基于STC15W404AS和電力載波的路燈終端設計*

賀為婷 呂 豐

(西安工業大學 西安 710021)

基于STC15W404AS和電力載波的路燈終端設計*

賀為婷 呂 豐

(西安工業大學 西安 710021)

針對傳統路燈照明系統采用集中控制方式存在嚴重的能源浪費、且開關燈方式單一等問題,論文設計了一款基于STC15W404AS和電力載波的路燈終端,并結合光照檢測和紅外感應,能夠根據外界環境實現對單燈的開關控制,同時采集路燈工作時的電壓和電流,及時上傳監控中心,實現對整個路燈照明系統精細化管理。

STC15W404AS; 電力載波; 終端

Class Number O43

1 引言

傳統的路燈照明系統只是簡單的時間控制,在此時間區間內路燈一直處于長明狀態,所以存在嚴重的能源浪費[1];另外采用集中控制監測的是變壓器區域內的所有路燈,所以當出現故障時,無法實現精確定位,給維修工作帶來一定的難度[2]。電力載波技術依靠電力線作為信號傳輸的媒介,不需要鋪設額外傳輸線路[3～5],且技術發展日趨成熟。本文結合日益成熟的電力載波技術設計出一款針對單燈控制的終端設備,能根據外界光照強度的變化,合理的開關路燈,實現節約能源的功能,并采用自定義的載波通信協議實現單燈控制,解決了故障巡查困難的問題。

2 總體方案設計

路燈照明系統包括控制終端、集中器和監控中心三大部分,其總體結構框圖如圖1所示。系統的工作流程分為數據的上行和數據的下行[6],數據上行是指控制終端通過電力載波通信將路燈工作的電參量傳送給集中器,再由集中器通過GPRS上傳給監控中心[7];數據的下行過程是監控中心通過集中器向各個控制終端發送控制指令,完成對路燈的有效控制[8]。

圖1 路燈照明系統總體框圖

3 單燈控制終端硬件設計

3.1 終端電路

終端電路以STC15W404AS為主控MCU,相關外圍電路包括光照檢測電路、紅外感應電路、電量采集電路、開關電路、載波電路、RTC電路和電源電路,其電路連接如圖2所示。其中光照檢測電路以及紅外感應電路主要用于控制路燈的開啟與關閉,實現路燈的智能化控制;電量采集電路主要通過對路燈的電壓電流值的采集,實現對故障電路的精確定位;載波電路主要負責數據收發功能。

3.2 光照檢測電路

光照檢測電路主要由光敏電阻GL5516與運放LM324組成,其電路原理圖如圖3所示。它將采集到的外界環境的光照強度值轉化為電壓信號輸入到STC15W404AS的ADC管腳,通過對輸入MCU的電壓值與設定的開關燈閾值電壓的比較,實現路燈的智能化開啟與關閉。當光照減小時輸入電壓隨之減小,輸入電壓低于開燈閾值電壓時路燈開啟,當光照增強時輸入電壓隨之增大,輸入電壓大于關燈閾值時路燈關閉。

圖2 主控電路連接圖

圖3 光照檢測電路

3.3 紅外感應電路

該電路的作用是在夜間對道路上的人或車進行監測,進而控制路燈的開啟,由熱釋電紅外傳感器PD532和紅外傳感信號處理器LP0001組成。PD532工作波長7.0μm～14μm,工作電壓2.2V～15V,人體輻射的紅外線中心波長為9μm～10μm,而PD532的波長靈敏度在0.2μm～20μm范圍內幾乎穩定不變,結合菲涅爾透鏡2091后,可通過光的波長范圍為7μm～10μm,正好適合于人體紅外輻射的探測,探測距離可達8m～10m。PD532將感應到的紅外信號轉化為電壓信號后發送給LP0001,LP0001以外部中斷的方式喚醒省電模式下的主控芯片,完成開燈操作。紅外感應電路如圖4所示。

圖4 紅外感應電路

3.4 電量采集電路

電量采集電路主要包括電流采集電路與電壓采集電路兩大模塊,它的主要功能是為了實現對故障路燈的精確定位,其定位原理為:電量采集電路首先將采集到的主燈與副燈的電壓電流的數據傳輸給MCU,然后由串口將對應的信息傳送給載波模塊,再由載波模塊經電力線傳送給集中器[9],最后通過GPRS上傳給監控中心[10],進而實現對故障電路的精確定位。

電流采集電路中電流互感器HCT215的輸出為交流信號,通過R16將交流信號轉化為交流電壓信號,利用D5進行半波整流,再通過R14、R15和C4構成的濾波電路后,得到直流電壓信號,最后通過R13的壓流轉換后送入到STC15W404AS的ADC引腳,如圖5所示。

電壓采集電路首先通過R21的作用,將所要采集的電壓信號轉換為電流信號,然后經過電壓互感器HPT304的作用(輸入輸出電流比為1∶1),將強電側的電流信號轉換到弱電側,再經過R23進行流壓轉換后得到電壓信號輸入到STC15W404AS的ADC引腳,其結構原理圖如圖6所示。

圖5 電流采集電路

圖6 電壓采集電路

3.5 載波模塊

電力載波通信是指利用輸電線作為通信介質的一種通信方式[11]。這種方式最大的特點是不需要架設額外的通信線路,主要完成單燈控制終端與集中器之間的通信[12]。集中器下發的控制信號經載波模塊解調后,通過串口通信發送給單燈控制終端進行處理[13];同時,單燈控制終端發給集中器的數據,經過載波模塊調制后,通過輸電線上傳給集中器[14]。

載波模塊采用PLCS1643單相載波模塊,主要有如下特點:

