路灯电子镇流器组网的通信实验研究
杨蕊冰+程为彬+郭颖娜+宋久旭+詹文霞
摘 要： 搭建一个路灯电子镇流器组网的模拟实验系统，对集中控制终端和子终端进行通信流程设计，以实现上位机对集中控制终端、集中控制终端对子终端的命令传送，以及子终端对集中控制终端、集中控制终端对上位机的命令传回，特别对集中控制终端与子终端之间的电力线载波通信波形、数据，以及上位机接收到的数据进行实验研究，结果表明模拟组网系统成功实现了上位机、集中控制终端、子终端之间的通信。
关键词： 电子镇流器； 组网； 电力线载波通信； PL3106
中图分类号： TN99?34； TM923 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）23?0175?04
Abstract： A networking simulation experiment system for electronic ballast of street lamp is set up. The communication process is designed for the centralized control terminal and sub terminal to realize the command transmission from the upper computer to the centralized control terminal and the centralized control terminal to the sub terminal， and command return from the sub terminal to the centralized control terminal and the centralized control terminal to the upper computer. The experimental study was performed for the waveform and data of the power line carrier communication between the centralized control terminal and sub terminal， and data received by the upper computer. The experimental results show that the simulated networking system can realize the communication among upper computer， centralized control terminal and sub terminal successfully.
Keywords： electronic ballast； networking； power line carrier communication； PL3106
0 引 言
近几年我国城市道路照明发展迅速，据统计城市路灯照明的电能利用率不到65%，粗放式照明、照明电能浪费的情况比较普遍，具有相当大的节能空间[1]。
针对路灯照明节能问题，法、德等国结合日出、日落控制路灯开关，以色列采用GSM超短波两信道切换方式自动检测路灯线路故障。根据自己国家电网特点，国外普遍采用PLC组网方式对路灯进行远程监控[2?4]。我国上海等地采用以无线通信为主的组网方式对路灯进行监控[5]，投入成本较大，且大多数地区仍采用时控法、光控法和人工巡查方式对路灯进行开关控制及管理[6]，控制方法及管理手段相对落后。
考虑到建设成本[7]及通信距离的因素，目前路灯监控系统设计多基于GPRS与电力线载波相结合的组网方式，在路灯监控终端侧，多采用集中器与路灯监控终端的两层式设计[8?10]，其路灯控制器一般采用两个芯片分别实现载波通信与路灯调光功能，设计较复杂[9]。PL3106集电力载波功能与单片机控制功能于一体，是路灯终端控制器的良好选择[11]。文献[12]提出一种以GPRS为一级网络、低压电力线为二级网络的段式路灯监控系统，任一个段内终端控制器可外接GPRS模块升级成集中控制器，同时也是单个路灯终端控制器，可实现路灯终端的通信及调光功能，多个段及其GPRS构成分布式路灯远程监控系统。这种方式可简化系统结构及降低软硬件设计的复杂性，某段的系统结构如图1所示，其中与监控中心通信的终端被称为集中控制终端，其他为子终端。
在图1所示的段式路灯监控系统的基础上，本文搭建了电子镇流器组网系统模拟实验环境，对上位机、集中控制终端与子终端之间的通信情况进行测试、分析和验证。
1 电子镇流器组网模拟系统
电子镇流器组网模拟系统如图2所示，主要由1台上位机与2个路灯终端组成，与上位机通过RS 232串口通信的路灯终端称为集中控制终端，另一个为子终端，集中控制终端与子终端组成一个路段。集中控制器与终端控制器连接在220 V低压电力线上，模拟实际路灯间距离为10 m。对路段控制时，上位机通过串口将命令发送给集中控制终端，集中控制终端接收后，执行命令并将命令通过电力线传输给子终端，子终端接收命令后向集中控制终端返回应答命令并执行命令，集中控制终端最终向上位机返回应答命令。
