路灯控制系统中集中控制器的设计研究

    刘建成

    摘要：照明系统是城市建设不可缺少的公用设施，照明系统的维护管理水平是整个城市经济发展水平的综合体现。设计自动化程度高、运行可靠、高效节电、使用维护方便是照明控制与管理现代化的必然要求。

    关键词：照明系统；智能化；监控；运行

    1 城市路灯控制系统发展方向

    1．1引入节能控制

    路灯控制系统从最初路灯开关控制功能，逐渐演化到监控节能控制功能。各种节能技术融合到路灯监控系统中，路灯监控系统的功能从原来单一监控功能，发展到集体监控功能和节能控制于一体的新型路灯监控系统。

    1．2 控制更细化

    在传统的路灯监控系统中，一个远程控制单元RTU所监控的是数十盏甚至数百盏路灯。随着低压(220V)电力线载波技术的日益成熟，很多城市的路灯监控引用了所谓的单灯控制器LCU ( Lamp Control Unit )。LCU安装在每盏路灯灯头处，可以对每盏路灯进行监控。

    1．3 远程化

    新型的路灯监控系统中，中央控制室与RTU直接采用公共基础通信设施GPRS/CDMA交换信息。由于GPRS/CDMA采用标准的TCP/IP协议，这使路灯监控系统与Internet无缝衔接在一起，允许监控人员在任何时候(any time )、从任何地方(any where)获取路灯现场的工作状况并对其实施控制。

    2 系统总体设计以及主要功能

    本系统由以下几部分组成:中央控制室、集中控制器和路灯控制器。系统采用三级结构形式，本文主要针对系统中的集中控制器的设计进行了分析和研究。

    该系统主要有以下功能：

    2．1 遥控功能

    将根据经纬度计算或人工定义的开关灯时间表存储于微机内，并下载到各集中控制器中作为该部分(或区段)的主时间表，若无特殊情况，路灯控制器按设定的时间表，自动执行路灯的开关，并将执行结果报告给集中控制器，然后再上传给中央控制室。中央控制室同时接入光照度测量装置，根据天气变化在设定的开关时间前十五分钟，设定照度门限，当照度达到设定照度门限，即自动控制开关灯，这样，以时间为主、光控为辅，可使路灯控制更趋于合理。此外还可以通过微机键盘或鼠标可随时对各集中控制器进行手动控制，遥控开、关灯。

    2．2 遥测功能

    该功能有自动巡测和手动巡测二种:

    自动巡测:系统每隔十分钟(时间可随意设定)对各个集中控制器进行数据采集，采集的项目是各个集中控制器在该时刻的电压、电流等数据，并把该数据存储到中央控制室的计算机中，然后存储在服务器中。手动巡测:通过微机键盘或鼠标操作可随时检测各集中控制器下路灯的运行情况，并在显示器的屏幕上显示出运行数据，也可将其在该城市地图上的位置及其运行正常与否的情况在显示屏上显示出来。

    2．3 报警功能

    通过分析所采集到的数据，给操作人员反馈设备运行状况，提高处理事故效率。设备在出现故障或系统异常(如亮灯率低于限定值、变压器失电、大片灭灯、单灯故障等)时立即向中央控制室报警，报警以声音提醒值班人员注意，同时在主界面上显示相应报警区域。作为可选功能，报警信息可以通过短信(SMS)方式自动转发给负责该报警区域的维修人员手机上，提高工作效率。

    2．4 查询功能

    中央控制室可以查询实时数据、某日数据、亮灯率、用电量、报警数据、即时照度、照度数据等，这些数据可用曲线显示出来，并可以打印。

    3 集中控制器的硬件设计

    集中控制器是系统的主要组成部分，它关系到中央控制室与路灯控制器的信息交互，是系统信息交换的枢纽，也是设计重点。集中控制器既可以起到上传下达的作用，也可以单独对路灯控制器进行控制。它与上级的中央控制室是采用无线通信，与下级的路灯控制器是采用电力线载波通信。这样既可以实现远程通信，也可以节约线路成本，控制更为精细。

    3.1 主要器件选型

    3．1．1CPU选型。集中控制器的CPU选型，是其工作的主要保障，关系到系统的可靠性、稳定性以及成本问题。选取的CPU要与其它模块兼容、具有抗干扰能力以及满足系统所要求的处理能力等是重点考虑的问题。根据电力系统信号复杂，干扰较多的特点，可以选择TI公司的MSP430F149作为控制器的CPU。MSP430F149是一款性价比极高的工业级芯片，只要进行适当的电路设计，就能在恶劣的电磁干扰环境下可靠地工作。

