到節(jié)點(diǎn)也可以將節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、故障代碼等傳回服務(wù)器，通過(guò)電力載波模塊完成和各節(jié)點(diǎn)之間的通信，組成框圖如圖6所示。

圖5 監(jiān)控中心組成框圖Fig.5 Block diagram of control center

圖6 網(wǎng)關(guān)硬件電路組成框圖Fig.6 Block diagram of gateway

3 系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)組網(wǎng)

針對(duì)道路路燈的實(shí)際分布情況，本系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間使用接力通信形式，構(gòu)成鏈狀網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離通信，由于線桿的距離固定且位置不變，還可以簡(jiǎn)化通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)具體實(shí)現(xiàn)：首先是系統(tǒng)初始化，規(guī)定離變壓器最近的路燈ID號(hào)為0，之后通過(guò)接力形式，實(shí)現(xiàn)ID號(hào)依次加1，如圖4所示。初始化成功后，所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成鏈狀網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，正常工作時(shí)，活動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)，其他節(jié)點(diǎn)則處于休眠狀態(tài)。

3.2 可尋址技術(shù)實(shí)現(xiàn)電纜監(jiān)測(cè)及燈具故障精確定位

引起通信中斷的原因有斷纜或燈具本身故障。可尋址技術(shù)實(shí)現(xiàn)電纜監(jiān)測(cè)及燈具故障精確定位的具體過(guò)程是當(dāng)發(fā)送方收不到對(duì)方回復(fù)時(shí)，再詢問(wèn)兩次，若仍然收不到回復(fù)信號(hào)，則判斷為通信中斷，電纜被盜。三個(gè)節(jié)點(diǎn)之間如果兩個(gè)都不能與另外一個(gè)通信，則判斷為該節(jié)點(diǎn)燈具本身故障。發(fā)信息的節(jié)點(diǎn)立即通過(guò)網(wǎng)關(guān)向監(jiān)控中心發(fā)送相應(yīng)告警信息，并記錄發(fā)生時(shí)刻和相關(guān)節(jié)點(diǎn)ID號(hào)。監(jiān)控中心收到告警后及時(shí)做出相應(yīng)處理，如派人巡查故障節(jié)點(diǎn)等。同時(shí)網(wǎng)關(guān)周期性向所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送“令牌”指令，根據(jù)收到的回復(fù)信號(hào)判斷電纜或燈具狀態(tài)。

3.3 系統(tǒng)節(jié)能思想

系統(tǒng)組網(wǎng)方案是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)高效節(jié)能的主要手段。本系統(tǒng)采用被動(dòng)和主動(dòng)兩種方式通信。被動(dòng)是指網(wǎng)關(guān)向節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，節(jié)點(diǎn)被動(dòng)接收信息；主動(dòng)是指節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送信息。正常情況下，系統(tǒng)周期性主動(dòng)查詢一次，其他時(shí)間系統(tǒng)則處于休眠狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)人體紅外檢測(cè)到有人靠近或發(fā)現(xiàn)載波通信故障時(shí)主動(dòng)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送警告信息，激活系統(tǒng)。通過(guò)改變以往的實(shí)時(shí)檢測(cè)[6]來(lái)大大降低功耗，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)達(dá)到100Hz以上頻率時(shí)，人眼就看不到LED 燈閃爍，本系統(tǒng)設(shè)定頻率為150Hz，根據(jù)采集回的光照值自適應(yīng)動(dòng)態(tài)改變占空比來(lái)控制燈具的驅(qū)動(dòng)電流，減小電流的平均值，降低燈具的功耗，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。

電源部分使用開關(guān)電源供電，因?yàn)橥砩系胶蟀胍闺娋W(wǎng)電壓可能升高，通過(guò)開關(guān)電源能夠保證電壓輸出平穩(wěn)，從而也能實(shí)現(xiàn)有效節(jié)電。

4 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

4.1 節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)SENS-01模塊

SENS-01載波模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)正確可靠傳輸。節(jié)點(diǎn)模塊一直偵聽載波信號(hào)，當(dāng)偵聽到有數(shù)據(jù)傳來(lái)，主要完成數(shù)據(jù)的讀取和回復(fù)，并將下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)返回給上一個(gè)節(jié)點(diǎn)。依次循環(huán)，實(shí)現(xiàn)接力通信，構(gòu)成鏈狀網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。數(shù)據(jù)按照預(yù)先約定好的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸。節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)SENS-01載波模塊的程序流程圖如圖7所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)SENS-01程序流程圖Fig.7 Flow chart of SENS-01 driver

為實(shí)現(xiàn)電力線載波通信的順利進(jìn)行，通信傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖8所示。由于本系統(tǒng)采用令牌檢測(cè)的方式，所以各節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令時(shí)要附上目標(biāo)地址和自身的地址，前端接受信息時(shí)要與本機(jī)地址進(jìn)行核對(duì)，以備前端判別是否要回送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)接收前端返回檢測(cè)信息時(shí)，也要與發(fā)送出去的目標(biāo)地址進(jìn)行核對(duì)。節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀由16Byte組成。其中，F(xiàn)F表示幀頭，1Byte；EE表示幀尾，1Byte；Key表示密鑰，2Byte；ID表示節(jié)點(diǎn)地址，由網(wǎng)號(hào)和節(jié)點(diǎn)號(hào)構(gòu)成，2Byte；D1、D2為發(fā)送的數(shù)據(jù)，4至6Byte；D3為令牌信令，1Byte；CHK表示校驗(yàn)，提供傳輸可靠性，2Byte；XX為預(yù)留，1Byte。

