基于LonWorks控制网技术的路灯监控系统设计
引言
目前，我国的路灯系统主要依靠人工管理，需要工作人员定时开关灯； 且当路灯出现故障时，不能及时发现和有效处理。如果采用路灯智能监控系统，不仅能够及时发现路灯的故障情况，减少大量的人力，还能节省路灯能耗，对城市的节能改造作出巨大贡献。
在路灯监控系统中，数据通信的方案主要有三种:
第一种方案采用总线通讯技术， 如rs485、can 总线等。该方案技术上最成熟，但是需要额外布线，对于改造路段实施起来难度较大。
第二种方案通过无线通信方式， 包括gprs、蓝牙、zigbee 等方案。采用gprs 通信方式成本太高，一般不会考虑。目前最适合的是zigbee 通信技术，zigbee 是一种廉价的低速无线个域网，相对于蓝牙通信具有价格更低、距离更远、支持节点数目更多等优点。zigbee 适合于网状结构系统， 采用dsss /o-qpsk 调制，能够有效克服无线传输中的多径干扰问题，传输可靠性高； 但路灯网络中的所有节点分布在一条直线上，延伸至几公里甚至几十公里，并不是zigbee 理想的拓扑结构。而且无线方式对环境的依赖性较大，在天气恶劣的情况下会影响通信质量。因此zigbee 技术应用于路灯监控系统的实际效果尚需验证。
第三种方案采用电力线通信( plc，power linecommunication) 技术， 该方案以电力线为通信介质，减少了布线成本，而且对外部环境的依赖性较小，可靠性更高，与前两种方案相比更加适用于路灯监控网络。电力线通信分窄带调制方式和宽带调制方式。由于路灯监控系统需要传输的数据量较少，因而对传输速率的要求不高，窄带plc 技术就可以满足通信要求； 而宽带plc 技术则主要应用于大流量数据( 如多媒体数据等) 的高速传输，而且由于宽带通信所占用的带宽很宽，很容易超出cenelec规范所规定的频率范围，所以在监控系统中一般不采用。早期的窄带电力线通信一般采用简单的模拟调制技术，其抗干扰能力不强，应用范围有限。但是随着信号检测技术和dsp 技术的发展完善，窄带通信如bpsk ( 二进制相移键控技术) 的抗干扰能力得到很大提高，将会更加适用于plc 网络。
综上分析，本文选择电力线窄带bpsk 通信方式作为监控系统的通信方案，并根据路灯系统的特点，提出了可行的系统结构； 随后，本文描述了系统中各个组成部分的设计思路，并详细设计了路灯节点。
1 系统概述
为实现路灯的优化管理，路灯监控系统需要收集每盏路灯的状态和环境信息，汇集到电脑终端，集中优化处理后，控制每一盏路灯的输出光通。整个系统的实现框图如图1 所示。
图1 系统实现框图
图1 中，路灯监控系统主要包括路灯节点、i.lon smartsever ( 电力线网络管理器) 以及在电脑终端运行的路灯监控软件。路灯监控软件通过因特网控制lonworks 控制网中的所有路灯节点； 每一个lonworks 控制网相当于一个因特网上的站点，配有一个ip 地址， 通过访问该ip 地址， 实现对lonworks 控制网的访问。
i. lon smartsever 以主从方式管理lonworks 控制网，并能通过ethernet 接口或gprs 通信模块以拨号方式接入因特网。这样， 控制中心通过与i.lon smartsever 进行数据交换， 就可以对lonworks控制网上的每个节点进行监控。此外， i. lonsmartsever 带有多个i /o 端口，用于收集道路的环境信息( 照度、湿度等) ，作为调光依据。
在监控中心，路灯监控软件不断巡查各个路灯节点的状态，显示每盏路灯的工作状况和输出功率，既能手动控制每个灯的光通，也可以根据一定的算法自动调整路灯照度。
以下情况可以采用自动调光，包括:
● 根据设定时间段调节照度， 如在后半夜时，调节到半载功率输出。
● 根据天气情况、不同时期的日照情况开、关灯或调节输出光通。
● 根据特殊照明情况调节输出光通。如城市隧道照明场合，为了避免进入或离开隧道时视觉上的不适应，单独调节隧道口的路灯，让其光通缓变。
● 根据特殊路段设定输出光通。如在某一路段发生事故时，输出最大光通，以便事故处理，同时提高道路安全。