2 软件设计
2.1 通信命令设计
根据Modbus?RTU通信协议，设计的段内路灯终端的控制命令构成如下：
（1） 路灯终端地址：路灯终端地址包含8位，可编程范围为01H?0FFH，00H为广播地址，系统中定义路灯段内地址为十六进制数F2H。
（2） 功能码：Modbus协议的功能码分为只读与读写，其中功能码F05为读写命令，用于上位机控制路灯终端的开关控制量，實现不同功能控制。
（3） 起始地址：起始地址为寄存器的位地址，不同位地址对应不同控制，如路灯开关控制及功率控制。
（4） 数据：数据0FF00H代表操作命令有效，从机开关控制量置“1”；数据0000H代表路灯终端的开关控制量置“0”。
（5） CRC校验域：由两个字节组成，用于检测命令传输的正确性。
2.2 通信流程设计
基于主从式的通信特点，设计了路灯路段控制的通信流程，并将程序烧写至PL3106中。
2.2.1 集中控制终端的通信流程
集中控制终端通信流程如图3所示。集中控制终端通过串口接收到上位机发送的Modbus命令后，调用CRC校验函数检验Modbus数组，若错误，则向上位机返回错误应答帧；若正确，则调用子终端载波发送子程序。将Modbus命令发送给子终端，然后调用命令处理子程序对命令进行分析（判断是否对集中控制终端控制）及处理（开关或功率调节）。若集中控制终端接收到了子终端返回的应答命令，且CRC校验正确，则将载波接收的数据返回至上位机；若CRC校验错误，向上位机返回错误应答帧。
2.2.2 子终端的通信流程
子终端通信流程如图4所示。子终端默认处于载波接收状态，若接收到载波命令，则进行CRC校验，正确则返回正确命令（与集中控制终端发送的命令相同），然后调用命令处理子程序对命令进行分析（判断是否对子终端控制）及处理（开关或功率调节）；CRC校验错误则发送错误应答命令。
3 载波通信波形测试
载波通信电路用于实现信号的电力载波转发，由载波发送、接收电路及耦合电路组成，具体如图5所示[13]。通过上位机的串口调试软件发送对路段的控制命令F2 05 00 01 FF 00 39 C9H，集中控制终端将上位机发送的命令通过电力线传输给子终端，子终端接收到命令后，向集中控制终端返回应答命令，对集中控制终端与子终端之间命令的传输进行测试。
3.1 PL3106调制解调波形
PL3106内部集成了直序扩频单元，可实现对信号的调制与解调，通信命令经伪码直扩、调制后从芯片PSKOUT引脚输出。集中控制终端中PL3106的PSKOUT引脚输出的部分波形如图6所示。
3.2 载波发送波形
由于芯片输出的信号达不到功率要求，因此采用三极管Q1～Q4构成的推挽电路将信号放大，信号放大后的部分波形如图7所示，信号幅值为0～20 V。信号通过电力线收发时，需要耦合线圈进行隔离，耦合至电力线上的波形如图8所示，电力线上传输的扩频载波信号的部分放大波形如图9所示。
3.3 载波接收波形
子终端接收载波信号后，将应答信号通过电力线返回集中控制终端，通过SIGIN引脚进入芯片。由于載波发送电路与接收电路同时耦合在电力线上，所以在载波接收引脚SIGIN仍可以测到载波发送信号，SIGIN引脚波形如图10所示，前者为载波发送的信号，后者为接收的载波信号。
4 数据测试与分析
4.1 载波接收数据
子终端返回至集中控制终端的Modbus命令通过集中控制终端PL3106的SIGIN引脚进入芯片，并经内部硬件电路解调后锁存在芯片内置的P3.7脚，因此将锁存的Modbus命令通过PL3106串行通信口输出，如图11所示。
串口采用10位异步收发的工作方式，一帧数据包含1个起始位、8个数据位及1个停止位，起始位为低电平“0”，停止位为高电平“1”，通过波形放大，可得出对应的二进制数据为：0010011111 0101000001 0000000001 0100000001 011111111 0000000001 0100111001 0100100111B，即接收的Modbus数据为：11110010 00000101 00000000 00000001 11111111 00000000 00111001 11001001B，十六进制表示为F2 05 00 01 FF 00 39 C9H，与集中控制终端发送的命令码相同，说明集中控制终端接收到了子终端的正确应答信息，即路灯终端载波通信成功。
4.2 串口接收数据
采用串口调试软件监视集中控制终端向上位机返回的应答命令，结果如图12所示，上位机接收的数据与其发送的完全相同，因此说明集中控制终端与子终端载波通信成功，且上位机、集中控制终端、子终端之间通信成功。
5 结 论
在上位机对路段控制的情况下，对集中控制终端与子终端载波通信的波形及集中控制终端、上位机接收的应答命令进行测试，发现集中控制终端接收到了子终端的应答命令，且与其发送的命令码完全相同；上位机接收到集中控制终端的应答命令与其发送的命令码完全相同。表明集中控制终端与子终端载波通信成功，路灯电子镇流器组网的模拟系统可实现上位机、集中控制终端、子终端之间的通信。
参考文献
[1] 孔繁宇，崔健博，邹同元，等.基于地上地下数据的智慧照明信息系统总体设计[J].照明工程学报，2015，26（5）：14?18.