圖8 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀F(xiàn)ig.8 Node data frame

4.2 路由算法簡(jiǎn)述

路由協(xié)議算法也是通過(guò)軟件方法實(shí)現(xiàn)路由的功能。本系統(tǒng)組成的是鏈狀網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點(diǎn)需要充當(dāng)路由器的作用。路由算法的工作原理及操作過(guò)程如下：

①接收數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包按照幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，驗(yàn)證其合法性, 然后判斷ID數(shù)據(jù)包的類型(是廣播通信還是單節(jié)點(diǎn)通信)，根據(jù)不同的數(shù)據(jù),選擇不同的操作。

②數(shù)據(jù)處理。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到有效數(shù)據(jù)時(shí)，必須判斷該數(shù)據(jù)是本地提交還是向前轉(zhuǎn)發(fā)。如果目的地址或其非轉(zhuǎn)發(fā)多播地址中的某一個(gè)地址與路由器的端口地址相符時(shí)，則進(jìn)行本地提交，否則向前轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；當(dāng)目的地址是一個(gè)廣播地址，或者是個(gè)既要轉(zhuǎn)發(fā)又要本地提交的多播地址時(shí)，則需要同時(shí)進(jìn)行兩種操作。

③轉(zhuǎn)發(fā)尋址。為了能準(zhǔn)確傳遞“令牌”及相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)路由器決定要轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí),先要確定下一個(gè)路由器的地址。如果數(shù)據(jù)包中包括路由器選項(xiàng)，且驗(yàn)證其合法后，下一個(gè)路由器地址可取本節(jié)點(diǎn)列表中的一項(xiàng),源地址寫成廣播源的地址。

④轉(zhuǎn)發(fā)驗(yàn)證。在進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)尋址之前,必須對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn), 本系統(tǒng)采用CRC校驗(yàn)方式，當(dāng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證無(wú)誤的時(shí)候才進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),否則將數(shù)據(jù)包拋棄，請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的廣播源重發(fā)。

4.3 串口通信設(shè)置

串口通信一般有異步通信與同步通信兩種基本通信方式，在這里使用的是異步通信方式。串口通信首先要確定串口的波特率，一般地，T1選用工作方式2，所得的波特率比較精確，初始值也較方便。本系統(tǒng)采用SENS-01電力線載波傳輸模塊，載波中心頻率選用125kHz，通信速率選用4800bps。串口接收電力線載波信號(hào)的軟件流程圖如圖9所示。幀格式設(shè)置為數(shù)據(jù)位8，停止位1，校驗(yàn)位NONE，流控制NONE。

圖9 串口通信子流程圖Fig.9 Flow chart of serial communication

SENS-01模塊接口如圖10所示。其中，A B C不同設(shè)置對(duì)應(yīng)的波特率如表1所示。

圖10 SENS-01模塊接口說(shuō)明Fig.10 Interface description of SENS-01

表1 A B C不同設(shè)置對(duì)應(yīng)的波特率(單位：bps)Table 1 Baud rate settings of SENS-01(unit: bps)

5 結(jié)論

本文在研究了國(guó)內(nèi)外LED發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于SENS-01電力載波模塊的可尋址LED路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的智能調(diào)光及系統(tǒng)可尋址查詢、故障檢測(cè)等智能化監(jiān)控，朝著“按需照明”理念邁進(jìn)了一步；詳細(xì)敘述了節(jié)點(diǎn)的硬件組成、組網(wǎng)與通信及系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)，并對(duì)路由協(xié)議做了簡(jiǎn)要敘述。本系統(tǒng)的特色是，在鏈狀路燈網(wǎng)絡(luò)中，利用可尋址技術(shù)和令牌通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)LED 路燈能在不同時(shí)間、環(huán)境亮度情況下自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度，燈具工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，如對(duì)LED路燈開關(guān)、調(diào)光、亮度反饋、狀態(tài)查詢、故障告警、分組控制等的智能化管理，以及電纜故障精確定位等。

[1] 楊奇勇，張劍平，趙燕華. LED照明產(chǎn)品及燈具的光學(xué)性能測(cè)試研究[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2009，20(1)：69～77.

[2] 宋紹劍，薛春偉. 基于ZigBee的城市路燈智能監(jiān)控終端控制器設(shè)計(jì)[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2011，22(4)：26～29.

[3] 朱旭，唐顯錠，蔣紫東,等. 基于電力線載波通信技術(shù)的LED路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2012，23(2)：66～70.

[4] 馬環(huán)宇. 基于電力載波通信的溫度采集系統(tǒng)的研究[D]. 北京交通大學(xué),2008.

[5] 杭州新實(shí)科技有限公司.SENS-01嵌入式電力線載波模塊V1.3[Z].2012.

[6] 詹圣紅. 電力載波技術(shù)在設(shè)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[D]. 上海交通大學(xué),2007.