基于Lonworks电力载波通信的智能路灯监控系统*

胡敦利，高　杨，徐继宁（北方工业大学　现场总线及自动化北京市重点实验室，北京　100144）

基于Lonworks电力载波通信的智能路灯监控系统*

胡敦利，高杨，徐继宁
（北方工业大学现场总线及自动化北京市重点实验室，北京100144）

针对庞大的路灯系统监控难、检修难的特点，设计了一种基于Lonworks总线的路灯监控系统。该系统以ADE7753芯片和Lonworks总线为核心，由ADE7753芯片与Lonworks电力载波芯片组成数据采集节点，由各个节点进行数据采集，通过电力载波将节点采集到路灯各项信息传输到数据管理中心。实验表明，该系统能对路灯的运行状态进行有效的实时监控，并能及时对突发状况进行报警。

ADE7753芯片；Lonworks总线；路灯监控系统

0　引言

如今路灯照明系统的应用规模在不断扩大，路灯系统不仅消耗大量的电能，而且在维护方面会耗费大量的人力、物力、财力，这对城市的电力系统和财政系统都是一个巨大的负担［1］。传统的路灯系统一直存在一个很大的弊端，就是路灯是由专人巡检的，有些突发状况难以及时发现和解决，如重要路段路灯老化或损坏，没有及时进行修理，有可能会造成行人出行不便，甚至造成交通事故等危险，传统路灯系统都没有行之有效的措施［2-3］。为了解决以上问题，提出了将ADE7753与Lonworks总线相结合来控制路灯系统的方法。利用ADE7753测量电路各项参数，然后经由Lonworks总线电力载波通信方式传输到控制中心，由控制中心通过传输数据来判断路灯的状态，如发现异常，即可报警并派技术人员解决，既能节省定期维护的人力，也能有效防止由于路灯损坏造成的危害，并且该方案能够在原有路灯的基础上直接架构，有效降低成本［4］。

1　系统结构

本系统由两大部分组成，一是路灯监控节点，二是数据管理中心，如图1所示。

整个系统的工作流程如下：

（1）ADE7753芯片和Lonworks智能电力载波芯片构成路灯的电能载波智能控制节点，用以采集路灯的各项数据并控制路灯的开关［5］；

（2）通过电力载波通信线路将采集到的数据传输到控制中心，由控制中心判别并处理数据，对异常情况进行报警，并通过邮件或书面方式通知有关人员进行处理。

图1　路灯监控系统结构图

2　系统硬件设计

路灯的电力载波智能控制节点是本系统的核心模块，其采用ADE7753芯片和电力载波智能收发器PL3120作为监控器的核心，该系统通过继电器控制路灯通断电路；耦合电路、电源电路、互感电路完成对路灯工作状态的监控。路灯控制节点的结构图如图2所示。

图2　路灯控制节点的结构图

信息采集模块以ADE7753芯片为核心，通过互感电路测量路灯工作时的各种工作参数；通信模块以PL3120为核心，通过耦合电路与电力线相连，采用电力线载波通信技术实现节点之间互相通信及与上位机的通信；路灯控制模块通过使用光电耦合器控制继电器的通断并能正确地将继电器的通断信息反馈到系统中来。

2.1信息采集模块

ADE7753电路如图3所示。ADE7753能够承受的最大测量电流电压有限，所以将大电流通过互感电路转变成ADE7753芯片能够承受的小电流，用于采集电流信息。V2P、V2N连接到路灯两端的零线和火线上，将大电压通过互感电路转变成ADE7753芯片能够承受的小电压，用于采集电压信息；复位RESET引脚低电平有效；DVDD、AVDD连接5V直流电源；AGND、DGND接地；ADE7753芯片通过DIN、DOUT、SCLK、CS引脚分别连接PL3120的IO10、IO9、IO8、IO7引脚，以SPI方式与PL3120芯片之间通信。

图3　ADE7753电路

2.2通信模块

2.2.1VCN-PL3120M电力线控制模块

核心控制部分采用了埃施朗公司的VCN-PL3120M电力线控制模块，共集成了符合ANSI709.2的PL3120电力线智能收发器，通过电力载波技术传送数据，节约现场布线和开发周期。