[2] ADAMS J. Designing with 802.15.4 and ZigBee [J]. Wireless communications and networking， 2008， 24（5）， 42?50.
[3] XU Luo， ZHANG Yangbin， HU Guopeng， et al. Single phase power/energy IC?CS5460 and its application in electric meter instruments [C]// Proceedings of 2011 the 4th International Symposium on Test and Measurement. Shanghai， China： China Ordnance Society， 2001： 465?468.
[4] ZHANG Jun， WANG Hui， QIAO Guifang， et al. Design and implementation of a WSN based remote monitoring system for street lighting [J]. Energy procedia， 2011（13）： 9273?9279.
[5] 彭红娟.路灯电子镇流器的通讯技术研究[D].西安：西安石油大学，2015.
[6] 梁人杰.智能照明控制技术发展现状与未来展望[J].照明工程学报，2014，25（2）：15?26.
[7] 陈凤，郑文刚，申长军，等.低压电力线载波通信技术及应用[J].电力系统保护与控制，2009，37（22）：188?195.
[8] 徐利谋，黄长远.基于GPRS和ZigBee的城市路灯监控系统研究与实现[J].物联网技术，2016，6（6）：34?35.
[9] 向敏，王时贺，赵星宇.一种基于电力载波通信的路灯控制系统集中器的设计[J].重庆邮电大学学报，2013，25（2）：161?165.
[10] 姚伟，韦云生，高益峰，等.基于PLC/GPRS的智能照明单灯监控系统设计[J].广西科技大学学报，2015，26（1）：63?69.
[11] 杨波，琴会斌，毛祥根，等.基于PL3106的室内调光控制系统[J].电子器件，2014，37（4）：679?683.
[12] 李儒，程为彬，郭颖娜，等.基于Modbus协议的城市路灯监控系统设计[J].照明工程学报，2015，26（5）：19?23.
[13] 彭红娟，郭颖娜，程为彬.基于PL3106的路灯电子镇流器调光设计[J].电气应用，2015，34（10）：34?37.
摘 要： 搭建一个路灯电子镇流器组网的模拟实验系统，对集中控制终端和子终端进行通信流程设计，以实现上位机对集中控制终端、集中控制终端对子终端的命令传送，以及子终端对集中控制终端、集中控制终端对上位机的命令传回，特别对集中控制终端与子终端之间的电力线载波通信波形、数据，以及上位机接收到的数据进行实验研究，结果表明模拟组网系统成功实现了上位机、集中控制终端、子终端之间的通信。
关键词： 电子镇流器； 组网； 电力线载波通信； PL3106
中图分类号： TN99?34； TM923 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）23?0175?04
Abstract： A networking simulation experiment system for electronic ballast of street lamp is set up. The communication process is designed for the centralized control terminal and sub terminal to realize the command transmission from the upper computer to the centralized control terminal and the centralized control terminal to the sub terminal， and command return from the sub terminal to the centralized control terminal and the centralized control terminal to the upper computer. The experimental study was performed for the waveform and data of the power line carrier communication between the centralized control terminal and sub terminal， and data received by the upper computer. The experimental results show that the simulated networking system can realize the communication among upper computer， centralized control terminal and sub terminal successfully.