2 路灯节点设计
本系统设计的路灯节点包括电力线通信部分、智能电子镇流器部分和高压钠灯部分，电力线通信部分和智能电子镇流器部分通过i2c 接*换数据。其硬件电路实现框图如图2 所示。
图2 路灯节点硬件框图
2. 1 电力线通信
2. 1. 1 硬件设计
电力线通信控制电路主要负责数据在电力线上的可靠传输，其主芯片采用echelon 公司的pl3120，pl3120 是专用于电力线系统的神经元芯片，内部集成有三个处理器单元和一个电力线收发器。电力线收发器采用窄带bpsk 调制，且具有双载波频率，当主频率受到干扰后，自动切换到预备频率上工作，极大增强了系统抗干扰能力。
如图3 所示，电力线通信控制电路包括高通耦合电路、功率放大滤波电路和pl3120 及其外围电路； 高通耦合电路提取市电线路中的高频信号，经带通滤波电路滤波后传输给pl3120，解调后得到通信数据。同时， pl3120 将发送数据进行bpsk 调制，功率放大后耦合到电网上。pl3120 通过txsense 引脚采样功率放大电路的输出电压，得到的值用来调整txbias 引脚上的电流，从而控制发送功率。
图3 电力线通信控制电路
为保证电力线通信电路的可靠工作，必须对高通耦合电路做优化设计，使高通耦合电路滤除50hz市电分量的同时，具有较大的输入阻抗和较小的输出阻抗，减小信号的衰减。图3 中，电容c1、c2和变压器t1组成发送通路，变压器变比为1 ：1，起到隔离作用； 要减小发送通路的交流输出阻抗，需要选择较大的c1、c2。c2为隔直电容，可以取得大些； 但是c1直接接在电力线上，增大容值会增大体积，增加损耗，因此在不增大c1的情况下，通过恰当设计变压器的漏感lk，与电容c1在载波频率段产生谐振， 减小输出阻抗。在输入通路中，c1和lm滤除了50hz 市电分量，而高频信号分量通过c3和l2的谐振电路，将接收信号放大，得到较强的接收信号。实际电路中lm取1 mh，lk取12 μh，电容c1取0. 1 μf，c3取1. 5nf，而l2取820μh。
2. 1. 2 软件设计
lonworks 系统的最大优点是通信程序设计采用neuron c 语言。neuron c 在标准c 的基础上，提供了大量的硬件接口函数，只需调用相应的函数就可以使用该硬件资源； 而且，节点间的通信通过网络变量的绑定来实现，而通信过程完全由底层协议完成，方便了程序的开发。
电力线通信软件实现框图如图4 所示，系统定义了一个输入网络变量( i. lon smartsever 对节点的控制命令) 和一个输出网络变量( 节点对i. lonsmartsever 的返回数据)， 并与i. lon smartsever上相应的输出、输入网络变量绑定。发送数据时，改变本地输出网络变量，与之绑定的输入网络变量的值就会随之改变，而数据的传输过程则完全由底层协议完成，极大简化了程序的开发过程。
图4 电力线通信软件实现框图
2. 2 电子镇流器
如图2 所示，路灯节点中的电子镇流器部分采用普通的两级拓扑结构，前级pfc 电路加后级半桥逆变和谐振触发电路， 并且通过中央处理器电路、采样电路和调光电路收集镇流器的状态信息，并根据命令调光。
电子镇流器有多种调光方式，调频调光、调母线电压调光、调占空比调光等。在大功率高压钠灯中，由于声谐振的频率点较少，所以选用比较简单的调频方式。
以下分析频率变化对输出功率的影响。图5 为电子镇流器的谐振电路，为了减小波峰因子，工作频率通常选在谐振频率的4 ～ 6 倍，不考虑高次谐波通过lc 滤波后的分量，仅对该谐振电路进行基波分析。
图5 谐振电路
基波分量表达式:
其中: vbus为pfc 电路输出母线电压； rlamp为稳定工作时灯的等效电阻；输出电压:
其中:
根据式(1)、(2) 可得输出功率:
当f > f0，随着f 的增大，p0减小( 为了使开关管工作于软开通状态，工作频率一般会选择比f0大)。