PL3120M智能收发器有4 KB的EEPROM，2KB静态RAM，24KB ROM，支持38种可编程I/O模式和11个I/O引脚［6］。

2.2.2耦合电路

COMP引脚相连，J5D直接连接电力线。

PL3120连接电力线，两者之间需要设计耦合电路，本模块选用的是图4所示的耦合电路，此电路为变压器隔离式耦合电路。为了使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，同时使该回路隔离，电路采用的是1∶1的隔离变压器，并且可以利用其铁芯的高频损耗大的特点，从而抑制高频杂波传入回路。VA引脚为VCN-PL3120M模块提供工作电压，TXOUT、RXIN、RXCOMP引脚与PL3120模块上TXOUT、RXIN、RX。

图4　耦合电路

2.3路灯控制模块

图5为路灯控制模块电路。U1、U2为光电耦合器，JD1为继电器，通过将继电器与镇流器串联来控制路灯的通断。PL3120控制外部光电耦合器，当IO3为低电平时，三极管导通继电器闭合，路灯打开。继电器吸合时，光电耦合器导通，IO2被拉为高电平，输入给PL3120，如为低电平，表明继电器未吸合，以此判断继电器吸合是否正常，实现故障检测功能。

图5　路灯控制电路

2.4时间控制模块

如图6所示，采用DS1302时钟芯片作为时间控制模块芯片，DS1302通过三线SPI通信方式与PL3120进行通信，其SCLK、SDA、/CS引脚分别连接PL3120的IO0、IO4、IO5引脚，其中SCLK是时钟线，SDA是数据线，/CS为片选引脚，PL3120通过SPI通信读取DS1302时钟芯片的时间数据。

图6　DS1302电路

3　系统的软件设计

系统的主要工作流程如图7所示。预设开灯时间为18∶00，关灯时间为6∶00，在时间到达开关灯时间时，通过IO3控制路灯的开关。

在路灯为开灯状态时，要通过ADE7753芯片测量路灯的电压、电流、功率等相关参数，通过对这些相关参数的比较来判断路灯的工作状态。为防止误判，当数据出现异常时，不立即报警，而是返回重新测量参数，如果连续超过3次数据异常，则关灯报警。同时通过监控继电器工作状态，开灯时是否正常闭合，关灯时是否正常断开，如发现异常，发出报警信号，通知相关人员进行检修。

图7　工作流程图

4　实现

在实验室里连接一个普通LED台灯的监控系统，设置为每80s左右路灯开与关。如图8所示，从上位机界面可以直接观察路灯的电压、电流、功率、温度，可以通过图像观察路灯的开关状态和报警状态，并可以通过预设的两个开关对路灯进行控制。在路灯正常工作状态下，总控开关为“开”状态，路灯报警图标为“关”，天气开关为“关”。路灯发现异常，如继电器未正常工作，电压、电流未处于正常范围内，则报警图标为“开”，为防止其他严重情况的发生，可以通过总控开关直接关闭路灯；天气开关是在天气阴、雾霾等情况下打开开关，可以自动将路灯打开时间提前20s，关闭时间延后20s，关闭后自动恢复到原来预设时间。曲线图是采集的一定时间内LED灯的累积电能曲线图，由于采集的是ADE7753的0x06寄存器，每采集一次便自动清零，因此在路灯打开时，采集的数据基本持平，在路灯关闭状态，电能为零。

图8　上位机监控画面

5　结论

在路灯制作材料和保证路灯不“白亮”问题的解决上已经趋近成熟，但在路灯检修问题上不仅需要耗费大量的人力物力，而且在某些危险路段如果检修不及时，很容易发生危险。本文所设计的控制器有效解决了这一问题，控制器通过ADE7753芯片检测路灯的电压、电流、功率等参数，通过对这些参数的判别来判断路灯的状态，如果发现异常，则通知相关人员进行检查，修理或更换损坏的路灯。并且还可以通过参数的异常来判断路灯是否老化，更换老化程度很大的路灯也能节省一定的电能。

在应用成本上，此监控器是一个基于传统路灯制系统的绿色环保扩展性监控器，采用的是Lonworks电力线载波通信，能够在原有的路灯系统上进行加装改进，有效解决了重新搭建路灯系统的问题，节约成本。此系统能够行之有效地实现路灯系统的智能化控制，并且能够节省大量的人力、物力、财力，有着广阔的应用前景。

［1］任君伟.城市绿色照明与路灯节能措施［J］.中国高新技术企业，2011（2）：96-97.

