基于電力載波的路燈電纜防盜報警器設計※

呂斌，賀海靖，曲君樂，吳承璇，王秀芬

（山東省科學院海洋儀器儀表研究所，青島266001）

引 言

本文提出一種基于電力載波技術和模數轉換器TLC3548的路燈電纜防盜報警器解決方案，可24小時實時監控電纜通斷狀況，較精確地測量出斷纜位置，并將警情及時上報。

1 系統工作原理

路燈電纜防盜報警器由電纜前端防盜主機與電纜末端防盜從機兩部分組成。由于系統報警信號的采集針對的是電力電纜線，其本身就是信號的良好載體，因此主機與從機的線纜通信技術采用電力載波通信技術。電力載波通信PLC（Power Line Communication）是電力系統特有的通信方式，它是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。電力載波通信的最大特點是不需要重新架設網絡，只要有電纜，就能進行數據傳遞［5]。

路燈供電線纜均采用三相四線制，由于電纜被剪斷時必然三相齊斷，因此系統只要監控一相即可［6]。主機放置在變壓器端，從機放在線路末端（路燈最后一個燈桿或路燈控制箱中），當有人竊割或發生事故斷線時，系統就會獲得必要的報警信息［7]。當路燈晚上開啟后，若有電纜發生斷路的情況，此時系統可通過判斷電流數據和亮燈率的顯著變化來檢測電纜故障；而當白天路燈關閉后，照明電纜無電，此時則須采用電力載波技術來檢測電纜故障。基于電力載波和TLC3548的路燈電纜防盜報警器系統的結構示意圖如圖1所示。

如圖1所示，在每一盞路燈（1，2…n）上都并聯有功率阻抗器（RT1，RT2，…RTn）。在停電狀態下若出現斷線或被竊割，則主機報警終端發送載波信號，由于中途電纜已斷，電力線載波通信信道不通，末端從機因缺電而轉入接收狀態。報警終端主機每隔5s發送一組載波信號，如收不到末端從機的回答信號，可以認為主機與從機間電力線路中斷。

當電纜斷路，路燈終端負載數量產生變化，整條被測電纜的阻抗隨之產生變化，TLC3548及其外圍電路可以精確地測出其變化值，經單片機和標準阻抗值對比，即可較精確地測量出電纜斷路處距路燈控制配電柜（變壓器端）的位置。報警器主機通過RS485將警情上報給路燈控制器，然后路燈控制器經GPRS通信模塊將報警信息上報給路燈控制中心的管理服務器，工作人員接到報警信號后，立即通知工程搶修車搶修，必要時可與110報警中心聯合行動。

2 硬件設計

電纜防盜報警器主機可同時檢測6條線路，每條線路的末端需要配備一臺從機。主機在硬件上分為顯示板與控制板兩部分。顯示板主要實現人機對話，包括設置、加減、查看、確定等按鍵，以及8位LED數碼管和用于顯示電纜狀態信息的發光二極管，從而實現主機的輸入與輸出功能。主機的控制板則包括單片機、電力載波模塊、模數轉換器TLC3548、時鐘電路、RS485通信接口、繼電器輸出控制、電源模塊及后備可充電電源、本地聲光報警等硬件資源，其硬件原理框圖如圖2所示，該圖為測一路電纜的情況。

圖2 路燈電纜防盜報警器主機硬件原理框圖

主機單片機選用Microchip公司的PIC18F2520，它集成了256字節的EEPROM，帶有外接RS485的增強型UART接口，可很好地滿足主機的硬件控制需求。主機的單片機通過RS485接收到路燈控制器的關燈指令后，通過控制TLC3548選擇被測電纜，然后驅動繼電器控制電路，圖2中的兩只繼電器接通所測電纜。與此同時，單片機通過控制電力載波模塊向電纜發射載波信號，接收從機的應答信號，并查詢TLC3548所測的電纜阻抗值與標定的阻抗標準值進行對比，并對數據加以存儲。倘若主機接收不到從機的應答信號，單片機立刻將警情與計算出的斷纜距離通過RS485上報給路燈控制器，并驅動本地聲光報警裝置。

防盜報警器從機的硬件設計相對簡單，主要包括單片機、電力載波模塊、繼電器控制電路、電源模塊及后備可充電電源等硬件資源。當從機接收到主機的電力載波信號后，立即發回一個“應答”信號給報警終端，以表明被測線路正常。

2.1 電力載波通信控制電路設計

電力載波通信模塊選用四川科強公司的KQ100F，該模塊可在干擾較小的市電正弦波基波零點處進行數據的發送和接收，接收靈敏度較高，遠傳效果顯著［8]。

電力載波通信控制電路原理如圖3所示，KQ100F的控制端由RX、TX、R／T三個端口構成，輸出信號全為TTL電平，TX接PIC18F2520的RB4端口發送數據；RX接PIC18F2520的RB5端口接收數據；R／T為接收／發送控制端，R／T為高時模塊處于接收狀態，R／T為低時處于發送狀態，由PIC18F2520的RB3端口進行控制。

VAA端為發送功率電源，發送時電流約300mA，為提高電力載波發送距離，使用直流穩壓15V電源。KQ100F的兩個AC端經光耦與繼電器控制電路，連接市電的火線L和零線N，光耦TIL113由PIC18F2520的RA0與RA1口進行控制通斷，火線與零線均接有保護二極管。

2.2 TLC3548模擬數據采集電路設計

圖3 電力載波通信控制電路原理圖

TLC3548是TI公司的14位高分辨率串行模數轉換器，它采用SPI串行輸入結構，具有8通道、轉換速度快、功耗低等特點。TLC3548在工作溫度范圍內轉換時間僅為2.895μs，采樣率高達200ksps，最大線性誤差為±1LSB［4]。TLC3548內部有一個片內的8通道多路選擇器，可設置為8路單極性ADC或4路雙極性ADC。