调频调光电路如图6 所示。atmega8 的pb2 管脚( 计数器比较输出管脚) 输出pwm 波，通过光耦，滤除高频分量后，得到基准电压vref； 改变vref，a 点电位改变，4 脚的输出电流就改变，工作频率随之变化( l6574 的4 脚为恒定2v 电压，通过改变4脚的输出电流值改变频率) ； 由式5 可知， 谐振电路的频率改变， 输出功率也随之变化。所以改变atmega8 输出的pwm 的占空比， 就可以改变灯输出功率，且占空比越大，输出功率越低。
图6 调频调光电路
经过实验测量，得到输入功率—频率变化曲线图如图7。由于输入功率比较容易测量，所以用输入功率的变化来近似表示输出功率的变化。
如图7 所示，满载时，工作频率为43 khz，输入功率为273w； 随着频率增加， 输入功率近似线性减小， 当频率达到60khz 时， 输入功率约为100w。在很多路灯应用场合，调节至半载功率已经足够； 而且高压钠灯在38 khz ～ 100 khz 频率范围内，为声谐振的安全区，可以实现安全调光。
图7 功率—频率曲线图
3 实验结果
通过模拟现场情况，在1000 米的电力线上均匀挂上20 个路灯节点。实验结果表明，各个路灯节点能够可靠的完成上位机发出的指令，实现单点调光、多点调光和定时调光等，并且能够准确收集自身的状态信息，显示到电脑上。同时，i. lon smartsever在没有上位机操作的情况下，可以通过特定的算法对各个路灯节点的输出光通进行调节， 达到预期效果。
4 结束语
随着新的城市节能减排的要求的提出，道路照明系统的优化管理也越来越受到关注，本文提出的基于lonworks 控制网的路灯监控系统， 选择lonworks 技术作为路灯监控系统的控制平台，实现了电脑终端对各个路灯节点的实时监控； 并且能够依据路灯所处的具体环境调节输出光通，不但减少了大量的人力、物力和财力，而且实现了更加有效的照明。
本系统还可以方便地应用到其他类型的路灯照明系统中。随着以led 为主的第四代光源日趋成熟，很多路灯系统都已经采用了led 灯，而该系统只需将高压钠灯电子镇流器换成带数字接口的led驱动器就可以正常工作，同时监控高压钠灯和led灯节点。
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目前，我国的路灯系统主要依靠人工管理，需要工作人员定时开关灯； 且当路灯出现故障时，不能及时发现和有效处理。如果采用路灯智能监控系统，不仅能够及时发现路灯的故障情况，减少大量的人力，还能节省路灯能耗，对城市的节能改造作出巨大贡献。
在路灯监控系统中，数据通信的方案主要有三种:
第一种方案采用总线通讯技术， 如rs485、can 总线等。该方案技术上最成熟，但是需要额外布线，对于改造路段实施起来难度较大。
第二种方案通过无线通信方式， 包括gprs、蓝牙、zigbee 等方案。采用gprs 通信方式成本太高，一般不会考虑。目前最适合的是zigbee 通信技术，zigbee 是一种廉价的低速无线个域网，相对于蓝牙通信具有价格更低、距离更远、支持节点数目更多等优点。zigbee 适合于网状结构系统， 采用dsss /o-qpsk 调制，能够有效克服无线传输中的多径干扰问题，传输可靠性高； 但路灯网络中的所有节点分布在一条直线上，延伸至几公里甚至几十公里，并不是zigbee 理想的拓扑结构。而且无线方式对环境的依赖性较大，在天气恶劣的情况下会影响通信质量。因此zigbee 技术应用于路灯监控系统的实际效果尚需验证。
第三种方案采用电力线通信( plc，power linecommunication) 技术， 该方案以电力线为通信介质，减少了布线成本，而且对外部环境的依赖性较小，可靠性更高，与前两种方案相比更加适用于路灯监控网络。电力线通信分窄带调制方式和宽带调制方式。由于路灯监控系统需要传输的数据量较少，因而对传输速率的要求不高，窄带plc 技术就可以满足通信要求； 而宽带plc 技术则主要应用于大流量数据( 如多媒体数据等) 的高速传输，而且由于宽带通信所占用的带宽很宽，很容易超出cenelec规范所规定的频率范围，所以在监控系统中一般不采用。早期的窄带电力线通信一般采用简单的模拟调制技术，其抗干扰能力不强，应用范围有限。但是随着信号检测技术和dsp 技术的发展完善，窄带通信如bpsk ( 二进制相移键控技术) 的抗干扰能力得到很大提高，将会更加适用于plc 网络。