［2］景春国，何荣富，舒冬梅.异常天气城市路灯照明控制策略［J］.电力系统自动化，2006，30（20）：81-83.

［3］邵子扬．新型智能节能路灯的设计［J］．世界电子元器件，2009（2）：78-81.

［4］胡开明，李跃忠，卢伟华．智能路灯节能控制器的设计与实现［J］．现代电子技术，2009，32（9）：143-145.

［5］阳宪惠.现场总线技术及其应用［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［6］Echelon Corporation.PL3120 power line smart transcevier data book［Z］.1996-2005.

ADI推出的RF设计工具现已支持Hittite微波产品

Analog Devices，Inc.（ADI），全球领先的高性能信号处理解决方案和RF IC供应商，最近在北京发布了广受欢迎的RF设计工具，支持ADI Hittite微波公司的产品。ADI simRFTM设计工具让工程师可以通过ADI的RF IC产品组合对RF和微波信号链建模。ADI simRF Version1.9增加了190款混频器、放大器、开关和衰减器，其中大部分来自Hittite的产品组合。ADI simPLLTM设计工具是一款全面且简单易用的锁相环（PLL）频率合成器设计和仿真工具。ADI simPLL第4版升级后包含下列器件的模型：HMC703和HMC704 PLL，以及HMC830、HMC832、ADF4355、ADF4355-2和ADF5355集成式PLL以及VCO（压控振荡器）。

·下载ADI simRF设计工具：http://www.analog.com/adisimrf

·下载ADI simPLL开发软件：http://www.analog.com/adisimpll

·查看ADI公司丰富的RF IC产品组合：http://www.analog.com/pr150730/rf-microwave

·浏览ADI公司领先的PLL产品：http://www.analog.com/pr150730/pll-synth

·让ADI中文技术论坛EngineerZone上的ADI工程师给您答疑解惑：https://ezchina.analog.com/community/rf

更多ADI产品及应用视频，请访问：http://videos.analog.com/category/chinese/

ADI于2014年收购了Hittite，现可提供最丰富的RF和微波产品组合，涵盖从天线到比特以及比特到天线的整个信号链，涉及100GHz以上的整个频谱。配合全球领先的数据转换器，ADI的RF、微波和毫米波产品组合包括超过2 000款高性能产品，从功能模块到高度集成的解决方案、开发平台和模块，应有尽有。

（ADI公司供稿）

Intelligent street lights monitor system based on Lonworks power line communication

Hu Dunli，Gao Yang，Xu Jining
（Beijing Key Laboratory of Profibus Technology and Automation，North China University of Technology，Beijing 100144，China）

To solve the problem of difficult to monitor and overhaul the huge street lights system，a new system based on Lonworks bus was proposed.ADE7753 chip and Lonworks bus are the core of the system，ADE7753 chip and power line communication chip form the data collection node，data are collected by each node，and all the information of the street lights is transmitted to the data management center by power line communication.The experiment indicates that this system can be able to effectively save manpower and financial resources，and can alarm the unexpected situations immediately.

ADE7753 chip；Lonworks bus；street lights monitor system

TP393

A

1674-7720（2015）16-0070-04

胡敦利，高杨，徐继宁．基于Lonworks电力载波通信的智能路灯监控系统［J］.微型机与应用，2015，34（16）：70-73.

2015-03-17）

胡敦利（1976-），女，博士研究生，副教授，主要研究方向：现场总线技术——CAN总线、LonWorks总线等。

高杨（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向：现场总线技术、嵌入式Linux、智能家居等。

国家自然科学基金（61203230）