TLC3548模擬數據采集電路如圖4所示，PIC18F2520的RC2、RC3、RC4與RC5構成SPI接口與TLC3548進行通信。TLC3548在轉換結果結束時，EOC輸出端變為高電平表示轉換完成，PIC18F2520的RB0口可檢測此信號，并可輸出中斷信號給TLC3548。TLC3548使用5V參考電壓，其BGAP引腳與模擬地間并聯0.1μF的內部帶寬補償電容。TLC3548的A0～A5分別接6路電纜路燈阻值負載變化值采集通道，圖4中給出了第一路的圖例，其前端模擬信號輸入通道AIN1所測的電壓值必須有與之匹配的高精密繞線電阻R1，其阻值要在路燈電纜應用現場進行標定，并隨著電纜路燈負載的變化重新進行測定。路燈電纜防盜報警器主機所在的配電柜安裝有電流傳感器，TLC3548的模擬通道AIN7可采集電流傳感器輸出的0～5V信號，以判斷路燈電纜是否有電流。

圖4 TLC3548模擬數據采集電路原理圖

3 軟件設計

3.1 防盜報警器主機軟件設計

防盜報警器的主、從機軟件采用C語言和匯編語言混合編程。軟件程序的設計采用模塊化編程思想，主要包括鍵處理程序、顯示程序、主程序、串口終端程序等。主機顯示板的鍵處理程序主要包括標準阻抗值設置、通道選擇、工作模式、載波發送周期、時鐘設置等功能，其主機軟件流程圖如圖5所示。

如圖5所示，單片機PIC18F2520的控制程序流程如下：

首先對起始端報警器主機中各功能模塊進行初始化設置，并在路燈開啟時，分別控制繼電器J1、J2，斷開與電纜的火線L、零線N的連接。

其次PIC18F2520通過GPRS通信模塊接收電纜的標準阻抗值A，并對該數值進行更新，然后判斷是否接收到遠程控制中心發出的關燈指令；如果未收到，則程序返回到初始化完成處，并等待接收關燈指令；如果PIC18F2520接收到關燈指令，即驅動TLC3548采集電流傳感器測出電纜的電流數據，以此判斷電纜是否有電流。

若PIC18F2520判斷電纜上有電流，則通過TLC3548計算此時電纜的標準阻抗值B，并將此時的標準阻抗值B和電纜的無斷纜狀態經GPRS通信模塊上傳給遠程控制中心；若PIC18F2520判斷電纜上無電流，則控制繼電器J1、J2吸合，并控制電力載波通信模塊向電纜的火線L與零線N發送電力載波信號。

若PIC18F2520通過電力載波通信模塊接收到安置在電纜末端報警器從機的電力載波應答信號，則表示電纜正常，TLC3548計算此時電纜的標準阻抗值C并進行該數值的更新，將更新后的標準阻抗值和電纜的無斷纜狀態經GPRS通信模塊上傳給遠程控制中心；若PIC18F2520接收不到應答信號，則認為電纜中斷，此時PIC18F2520控制電力載波通信模塊繼續發射電力載波信號，并驅動TLC3548測量AIN1通道電壓，將得到的電壓數據換算成此時電纜的實際阻抗值D，與預先通過GPRS通信模塊接收到的電纜正常時的標準阻抗值A進行差值計算。PIC18F2520將計算得到的差值進行查表程序換算，即得到電纜斷纜處距電纜起始端的準確距離，然后將此距離值和報警信息經GPRS通信模塊上傳給遠程控制中心，并驅動聲光報警裝置在起始端報警器主機所在位置進行現場報警。管理人員接到報警信息后，可以立刻組織相關人員到現場進行查看、搶修或者報告警方。

3.2 防盜報警器從機軟件設計

防盜報警器從機的軟件設計功能相對簡單，主要功能即循環查收主機發送的載波信號，并每5s向主機發送應答編碼信號，并開啟定時器計時。

此外，電力載波信號在電纜上的傳輸距離在3km左右，倘若路燈鋪設電纜的距離超過這一上限，則需要加中繼防盜報警器。此時，中繼防盜報警器既具有主機的載波發射作用，又具有從機應答接收載波信號的功能。

4 實驗結果

本文設計的路燈電纜防盜報警器應用于濰坊市昌樂縣遠程路燈管理系統中。以昌樂縣孤山街為例，全街長為3.12km，雙向共有路燈396盞，實測正常阻抗值A為6.87kΩ。以孤山街其中6盞路燈為例，分別在＃1、＃50、＃100、＃200、＃300與＃396路燈所在位置切斷電纜，實驗數據如表1所列。

由表1可以看出，路燈距離報警器主機（配電柜）越近，斷纜導致的異常阻抗值和TLC3548模擬通道AIN1采集的電壓值變化越大。路燈電纜防盜報警器測得的斷點距離可精確到1m，因而能夠較準確地判斷出斷纜位置。

結 語

基于電力載波技術和TLC3548的路燈電纜防盜報警器在實驗中取得了預期的效果，但也存在一些需要改進的問題。眾所周知，不同城市與街道的路燈電纜鋪設構造形式多樣，有的環境異常復雜，電纜通電后，存在容抗、感抗、漏電等多種情況，這都會引起TLC3548阻抗計算的誤差。因此，對照明電纜的應用環境的實地考察顯得格外重要，要結合實際設計技術與施工方案，必要時要加防盜中繼報警器以提高系統的可靠性。

本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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