基于STC15W404AS和電力載波的路燈終端設(shè)計*

賀為婷 呂 豐

(西安工業(yè)大學(xué) 西安 710021)

基于STC15W404AS和電力載波的路燈終端設(shè)計*

賀為婷 呂 豐

(西安工業(yè)大學(xué) 西安 710021)

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

STC15W404AS; 電力載波; 終端

Class Number O43

1 引言

傳統(tǒng)的路燈照明系統(tǒng)只是簡單的時間控制,在此時間區(qū)間內(nèi)路燈一直處于長明狀態(tài),所以存在嚴重的能源浪費[1];另外采用集中控制監(jiān)測的是變壓器區(qū)域內(nèi)的所有路燈,所以當(dāng)出現(xiàn)故障時,無法實現(xiàn)精確定位,給維修工作帶來一定的難度[2]。電力載波技術(shù)依靠電力線作為信號傳輸?shù)拿浇?不需要鋪設(shè)額外傳輸線路[3～5],且技術(shù)發(fā)展日趨成熟。本文結(jié)合日益成熟的電力載波技術(shù)設(shè)計出一款針對單燈控制的終端設(shè)備,能根據(jù)外界光照強度的變化,合理的開關(guān)路燈,實現(xiàn)節(jié)約能源的功能,并采用自定義的載波通信協(xié)議實現(xiàn)單燈控制,解決了故障巡查困難的問題。

2 總體方案設(shè)計

路燈照明系統(tǒng)包括控制終端、集中器和監(jiān)控中心三大部分,其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)的工作流程分為數(shù)據(jù)的上行和數(shù)據(jù)的下行[6],數(shù)據(jù)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(jiān)控中心[7];數(shù)據(jù)的下行過程是監(jiān)控中心通過集中器向各個控制終端發(fā)送控制指令,完成對路燈的有效控制[8]。

圖1 路燈照明系統(tǒng)總體框圖

3 單燈控制終端硬件設(shè)計

3.1 終端電路

終端電路以STC15W404AS為主控MCU,相關(guān)外圍電路包括光照檢測電路、紅外感應(yīng)電路、電量采集電路、開關(guān)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(yīng)電路主要用于控制路燈的開啟與關(guān)閉,實現(xiàn)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(xiàn)對故障電路的精確定位;載波電路主要負責(zé)數(shù)據(jù)收發(fā)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(huán)境的光照強度值轉(zhuǎn)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(shè)定的開關(guān)燈閾值電壓的比較,實現(xiàn)路燈的智能化開啟與關(guān)閉。當(dāng)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(dāng)光照增強時輸入電壓隨之增大,輸入電壓大于關(guān)燈閾值時路燈關(guān)閉。

圖2 主控電路連接圖

圖3 光照檢測電路

3.3 紅外感應(yīng)電路

該電路的作用是在夜間對道路上的人或車進行監(jiān)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(nèi)幾乎穩(wěn)定不變,結(jié)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(yīng)到的紅外信號轉(zhuǎn)化為電壓信號后發(fā)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(yīng)電路如圖4所示。

圖4 紅外感應(yīng)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(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸給MCU,然后由串口將對應(yīng)的信息傳送給載波模塊,再由載波模塊經(jīng)電力線傳送給集中器[9],最后通過GPRS上傳給監(jiān)控中心[10],進而實現(xiàn)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(zhuǎn)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(gòu)成的濾波電路后,得到直流電壓信號,最后通過R13的壓流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電流信號,然后經(jīng)過電壓互感器HPT304的作用(輸入輸出電流比為1∶1),將強電側(cè)的電流信號轉(zhuǎn)換到弱電側(cè),再經(jīng)過R23進行流壓轉(zhuǎn)換后得到電壓信號輸入到STC15W404AS的ADC引腳,其結(jié)構(gòu)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(zhì)的一種通信方式[11]。這種方式最大的特點是不需要架設(shè)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(fā)的控制信號經(jīng)載波模塊解調(diào)后,通過串口通信發(fā)送給單燈控制終端進行處理[13];同時,單燈控制終端發(fā)給集中器的數(shù)據(jù),經(jīng)過載波模塊調(diào)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(yīng),可自動匹配1200bps、2400bps、4800bps和9600bps,可適用于多種應(yīng)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(wǎng)絡(luò)地址、地址過濾,提供有效的本地訪問數(shù)據(jù);

4) 數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計是基于高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議,具有信息幀的長度可變、地址域長度可擴充性、幀中繼轉(zhuǎn)發(fā)機制等功能,提高了主站與從站之間數(shù)據(jù)交換的吞吐量,實現(xiàn)了費率信息一次傳輸?shù)哪繕?

