城市照明单灯节能控制器研究
方案。
1.单灯节能控制器的总体方案设计
路灯监控系统由监控中心、路段控制器和装有载波模块的路灯节点组成,其原理框图如图1所示，是典型的物联网架构。监控中心主要由计算机、主控制器、自动化监控软件、GPRS通信模块以及计算机外围设备组成, 主要负责对路段控制器和单灯节能控制器节点的控制以及对接收到的信息进行处理,完成对路灯的开关控制和故障的监测。单灯节能控制器节点是由ST7536模块和单片机以及外围电路组成的控制模块和载波模块,实现对路灯信息和主控中心信息的双向传输,以及根据不同的时段对路灯进行开关控制。
监控中心通过GPRS模块与路段控制器和路灯节点进行通信, 将要执行的指令通过GPRS网络发给路段控制器和路灯节点;路段控制器通过对数据的解析来识别监控中心所要执行的指令,并将指令通过电力线发到ST7536载波模块;ST753载波模块通过判断地址和指令要求来实现对指定路灯的开关操作以及对路灯状态的查询,从而实现对路灯节点的控制;若监控中心需要信息返回,ST7536载波模块通过电力线将信息传到路段控制器,通过路段控制器上的GPRS模块以短信息的形式传给监控中心。因此,通过监控中心就可以完成对路灯状态的查询和故障情况的处理,利用自动化监控软件和电子地图就可以确定某个路灯节点的状态或者故障位置;路段控制器中装载了万年历,通过对时间的设定实现对路灯每天开关的自动化管理,有效地节省了人力、物力,并且可以对突发事件及时地进行处理。
2.ST7536载波模块设计
一个由ST7536作电力载波通信芯片的系统是由微处理器、接口电路和ST7536本身组成的系统，在PLC载波模块中采用微处理器与ST公司的ST7536载波芯片进行通信,电路框图如图2所示。ST7536是基于扩频载波技术中的线性调频方式进行信号调制的,利用扫描频率的Chirps进行载波,这种扩频通信方式的频带宽度为100kHz～400kHz,并且总是以200kHz～400kHz的频率开始,以100kHz～200kHz的频率结束。由于这种调频信号占用的频带宽度远远大于信息的带宽,因而可以获得较大的处理增益,克服了窄带通信方式的抗干擾能力弱、传输距离短等缺点,在干扰比较多的电力线上使数据高速、可靠地传输。
ST7536的内部功能结构如图3所示。
ST7536符合DH028/29ENEL、欧洲CENELECEN50065-1标准以及美国的FCC规定。ST7536 是单芯片Modem，有28个引脚。ST7536芯片的集成度很高，只需要较少的外部元件来完成所有操作：1个晶振，4个电阻和5个电容。ST7536属于半双工同步调制解调集成电路，采用低成本的同步FSK调制方式。它有两种工作方式：接收和发送数据。工作方式是由Rx/Tx控制输入端决定的，数据的输入输出与时钟相关联。此时钟信号由ST7536产生。当ST7536工作于发送方式时，发送的数据(TXD)在时钟的正沿被抽样，然后进入FSK调制器。它的工作频率是由时间基准和控制逻辑来设定的。在正常工作状态，信号混合电路决定送至发送滤波器的FSK调制信号。此滤波器是一开关型的电容带通滤波器。
在接收方式时，信号通过接收模拟输入端(RAI)进入，被接收信号经过接收带通滤波器滤波。接收滤波器与发送滤波器一样，也是开关电容滤波器，也用自动频率控制电路来将此滤波器设定于正确的工作频率上。经过放大之后，此接收信号频率向下变换并经中频带通滤波器滤波，得到的信号送至FSK解调器。中频滤波器(IFO)输出和FSK解调器输入(DEMI)间的耦合是由外部的电容来完成的，它滤除了失调电压。时钟恢复电路从FSK解调器的解调输出中接收时钟信号(CLR/T)。同步接收的数据在时钟正沿被传送。
在接收模式下,模拟信号通过电力线耦合,经过输入带通滤波将信号传输到ST7536,ST7536则通过调制将模拟信号转换成数字信号储存在缓冲器中,单片机通过读命令将数据接收并按照数据的要求执行相应的操作;在发送模式下,单片机将所要发送的数字信号通过写命令将数据写入ST7536,在下一个时钟脉冲到来时,ST7536输出信号,并将数字信号解调为模拟信号以Chirp波的形式输出,通过信号放大电路将信号幅值放大,再通过输出带通滤波将干扰滤除后,耦合到电力线上。
为了尽可能长地增加传输距离,对于调制出的Chirp波形必需进行有效的滤波和放大,因此输入、输出滤波电路和信号放大电路的设计效果对于信号传输距离和抗干扰能力会产生很大影响。输入滤波器是频带宽度为100kHz～400kHz的LC带通滤波器,可以使频带以外的干扰信号得到有效的衰减,增强了载波信号的抗干扰性,防止了信号的误码。增加传输距离的另外一个措施是提高输出信号的发射功率。
3.中继功能实现
上电之后,单片机实时地查询与ST7536的端口,及时地处理从电力线上传输过来的数据。由于载波信号的输出功率是有限的,在不考虑中继的情况下,一般的传输距离在500米左右,因为现在城市路灯的距离一般在1000米左右,因此仅靠提高载波信号的发射功率来增大传输距离还不能够实现对整条路灯的控制。针对这种问题,在传输距离较远的情况下采用中继的方式来解决,即当主控中心收不到某一路灯的信息或对某一路灯控制无效时,可以通过中继节点进行数据的转发。
中继算法是用软件方法实现中继的功能，工作原理及操作过程主要包括下面几点。
①接收数据包，并将数据包进行分解。当中继器接收到数据包之后，要先验证其合法性，然后把报头、报文和校验字节分离开来。最后再根据报头的不同，选择进行什么操作。
②对IP数据包进行处理。当接收到有效的报文时，中继器必须决定该数据是本地提交还是向前转发。当IP广播或多播时，也可能是一种混合的情况。对这些情况的判斷，主要根据下面三个规则进行处理：
◆当IP数据包中有一个源路由选项时，它将被转发而不进行本地提交；
◆当IP目的地址或其非转发多播地址中的某一个地址与中继器的某个端口地址相符时，将进行本地提交；
◆当IP目的地址是一个广播地址，或者是个既要转发又要本地提交的多播地址时，将同时进行两个操作。
③转发寻址。当中继器决定要转发一个IP数据包时，先要确定下一个中继器的地址。如果数据包中包括中继器选项而且验证其合法时，则下一个中继器地址可取自自身列表中的一项，而源地址应该是写成广播源的地址。
④转发验证。在转发之前，中继器应该对数据包进行一些校验工作，而只有验证无误的时候才能进行转发，否则将数据包抛弃而重新提示数据包的广播源重发。这里的校验分两个部分：
一个是IP的验证，看是否接收到的数据包目标IP 符合要求；
二是具体数据的验证，看校验得到的数据是否有误。
由于电力载波网络的采集器与集中器之间的距离在实际应用中远远超过最大通信距离，所以必须使用中继算法来弥补这个缺点。
4.结 语
利用电力线通信技术实现城市照明单灯控制是比较好的技术选择，能避免繁重的布线工作, 且具有造价低、传输线路牢固可靠、安装使用方便等优点，可大大提高城市路灯的现代化管理水平，在保证人们安全出行的前提下，实现按需照明，并代替人工巡检，减少劳动强度和维护费用，提高维护的及时性，满足人们日益增长的对城市照明的需求。
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