基于Modbus協(xié)議的城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李 儒，程為彬，郭穎娜，彭紅娟

(西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

引言

隨著我國城市化建設(shè)的飛速發(fā)展，城市照明系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，城市照明用電量迅速上升。如何實現(xiàn)城市照明系統(tǒng)科學(xué)、合理的節(jié)電已成為一個重要課題[1]。

運用路燈監(jiān)控系統(tǒng)對城市路燈進行集中監(jiān)控實現(xiàn)路燈的按需照明，能夠合理使用電能，避免能源浪費[1-3]。由于城市路燈數(shù)量多、分布廣，路燈監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)成本往往較高，路燈監(jiān)控系統(tǒng)一直難以大范圍推廣。本文從實際情況出發(fā)，設(shè)計了一種功能實用、成本較低的遠程路燈監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

路燈監(jiān)控系統(tǒng)由路燈監(jiān)控中心與路燈監(jiān)控終端組成，以GPRS網(wǎng)絡(luò)為主網(wǎng)絡(luò)、低壓電力載波通信為二級網(wǎng)絡(luò)，屬于低成本的兩層結(jié)構(gòu)、兩級通信機制的路燈監(jiān)控系統(tǒng)。路燈監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖1所示。

圖1 路燈監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖Fig.1 Structure diagram of street lamp monitoring system

監(jiān)控中心由組態(tài)軟件MCGS搭建，控制監(jiān)控區(qū)域內(nèi)所有的監(jiān)控終端。監(jiān)控終端采用PL3106載波通信控制芯片作為節(jié)點控制器，能夠?qū)β窡艄?jié)點進行開關(guān)與調(diào)光控制；其中一個節(jié)點控制器可升級成集中控制節(jié)點，能夠接收監(jiān)控中心命令，并利用電力載波通信轉(zhuǎn)發(fā)至其他節(jié)點。監(jiān)控中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控終端中的集中控制節(jié)點發(fā)送Modbus監(jiān)控命令，實現(xiàn)對各路燈節(jié)點的監(jiān)控功能。

2 Modbus通信協(xié)議

路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用Modbus協(xié)議的主從通信方式實現(xiàn)控制信號的傳輸[4]，在傳輸過程中監(jiān)控中心主動發(fā)送請求信息幀到監(jiān)控終端，監(jiān)控終端返回應(yīng)答信息幀，實現(xiàn)各種監(jiān)控功能。

2.1 Modbus-RTU數(shù)據(jù)傳輸方式

路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用Modbus-RTU數(shù)據(jù)傳輸方式， RTU模式具有較高的傳輸效率，信息以信息幀的形式傳輸，Modbus-RTU信息幀格式如表1所示。信息中每8個字節(jié)分成兩個4位十六進制的字符，不同信息幀間至少需要3.5個字符的靜止時間。

表1 Modbus-RTU信息幀格式Table 1 Information frame format of Modbus-RTU

信息幀中地址用于主機向指定地址的從機通信;功能碼定義各種功能，數(shù)據(jù)區(qū)是功能碼的數(shù)據(jù)內(nèi)容；CRC校驗碼能夠校驗數(shù)據(jù)幀在傳輸過程中的錯誤。

2.2 路燈監(jiān)控系統(tǒng)的指令

Modbus協(xié)議定義了豐富的功能碼，對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)類型與操作命令。在路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，主機通過功能碼1、2、4、5實現(xiàn)路燈的開關(guān)與功率監(jiān)控功能，路燈監(jiān)控系統(tǒng)的功能碼如表2所示，0區(qū)是輸出線圈區(qū)，主機可對其進行讀寫操作；1區(qū)與3區(qū)分別對應(yīng)輸入線圈與輸入寄存器，主機只能對其進行讀操作。

表2 路燈監(jiān)控系統(tǒng)的功能碼Table 2 Function code of street lamp monitoring system

根據(jù)各區(qū)域的讀寫特性，監(jiān)控系統(tǒng)對各區(qū)域的監(jiān)控功能進行了定義。各區(qū)域的功能定義如表3所示，0區(qū)是功能控制區(qū)，通過寫操作，監(jiān)控中心能夠?qū)β窡暨M行開關(guān)與功率控制；1區(qū)與3區(qū)是狀態(tài)標(biāo)識區(qū)，通過讀操作，監(jiān)控中心能夠?qū)β窡舻倪\行狀態(tài)進行監(jiān)測。

表3 各區(qū)域的功能定義Table 3 Function definition of each region

3 監(jiān)控中心設(shè)計

MCGS組態(tài)軟件搭建的監(jiān)控中心是整個路燈監(jiān)控系統(tǒng)的中心，負責(zé)整個監(jiān)控系統(tǒng)的操作、處理與統(tǒng)計。