5) 載波數(shù)據(jù)通信速率可支持330bps、1000bps和1500bps三種。

4 單燈控制終端的軟件設(shè)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(guān)燈模塊、數(shù)據(jù)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(xiàn)的功能是控制路燈的開啟與關(guān)斷、數(shù)據(jù)采集以及載波通信等,在軟件編程過程中可根據(jù)不同功能進行模塊化設(shè)計,其主流程如圖7所示。

圖7 流程圖

當(dāng)單燈控制終端上電復(fù)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(guān)斷;再由載波模塊根據(jù)集中器發(fā)來的指令,將本終端的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給MCU,最后控制終端將所收數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議解析,并將操作結(jié)果逐級返回到控制端,以完成相應(yīng)的操作。

4.2 自定義通信協(xié)議

單燈控制終端與集中器之間采用自定義通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸,載波模塊在兩者之間起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用,因此本文主要設(shè)計單燈控制終端與載波模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,該協(xié)議的格式包括幀頭、幀長、數(shù)據(jù)域、方向字、應(yīng)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(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)加2,并以十六進制表示;數(shù)據(jù)域的長度是可變的,包含所要發(fā)送的命令、所要上傳的數(shù)據(jù)、目的地址、原地址等;方向字表示數(shù)據(jù)的傳輸方向,0x01表示由載波模塊向MCU發(fā)送指令,0x02表示由MCU向載波模塊發(fā)送數(shù)據(jù),而應(yīng)答字表示接收數(shù)據(jù)的一方對該幀數(shù)據(jù)做出怎么樣的回復(fù),如0x01表示立即回復(fù);校驗碼采用奇校驗,用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中是否出錯,如果出錯就要求從新發(fā)送。如表1所示。

表1 自定義通信協(xié)議格式

5 實驗及實驗數(shù)據(jù)分析

5.1 光照檢測實驗

在實驗室環(huán)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(jù)進行判斷,兩者的邏輯是一樣的。首先需要將DS1302的時鐘調(diào)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(shè)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(guān)燈閾值,用光照度計測量光敏電阻周圍的光照度值。實驗結(jié)果如表2所示。

表2 光照檢測實驗結(jié)果

開燈前光照度平均值為8.14Lux,關(guān)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(nèi),因此所設(shè)定的開燈閾值與關(guān)燈閾值所對應(yīng)的電壓值是可行的。

5.2 紅外感應(yīng)實驗

在節(jié)能模式下對紅外感應(yīng)電路進行測試,夜晚將實驗室燈全部關(guān)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(nèi)走動,檢測路燈是否開啟,實驗結(jié)果如表3所示。

表3 紅外感應(yīng)實驗結(jié)果

實驗表明在有效范圍內(nèi)紅外感應(yīng)電路能很好地工作,在臨界范圍處出現(xiàn)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(huán)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(fā)送開燈、關(guān)燈、上傳數(shù)據(jù)指令,實驗結(jié)果如表4所示。

表4 單燈控制實驗結(jié)果

由實驗數(shù)據(jù)可以看出,在實驗室環(huán)境下,集中器能夠很好地實現(xiàn)對單燈的控制,包括對不同位置路燈開關(guān)的控制,而且能夠?qū)崿F(xiàn)對不同位置處路燈的電參量數(shù)據(jù)的接收等。

6 結(jié)語

本文設(shè)計了一種智能單燈控制終端,并從硬件、軟件的設(shè)計進行了詳細的闡述,最后在實驗室環(huán)境中進行了實驗,并對實驗數(shù)據(jù)進行了分析,由實驗數(shù)據(jù)證明了設(shè)計的可行性。實驗結(jié)果顯示光照檢測與紅外感應(yīng)電路能很好地應(yīng)用到路燈控制中,同時載波通信也能實現(xiàn)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(shè)計為路燈智能化控制提供了重要的依據(jù)。

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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(shù)。呂豐,男,碩士研究生,研究方向:計算機測控技術(shù)。

O43

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.037