    3．1．2 GPRS模块选型。在该系统中，集中控制器与中央控制室的通讯是基于GPRS无线数据传输技术的，而GPRS模块则是实现GPRS通讯的关键部分，该系统中的GPRS模块选用的MOTOROLA公司的G20模块。

    3.2 电源设计

    电源是该集中控制器工作的能量提供者。该系统中主要包括两类电源设计：

    3．2．1 +3.6V电源的设计。3.6V的电源是一个单独给GPRS模块供电的电源，由于GPRS模块在射频传输期间有很大的峰值电流，所以要求给它供电的电源必须具有较大的电流驱动能力。设计中采LM2576T-ADJ开关电源芯片来完成+12V直流电到+3.6V的转换。LM2576系列的稳压器是单片集成电路，能提供降压开关稳压器的各种功能，这些器件的固定输出电压有3.3V,5V,12V,15V，还有可调整输出的型号。

    3．2．2 +3.3V电源的设计。由于该集中控制器中的依靠+3.3V电压供电的主要有触发器74HC 123、时钟芯PCF8563, MSP430F149以及它的一些外围器件对电流的要求并不是很大，为了简化电路设计，利用+5V的电源来转变为+3.3V：把+5V电压加在一个二极管1N4148和一个20欧姆的电阻上，再利用一个稳压二极管来稳压之后，就可以得到一个比较稳定的+3.3V的输出电压了。

    3.3 GPRS模块接口设计

    3．3．1 电源部分。G20模块的供电在前面的电源设计中已经专门做了设计，由开关电源LM2576将+12V的直流电降压为+3.6V的直流电为G20的供电，电流的驱动能力可达3A,满足了G20在进行数据传输时的要求，所以在应用中将这四个脚短接，然后将产生的3.6V直流电送到这四个脚上。为了减少在信号线上的损失，在设计中使LM2576输出的3.6V信号与G20的用户接口之间的连线尽可能的短，为了减小在数据传输阶段的电压下降的幅度，在靠近G20的电源线和地线上还跨接了一个1000PF电容，在平时作为储能元件，当处于数据传输阶段时释放能量，从而减小电压的下降值。

    3．3．2 DART部分。G20和MSP430之间的通讯是通过各自的UART接口来完成的，G20的DART接口一共包括8个信号，除了RXD和TXD是负责真正的数据传输工作之外，其他的信号均是用来完成硬件握手的信号，文中决定不采用硬件流控制，而是构建一个精简的串口通讯，所以只利用RXD和TXD两个信号来和MSP430实现通信，而其他的六个信号均不用，将它们空置。前面己经论述了G20中DART的电平标准接近TTL电平，而M8P430的UART也是采用TTL电平标准，且它们的供电电压也非常接近，所以它们都能互相识别对方发送的高低电平，不需要进行电平转换。这样以来，就可以直接将G20的RXD和TXD信号脚与MSP430的TXD和RXD引脚相连来完成串口通讯。

    3.4 外围电路设计

    3．4．1 人机接口电路。为了提高系统的可操作性和可.维护性，方便工作人员在现场对集中控制器的测试和维护，特设计了这部分人机接口电路。它具有将相关信息输出到LCD进行显示，以及利用键盘输入来设定和修改存储在MSP430F149中的运行参数等功能。选用带有FLASH存储器的单片机MSP430F149作为集中控制器的主控制器，可以将系统运行参数设置其中、也可方便地进行修改其参数。这部分电路主要供操作人员利用键盘和LCD在现场对一个区段的路灯工作参数进行即时设定和修改。

    3．4．2 时钟模块。考虑到系统运行过程中如果出现了通讯故障，集中控制器将在没有中央控制室调度的情况下独立工作，如果在集中控制器中配置时钟模块的话，就可以在系统运行过程中提供准确的时钟，从而使得系统能够准确和可靠的自主工作，完成信号测量和开关灯等操作。所以，在硬件设计中用到了时钟模块，这样的设计大大提高了系统运行的可靠性和抗干扰能力。设计选用了PI-IILIPS公司的PCF8563实时时钟芯片作为集中控制器的时钟。PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟日历芯片，符合该系统低功耗的设计原则。

    参考文献

    [1]温耐，电力载波在校园路灯控制器中的应用，平顶山师专学报， 2004

    [2]邓小华，基于电力线载波与GPRS通讯的公共路灯控制系统.南昌水专学报，2004.