3.1 監(jiān)控功能設(shè)計

根據(jù)路燈監(jiān)控策略[5]，在路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控中心能夠?qū)β窡艄?jié)點進行開光控制，進入深夜后，還可根據(jù)情況將路燈功率調(diào)節(jié)到75%功率或半功率，實現(xiàn)節(jié)約電能的目的。路燈監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面如圖2所示。

圖2 路燈監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面Fig.2 Monitoring interface of street lamp monitoring system

3.2 監(jiān)控功能實現(xiàn)

監(jiān)控中心作為監(jiān)控系統(tǒng)的上位機，通過向下位機收發(fā)Modbus監(jiān)控命令實現(xiàn)監(jiān)控功能。MCGS組態(tài)軟件內(nèi)置了“通用串口父設(shè)備”設(shè)備驅(qū)動，通過此設(shè)備驅(qū)動，MCGS可以驅(qū)動計算機的串口，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。MCGS的通用串口屬性設(shè)置如圖3所示，設(shè)置通信波特率為9600，8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、0校驗位。

圖3 MCGS的通用串口屬性設(shè)置Fig.3 Serial port property settings of MCGS

在“通用串口父設(shè)備”下可以添加“Modbus-RTU設(shè)備”驅(qū)動，可以實現(xiàn)串口的Modbus-RTU數(shù)據(jù)傳輸。“Modbus-RTU設(shè)備”同時提供了通道功能，利用通道可以建立MCGS內(nèi)部數(shù)據(jù)與Modbus信息幀數(shù)據(jù)的連接。

3.3 無線GPRS網(wǎng)絡(luò)的接入

由于監(jiān)控中心與監(jiān)控終端通過無線GPRS網(wǎng)絡(luò)通信，因此需要將串口數(shù)據(jù)接入無線網(wǎng)絡(luò)。利用虛擬串口軟件能夠?qū)⒋跀?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為TCP/IP應(yīng)用層數(shù)據(jù)，用TCP的封裝傳播數(shù)據(jù)，實現(xiàn)串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口通信[6]。串口接入互連網(wǎng)后，MCGS能夠通過GPRS網(wǎng)絡(luò)收發(fā)Modbus命令。

4 監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)

路燈監(jiān)控系統(tǒng)由一個路燈監(jiān)控中心與監(jiān)控區(qū)域中的所有路燈監(jiān)控終端組成。每個監(jiān)控終端由同一配電變壓器低壓側(cè)的所有路燈組成；監(jiān)控終端有獨立的地址，監(jiān)控中心可以利用Modbus協(xié)議的地址功能定位到每一個監(jiān)控終端。

圖4 監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of monitoring terminal

路燈節(jié)點由節(jié)點控制器控制，監(jiān)控中心通過無線網(wǎng)絡(luò)向節(jié)點控制器發(fā)送無線監(jiān)控命令；考慮到系統(tǒng)成本，監(jiān)控終端采用采用無線GPRS通信與低壓電力載波通信相結(jié)合的方法：集中控制節(jié)點通過外接GPRS-DTU與監(jiān)控中心無線通信，再將控制命令通過低壓電力載波通信轉(zhuǎn)發(fā)至其他節(jié)點控制器。監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，低壓側(cè)電力線上負載為相同的路燈，電力線中干擾較小，有利于實現(xiàn)各路燈節(jié)點間低壓電力載波通信。

5 路燈節(jié)點控制器設(shè)計

路燈節(jié)點控制器采用性價比高的PL3106電力載波通信控制芯片。PL3106芯片內(nèi)置增強型8051處理器，內(nèi)部集成了電力載波通信的調(diào)制與解調(diào)電路，同時具備邏輯控制能力與載波通信能力；PL3106內(nèi)置了8位PWM脈沖寬度調(diào)制器，方便實現(xiàn)路燈的控制功能。

5.1 節(jié)點控制器的通信控制流程

集中控制節(jié)點的通信處理流程如圖5所示，集中控制節(jié)點通過串口接收監(jiān)控中心發(fā)送的Modbus命令，集中節(jié)點接收到Modbus命令后，先對命令進行校驗；校驗正確后根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的命令定義進行PWM調(diào)光處理，處理完成后調(diào)用載波發(fā)送子程序向其他節(jié)點發(fā)送載波控制命令，處理完成后向監(jiān)控中心返回應(yīng)答信息幀。