综上分析，本文选择电力线窄带bpsk 通信方式作为监控系统的通信方案，并根据路灯系统的特点，提出了可行的系统结构； 随后，本文描述了系统中各个组成部分的设计思路，并详细设计了路灯节点。
1 系统概述
为实现路灯的优化管理，路灯监控系统需要收集每盏路灯的状态和环境信息，汇集到电脑终端，集中优化处理后，控制每一盏路灯的输出光通。整个系统的实现框图如图1 所示。
图1 系统实现框图
图1 中，路灯监控系统主要包括路灯节点、i.lon smartsever ( 电力线网络管理器) 以及在电脑终端运行的路灯监控软件。路灯监控软件通过因特网控制lonworks 控制网中的所有路灯节点； 每一个lonworks 控制网相当于一个因特网上的站点，配有一个ip 地址， 通过访问该ip 地址， 实现对lonworks 控制网的访问。
i. lon smartsever 以主从方式管理lonworks 控制网，并能通过ethernet 接口或gprs 通信模块以拨号方式接入因特网。这样， 控制中心通过与i.lon smartsever 进行数据交换， 就可以对lonworks控制网上的每个节点进行监控。此外， i. lonsmartsever 带有多个i /o 端口，用于收集道路的环境信息( 照度、湿度等) ，作为调光依据。
在监控中心，路灯监控软件不断巡查各个路灯节点的状态，显示每盏路灯的工作状况和输出功率，既能手动控制每个灯的光通，也可以根据一定的算法自动调整路灯照度。
以下情况可以采用自动调光，包括:
● 根据设定时间段调节照度， 如在后半夜时，调节到半载功率输出。
● 根据天气情况、不同时期的日照情况开、关灯或调节输出光通。
● 根据特殊照明情况调节输出光通。如城市隧道照明场合，为了避免进入或离开隧道时视觉上的不适应，单独调节隧道口的路灯，让其光通缓变。
● 根据特殊路段设定输出光通。如在某一路段发生事故时，输出最大光通，以便事故处理，同时提高道路安全。
2 路灯节点设计
本系统设计的路灯节点包括电力线通信部分、智能电子镇流器部分和高压钠灯部分，电力线通信部分和智能电子镇流器部分通过i2c 接*换数据。其硬件电路实现框图如图2 所示。
图2 路灯节点硬件框图
2. 1 电力线通信
2. 1. 1 硬件设计
电力线通信控制电路主要负责数据在电力线上的可靠传输，其主芯片采用echelon 公司的pl3120，pl3120 是专用于电力线系统的神经元芯片，内部集成有三个处理器单元和一个电力线收发器。电力线收发器采用窄带bpsk 调制，且具有双载波频率，当主频率受到干扰后，自动切换到预备频率上工作，极大增强了系统抗干扰能力。
如图3 所示，电力线通信控制电路包括高通耦合电路、功率放大滤波电路和pl3120 及其外围电路； 高通耦合电路提取市电线路中的高频信号，经带通滤波电路滤波后传输给pl3120，解调后得到通信数据。同时， pl3120 将发送数据进行bpsk 调制，功率放大后耦合到电网上。pl3120 通过txsense 引脚采样功率放大电路的输出电压，得到的值用来调整txbias 引脚上的电流，从而控制发送功率。
图3 电力线通信控制电路
为保证电力线通信电路的可靠工作，必须对高通耦合电路做优化设计，使高通耦合电路滤除50hz市电分量的同时，具有较大的输入阻抗和较小的输出阻抗，减小信号的衰减。图3 中，电容c1、c2和变压器t1组成发送通路，变压器变比为1 ：1，起到隔离作用； 要减小发送通路的交流输出阻抗，需要选择较大的c1、c2。c2为隔直电容，可以取得大些； 但是c1直接接在电力线上，增大容值会增大体积，增加损耗，因此在不增大c1的情况下，通过恰当设计变压器的漏感lk，与电容c1在载波频率段产生谐振， 减小输出阻抗。在输入通路中，c1和lm滤除了50hz 市电分量，而高频信号分量通过c3和l2的谐振电路，将接收信号放大，得到较强的接收信号。实际电路中lm取1 mh，lk取12 μh，电容c1取0. 1 μf，c3取1. 5nf，而l2取820μh。
2. 1. 2 软件设计