1) 串口通信速率自適應,可自動匹配1200bps、2400bps、4800bps和9600bps,可適用于多種應用;

2) 具有主動向主控芯片申請通信地址功能;

3) 可編程的網絡地址、地址過濾,提供有效的本地訪問數據;

4) 數據鏈路層的設計是基于高級數據鏈路控制協議,具有信息幀的長度可變、地址域長度可擴充性、幀中繼轉發機制等功能,提高了主站與從站之間數據交換的吞吐量,實現了費率信息一次傳輸的目標;

5) 載波數據通信速率可支持330bps、1000bps和1500bps三種。

4 單燈控制終端的軟件設計

4.1 軟件流程

單燈控制終端主要包括以下幾個模塊:開關燈模塊、數據采集模塊、串口通信模塊、RTC時鐘模塊、定時器模塊[15]。所以軟件部分主要實現的功能是控制路燈的開啟與關斷、數據采集以及載波通信等,在軟件編程過程中可根據不同功能進行模塊化設計,其主流程如圖7所示。

圖7 流程圖

當單燈控制終端上電復位后,首先要進行初始化,包括A/D接口、串口通信、SPI總線、中斷、定時器等;初始化完成后啟動看門狗電路;然后通過光照檢測電路采集外界的光照強度,通過SPI總線讀取DS1302的時間值,進而控制路燈的開啟與關斷;再由載波模塊根據集中器發來的指令,將本終端的數據通過串口發送給MCU,最后控制終端將所收數據按照自定義協議解析,并將操作結果逐級返回到控制端,以完成相應的操作。

4.2 自定義通信協議

單燈控制終端與集中器之間采用自定義通信協議進行數據的傳輸,載波模塊在兩者之間起到數據中轉的作用,因此本文主要設計單燈控制終端與載波模塊之間的數據傳輸協議,該協議的格式包括幀頭、幀長、數據域、方向字、應答字、校驗碼、幀尾。幀頭與幀尾的表示符分別為0xFE和0xFF;幀長是數據域的字節數加2,并以十六進制表示;數據域的長度是可變的,包含所要發送的命令、所要上傳的數據、目的地址、原地址等;方向字表示數據的傳輸方向,0x01表示由載波模塊向MCU發送指令,0x02表示由MCU向載波模塊發送數據,而應答字表示接收數據的一方對該幀數據做出怎么樣的回復,如0x01表示立即回復;校驗碼采用奇校驗,用于檢測數據傳輸過程中是否出錯,如果出錯就要求從新發送。如表1所示。

表1 自定義通信協議格式

5 實驗及實驗數據分析

5.1 光照檢測實驗

在實驗室環境下,模擬外界的光照度,檢驗路燈的光照檢測電路,為了實驗的便利性,決定用光照度值作為依據進行判斷,兩者的邏輯是一樣的。首先需要將DS1302的時鐘調整到白天,避免因開燈時間到來影響光照檢測電路,在光敏電阻附近用遮擋物減弱周圍的光照度值,在程序中設定外界光照度值為8Lux時的電壓值為開燈閾值,外界光照度值為15Lux時的電壓值為關燈閾值,用光照度計測量光敏電阻周圍的光照度值。實驗結果如表2所示。

表2 光照檢測實驗結果

開燈前光照度平均值為8.14Lux,關燈前的光照度平均值為15.1Lux,這兩個值都在誤差允許范圍內,因此所設定的開燈閾值與關燈閾值所對應的電壓值是可行的。

5.2 紅外感應實驗

在節能模式下對紅外感應電路進行測試,夜晚將實驗室燈全部關閉,將單燈控制終端放在高處,分別在距離終端水平距離4m～10m范圍內走動,檢測路燈是否開啟,實驗結果如表3所示。

表3 紅外感應實驗結果

實驗表明在有效范圍內紅外感應電路能很好地工作,在臨界范圍處出現檢測不準的情況是可以接受的。

5.3 單燈控制實驗

在實驗室環境下,將集中器通過RS232與電腦相連,單燈控制終端與集中器連接在同一路供電線路上,給主燈和副燈供電,然后通過串口助手向單燈控制終端發送開燈、關燈、上傳數據指令,實驗結果如表4所示。

表4 單燈控制實驗結果

由實驗數據可以看出,在實驗室環境下,集中器能夠很好地實現對單燈的控制,包括對不同位置路燈開關的控制,而且能夠實現對不同位置處路燈的電參量數據的接收等。

6 結語

本文設計了一種智能單燈控制終端,并從硬件、軟件的設計進行了詳細的闡述,最后在實驗室環境中進行了實驗,并對實驗數據進行了分析,由實驗數據證明了設計的可行性。實驗結果顯示光照檢測與紅外感應電路能很好地應用到路燈控制中,同時載波通信也能實現對路燈的單燈控制。隨著“智慧城市”的提出,必然會加快路燈智能控制的步伐,本設計為路燈智能化控制提供了重要的依據。

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Design of Street Lamp Terminal Based on STC15W404AS and Power Carrier

HE Weiting LV Feng

(Xi’an Technological University, Xi’an 710021)

In view of the problem that traditional street lamp lighting system adopts centralized control method and exists serious energy waste, switch way is single, a model is designed based on STC15W404AS and terminal of the lamps in the electric power carrier, combined with the light detection and infrared sensor, the single light switch can be controlled according to the external environment, street lights work voltage and current are collected at the same time, timely upload to the monitoring center, fine management of the whole street lamp lighting system is implemented.

STC15W404AS, power carrier, terminal

2016年9月8日,

2016年10月27日

賀為婷,女,碩士,副教授,研究方向:計算機測控技術。呂豐,男,碩士研究生,研究方向:計算機測控技術。

O43

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.037