圖5 集中控制節(jié)點的通信處理流程Fig.5 Communication process of centralized control node

節(jié)點控制器的載波通信狀態(tài)為接收狀態(tài)，在接收狀態(tài)下，PL3106芯片會自動捕獲與同步電力線中的載波信號，由于電力線中存在大量噪聲，載波通信定義了同步幀頭09AF，當(dāng)節(jié)點控制器接收到同步幀頭后進入接收中斷，接收通信數(shù)據(jù)。節(jié)點控制器的載波通信控制流程如圖6所示，節(jié)點控制器接收到載波信號后，根據(jù)載波信號發(fā)送PWM調(diào)光信號，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)對路燈節(jié)點的控制。

圖6 節(jié)點控制器的載波通信控制流程Fig.6 Communication process of control nodes

5.2 載波通信電路設(shè)計

PL3106的載波通信采用PSK調(diào)試方式，內(nèi)部集成了載波調(diào)制與解調(diào)電路，具有較低的誤碼率；載波發(fā)射中心頻率為120kHz，帶寬為15kHz，載波發(fā)送時只需將發(fā)送電路接到芯片的PSK_OUT端，接收時只需將接收電路接入芯片的SIGIN端。

合適的載波發(fā)送功率有利于載波信號在電力線中的傳播，而信號的發(fā)射功率取決于發(fā)射電壓的大小，載波發(fā)射電路如圖7所示，發(fā)射信號經(jīng)過內(nèi)部擴頻調(diào)制后由PSK_OUT口進入發(fā)射電路，經(jīng)過Q1、Q2、Q3、Q4組成的互補三極管放大電路進行放大，經(jīng)過C14與L1組成的串聯(lián)諧振電路消除雜波后耦合到電力線上進行載波發(fā)送。

圖7 載波發(fā)射電路Fig.7 Transmitting circuit of carrier wave

載波接收電路如圖8所示，載波信號從220V電力線經(jīng)過耦合電路耦合到接收電路；C15、C16、與L2組成的并聯(lián)諧振電路，具有對120kHz的載波信號進行選頻作用；D5、D6具有限幅作用，使接入SIGIN的電壓小于700mV。

圖8 載波接收電路Fig.8 Receiving circuit of carrier wave

5.3 PWM調(diào)光功能設(shè)計

PL3106內(nèi)置了8位PWM脈沖寬度調(diào)制器，可以通過P1.5引腳輸出頻率為15kHz的PWM波，并能通過配置控制寄存器設(shè)置10%～90%的占空比。

電子鎮(zhèn)流器原理圖如圖9所示，路燈用電子鎮(zhèn)流器本質(zhì)是AC/DC/AC電路，逆變電路(DC/AC)是電子鎮(zhèn)流器的核心部分，其將穩(wěn)定的直流電壓逆變成一定頻率的方波，供給后面的HPS燈[7]。PWM信號作為逆變電路的驅(qū)動信號，頻率固定為15kHz，通過對占空比進行調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)HPS燈功率的控制。

圖9 電子鎮(zhèn)流器原理圖Fig.9 Schematic diagram of Electronic ballast

6 系統(tǒng)的模擬與測試

根據(jù)路燈監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，在實驗室模擬了路燈監(jiān)控系統(tǒng)。用一臺PC機作為路燈監(jiān)控中心，兩塊PL3106控制板分別作為集中控制節(jié)點與普通節(jié)點控制器；PC機與集中控制節(jié)點間用GPRS通信，兩個節(jié)點控制器間用電力線連接；采用IR21091半橋驅(qū)動器作為逆變電路的驅(qū)動電路；采用額定功率為150W的HPS燈作為模擬路燈，其通態(tài)電阻約為60Ω。

圖10 HPS燈電流波形Fig.10 Waveform Drawing of HPS lamp

根據(jù)路燈監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計，對模擬系統(tǒng)的調(diào)光進行了測試。HPS燈的電流波形如圖10所示，在占空比分別為50%、30%、10%情況下，HPS燈電流發(fā)生了明顯變化，占空比越小，燈電流越小，當(dāng)占空比下降到10%時，電流出現(xiàn)了斷續(xù)。經(jīng)過測試，HPS燈功率的PWM控制如表4所示，通過對PWM占空比的配置，實現(xiàn)了HPS燈的功率調(diào)節(jié)。

表4 HPS燈功率的PWM控制情況Table 4 PWM control situation of HPS lamp

7 結(jié)語

本文運用MCGS組態(tài)軟件、PL3106載波通信控制芯片以及Modbus通信協(xié)議設(shè)計了一種遠程路燈監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程路燈開關(guān)與功率監(jiān)控。系統(tǒng)采用無線GPRS通信與電力載波通信相結(jié)合的方式，結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，對于路燈監(jiān)控系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用有一定的借鑒意義。

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