lonworks 系统的最大优点是通信程序设计采用neuron c 语言。neuron c 在标准c 的基础上，提供了大量的硬件接口函数，只需调用相应的函数就可以使用该硬件资源； 而且，节点间的通信通过网络变量的绑定来实现，而通信过程完全由底层协议完成，方便了程序的开发。
电力线通信软件实现框图如图4 所示，系统定义了一个输入网络变量( i. lon smartsever 对节点的控制命令) 和一个输出网络变量( 节点对i. lonsmartsever 的返回数据)， 并与i. lon smartsever上相应的输出、输入网络变量绑定。发送数据时，改变本地输出网络变量，与之绑定的输入网络变量的值就会随之改变，而数据的传输过程则完全由底层协议完成，极大简化了程序的开发过程。
图4 电力线通信软件实现框图
2. 2 电子镇流器
如图2 所示，路灯节点中的电子镇流器部分采用普通的两级拓扑结构，前级pfc 电路加后级半桥逆变和谐振触发电路， 并且通过中央处理器电路、采样电路和调光电路收集镇流器的状态信息，并根据命令调光。
电子镇流器有多种调光方式，调频调光、调母线电压调光、调占空比调光等。在大功率高压钠灯中，由于声谐振的频率点较少，所以选用比较简单的调频方式。
以下分析频率变化对输出功率的影响。图5 为电子镇流器的谐振电路，为了减小波峰因子，工作频率通常选在谐振频率的4 ～ 6 倍，不考虑高次谐波通过lc 滤波后的分量，仅对该谐振电路进行基波分析。
图5 谐振电路
基波分量表达式:
其中: vbus为pfc 电路输出母线电压； rlamp为稳定工作时灯的等效电阻；输出电压:
其中:
根据式(1)、(2) 可得输出功率:
当f > f0，随着f 的增大，p0减小( 为了使开关管工作于软开通状态，工作频率一般会选择比f0大)。
调频调光电路如图6 所示。atmega8 的pb2 管脚( 计数器比较输出管脚) 输出pwm 波，通过光耦，滤除高频分量后，得到基准电压vref； 改变vref，a 点电位改变，4 脚的输出电流就改变，工作频率随之变化( l6574 的4 脚为恒定2v 电压，通过改变4脚的输出电流值改变频率) ； 由式5 可知， 谐振电路的频率改变， 输出功率也随之变化。所以改变atmega8 输出的pwm 的占空比， 就可以改变灯输出功率，且占空比越大，输出功率越低。
图6 调频调光电路
经过实验测量，得到输入功率—频率变化曲线图如图7。由于输入功率比较容易测量，所以用输入功率的变化来近似表示输出功率的变化。
如图7 所示，满载时，工作频率为43 khz，输入功率为273w； 随着频率增加， 输入功率近似线性减小， 当频率达到60khz 时， 输入功率约为100w。在很多路灯应用场合，调节至半载功率已经足够； 而且高压钠灯在38 khz ～ 100 khz 频率范围内，为声谐振的安全区，可以实现安全调光。
图7 功率—频率曲线图
3 实验结果
通过模拟现场情况，在1000 米的电力线上均匀挂上20 个路灯节点。实验结果表明，各个路灯节点能够可靠的完成上位机发出的指令，实现单点调光、多点调光和定时调光等，并且能够准确收集自身的状态信息，显示到电脑上。同时，i. lon smartsever在没有上位机操作的情况下，可以通过特定的算法对各个路灯节点的输出光通进行调节， 达到预期效果。
4 结束语
随着新的城市节能减排的要求的提出，道路照明系统的优化管理也越来越受到关注，本文提出的基于lonworks 控制网的路灯监控系统， 选择lonworks 技术作为路灯监控系统的控制平台，实现了电脑终端对各个路灯节点的实时监控； 并且能够依据路灯所处的具体环境调节输出光通，不但减少了大量的人力、物力和财力，而且实现了更加有效的照明。
本系统还可以方便地应用到其他类型的路灯照明系统中。随着以led 为主的第四代光源日趋成熟，很多路灯系统都已经采用了led 灯，而该系统只需将高压钠灯电子镇流器换成带数字接口的led驱动器就可以正常工作，同时监控高压钠灯和led灯节点。
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