Keywords： electronic ballast； networking； power line carrier communication； PL3106
0 引 言
近几年我国城市道路照明发展迅速，据统计城市路灯照明的电能利用率不到65%，粗放式照明、照明电能浪费的情况比较普遍，具有相当大的节能空间[1]。
针对路灯照明节能问题，法、德等国结合日出、日落控制路灯开关，以色列采用GSM超短波两信道切换方式自动检测路灯线路故障。根据自己国家电网特点，国外普遍采用PLC组网方式对路灯进行远程监控[2?4]。我国上海等地采用以无线通信为主的组网方式对路灯进行监控[5]，投入成本较大，且大多数地区仍采用时控法、光控法和人工巡查方式对路灯进行开关控制及管理[6]，控制方法及管理手段相对落后。
考虑到建设成本[7]及通信距离的因素，目前路灯监控系统设计多基于GPRS与电力线载波相结合的组网方式，在路灯监控终端侧，多采用集中器与路灯监控终端的两层式设计[8?10]，其路灯控制器一般采用两个芯片分别实现载波通信与路灯调光功能，设计较复杂[9]。PL3106集电力载波功能与单片机控制功能于一体，是路灯终端控制器的良好选择[11]。文献[12]提出一种以GPRS为一级网络、低压电力线为二级网络的段式路灯监控系统，任一个段内终端控制器可外接GPRS模块升级成集中控制器，同时也是单个路灯终端控制器，可实现路灯终端的通信及调光功能，多个段及其GPRS构成分布式路灯远程监控系统。这种方式可简化系统结构及降低软硬件设计的复杂性，某段的系统结构如图1所示，其中与监控中心通信的终端被称为集中控制终端，其他为子终端。
在图1所示的段式路灯监控系统的基础上，本文搭建了电子镇流器组网系统模拟实验环境，对上位机、集中控制终端与子终端之间的通信情况进行测试、分析和验证。
1 电子镇流器组网模拟系统
电子镇流器组网模拟系统如图2所示，主要由1台上位机与2个路灯终端组成，与上位机通过RS 232串口通信的路灯终端称为集中控制终端，另一个为子终端，集中控制终端与子终端组成一个路段。集中控制器与终端控制器连接在220 V低压电力线上，模拟实际路灯间距离为10 m。对路段控制时，上位机通过串口将命令发送给集中控制终端，集中控制终端接收后，执行命令并将命令通过电力线传输给子终端，子终端接收命令后向集中控制终端返回应答命令并执行命令，集中控制终端最终向上位机返回应答命令。
2 软件设计
2.1 通信命令设计
根据Modbus?RTU通信协议，设计的段内路灯终端的控制命令构成如下：
（1） 路灯终端地址：路灯终端地址包含8位，可编程范围为01H?0FFH，00H为广播地址，系统中定义路灯段内地址为十六进制数F2H。
（2） 功能码：Modbus协议的功能码分为只读与读写，其中功能码F05为读写命令，用于上位机控制路灯终端的开关控制量，實现不同功能控制。
（3） 起始地址：起始地址为寄存器的位地址，不同位地址对应不同控制，如路灯开关控制及功率控制。
（4） 数据：数据0FF00H代表操作命令有效，从机开关控制量置“1”；数据0000H代表路灯终端的开关控制量置“0”。
（5） CRC校验域：由两个字节组成，用于检测命令传输的正确性。
2.2 通信流程设计
基于主从式的通信特点，设计了路灯路段控制的通信流程，并将程序烧写至PL3106中。
2.2.1 集中控制终端的通信流程
集中控制终端通信流程如图3所示。集中控制终端通过串口接收到上位机发送的Modbus命令后，调用CRC校验函数检验Modbus数组，若错误，则向上位机返回错误应答帧；若正确，则调用子终端载波发送子程序。将Modbus命令发送给子终端，然后调用命令处理子程序对命令进行分析（判断是否对集中控制终端控制）及处理（开关或功率调节）。若集中控制终端接收到了子终端返回的应答命令，且CRC校验正确，则将载波接收的数据返回至上位机；若CRC校验错误，向上位机返回错误应答帧。
2.2.2 子终端的通信流程
子终端通信流程如图4所示。子终端默认处于载波接收状态，若接收到载波命令，则进行CRC校验，正确则返回正确命令（与集中控制终端发送的命令相同），然后调用命令处理子程序对命令进行分析（判断是否对子终端控制）及处理（开关或功率调节）；CRC校验错误则发送错误应答命令。
3 载波通信波形测试
载波通信电路用于实现信号的电力载波转发，由载波发送、接收电路及耦合电路组成，具体如图5所示[13]。通过上位机的串口调试软件发送对路段的控制命令F2 05 00 01 FF 00 39 C9H，集中控制终端将上位机发送的命令通过电力线传输给子终端，子终端接收到命令后，向集中控制终端返回应答命令，对集中控制终端与子终端之间命令的传输进行测试。
3.1 PL3106调制解调波形
PL3106内部集成了直序扩频单元，可实现对信号的调制与解调，通信命令经伪码直扩、调制后从芯片PSKOUT引脚输出。集中控制终端中PL3106的PSKOUT引脚输出的部分波形如图6所示。
3.2 载波发送波形
由于芯片输出的信号达不到功率要求，因此采用三极管Q1～Q4构成的推挽电路将信号放大，信号放大后的部分波形如图7所示，信号幅值为0～20 V。信号通过电力线收发时，需要耦合线圈进行隔离，耦合至电力线上的波形如图8所示，电力线上传输的扩频载波信号的部分放大波形如图9所示。
3.3 载波接收波形
子终端接收载波信号后，将应答信号通过电力线返回集中控制终端，通过SIGIN引脚进入芯片。由于載波发送电路与接收电路同时耦合在电力线上，所以在载波接收引脚SIGIN仍可以测到载波发送信号，SIGIN引脚波形如图10所示，前者为载波发送的信号，后者为接收的载波信号。
4 数据测试与分析
4.1 载波接收数据
子终端返回至集中控制终端的Modbus命令通过集中控制终端PL3106的SIGIN引脚进入芯片，并经内部硬件电路解调后锁存在芯片内置的P3.7脚，因此将锁存的Modbus命令通过PL3106串行通信口输出，如图11所示。
串口采用10位异步收发的工作方式，一帧数据包含1个起始位、8个数据位及1个停止位，起始位为低电平“0”，停止位为高电平“1”，通过波形放大，可得出对应的二进制数据为：0010011111 0101000001 0000000001 0100000001 011111111 0000000001 0100111001 0100100111B，即接收的Modbus数据为：11110010 00000101 00000000 00000001 11111111 00000000 00111001 11001001B，十六进制表示为F2 05 00 01 FF 00 39 C9H，与集中控制终端发送的命令码相同，说明集中控制终端接收到了子终端的正确应答信息，即路灯终端载波通信成功。
4.2 串口接收数据
采用串口调试软件监视集中控制终端向上位机返回的应答命令，结果如图12所示，上位机接收的数据与其发送的完全相同，因此说明集中控制终端与子终端载波通信成功，且上位机、集中控制终端、子终端之间通信成功。
5 结 论
在上位机对路段控制的情况下，对集中控制终端与子终端载波通信的波形及集中控制终端、上位机接收的应答命令进行测试，发现集中控制终端接收到了子终端的应答命令，且与其发送的命令码完全相同；上位机接收到集中控制终端的应答命令与其发送的命令码完全相同。表明集中控制终端与子终端载波通信成功，路灯电子镇流器组网的模拟系统可实现上位机、集中控制终端、子终端之间的通信。
参考文献
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[3] XU Luo， ZHANG Yangbin， HU Guopeng， et al. Single phase power/energy IC?CS5460 and its application in electric meter instruments [C]// Proceedings of 2011 the 4th International Symposium on Test and Measurement. Shanghai， China： China Ordnance Society， 2001： 465?468.
[4] ZHANG Jun， WANG Hui， QIAO Guifang， et al. Design and implementation of a WSN based remote monitoring system for street lighting [J]. Energy procedia， 2011（13）： 9273?9279.
[5] 彭红娟.路灯电子镇流器的通讯技术研究[D].西安：西安石油大学，2015.
[6] 梁人杰.智能照明控制技术发展现状与未来展望[J].照明工程学报，2014，25（2）：15?26.
[7] 陈凤，郑文刚，申长军，等.低压电力线载波通信技术及应用[J].电力系统保护与控制，2009，37（22）：188?195.
[8] 徐利谋，黄长远.基于GPRS和ZigBee的城市路灯监控系统研究与实现[J].物联网技术，2016，6（6）：34?35.
[9] 向敏，王时贺，赵星宇.一种基于电力载波通信的路灯控制系统集中器的设计[J].重庆邮电大学学报，2013，25（2）：161?165.
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