高智能路燈控制器設(shè)計方案 - 全文

　　隨著城市化建設(shè)的加速，城市道路建設(shè)發(fā)展也隨之加速，道路越來越寬、越來越多，各式各樣的路燈數(shù)量也越來越多，而帶給路燈管理處的困難也隨之增加，用電大，管理繁瑣等問題突出。為了能夠解決一系列由于路燈帶來的問題，開發(fā)了路燈節(jié)能管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)集路燈節(jié)能、遠(yuǎn)程監(jiān)視、遠(yuǎn)程管理、故障報警等功能于一體的智能化管理系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)后可大大節(jié)約電能、延長燈泡使用壽命、提高路燈用電安全、遠(yuǎn)程進(jìn)行參數(shù)設(shè)定等。它的功能為：1、節(jié)約用電，通過路燈節(jié)能管理系統(tǒng)可大大提高用電效率，節(jié)能效果在25%~40%左右；2、通過遠(yuǎn)程管理模塊可對路燈進(jìn)行監(jiān)控，完成每一個監(jiān)測點的電流、電壓、功率因數(shù)、用電量等數(shù)量的采集上傳；3、在路燈初始化設(shè)定亮燈模式下，如遇節(jié)慶日、活動等，可通過遠(yuǎn)程管理方式重新設(shè)定亮燈模式；4、如果設(shè)備產(chǎn)生故障，將自動切換到旁路回路，保證路燈通電亮燈，并且通過遠(yuǎn)程管理通訊模塊將故障信息上傳至主站，方便及時維修；5、如遇到停電、欠壓、缺相等情況，可通過遠(yuǎn)程管理通訊模塊將信息上報主站，方便及時做出處理；6、主站可加裝短消息報警模塊，通過主站把有關(guān)報警、停電等信息轉(zhuǎn)發(fā)到責(zé)任人的手機(jī)上；7、通過計算機(jī)管理，將所有數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，并且可通過圖形、報表、曲線等形式反映出來，方便管理與統(tǒng)計分析，為提高路燈管理工作提供了可靠有用數(shù)據(jù)。8、電纜防盜功能，對路燈電纜進(jìn)行監(jiān)控，如有不法分子破壞，可通過GSM、GPRS通道向主站報警，并且可通過主站把報警信息轉(zhuǎn)發(fā)到負(fù)責(zé)人手機(jī)上。

　　1 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

　　1.1 智能路燈控制系統(tǒng)

　　該智能路燈節(jié)能系統(tǒng)主要由電量檢測電路、實時時鐘、自耦變壓器電路、顯示電路及載波通信等電路組成。將一年大致分為三個季節(jié)段來對路燈進(jìn)行控制，使其在不同的季節(jié)有不同的開關(guān)燈時間。而從開燈到關(guān)燈根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄓ挚纱笾路譃槿齻€階段（高峰、正常、低谷）來對路燈進(jìn)行控制。從實時時鐘芯片中將當(dāng)前的路燈工作狀況進(jìn)行相應(yīng)的歸類，由單片機(jī)輸出控制接觸器的線圈的斷合，而其觸點的輸出分別控制自耦變壓器的三個觸頭，對應(yīng)著四個檔位，每個檔位對應(yīng)著相應(yīng)的路燈電壓。由于電力傳輸中有諧波干擾造成電力不穩(wěn)，要時刻檢測路燈的電量，以電量芯片ATT7028檢測出電流或者電壓過高或者過低，將得到的信息傳給AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)同時與鐵電存儲器的信息相比較，如果發(fā)現(xiàn)電流或者電壓過高或者過低，單片機(jī)馬上做出調(diào)整，適當(dāng)?shù)亟档突蛘呱唠妷?，以實現(xiàn)對路燈過載、過壓等各種功能進(jìn)行控制，用電力載波通信技術(shù)將現(xiàn)場情況傳送至監(jiān)控室。原理框圖如圖1所示。

　　1.2 電量檢測電路的設(shè)計

　　電量采集模塊主要完成路燈電流和電壓的數(shù)據(jù)采集。將采集到的信號轉(zhuǎn)換為ADC電路可采集處理的模擬信號，通過電量芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送到單片機(jī)中，檢測電壓和電流是否超載，依據(jù)此來控制電路負(fù)載的電壓。設(shè)計中采用三相電能專用計量芯片ATT7028A，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用，能夠測量各相以及合相的有功功率、有功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)功率多功能電能表的需求。同時將電量信號存入到鐵電存儲器AT24C24里，該存儲器數(shù)據(jù)不易丟失，以便有功電能歷史記錄的查詢。ATT7028A提供一個SPI接口，方便與外部單片機(jī)之間進(jìn)行計量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。設(shè)計中應(yīng)用ATT7028A測量電流和電壓有效值，采用軟件校表，通過SPI接口與外部單片機(jī)之間進(jìn)行計量參數(shù)的傳遞，以此來檢測路燈電壓電流的有效值。另外對檢測到的過載、過壓等故障進(jìn)行報警。

　　1.3 路燈控制電路

　　路燈控制電路由譯碼電路、開關(guān)電路與變壓器控制電路組成。為了使路燈分時控制取得優(yōu)良的節(jié)能效果，除了要根據(jù)時間段來開啟不同檔位電壓外，還需要實際考慮到電網(wǎng)電壓在不同時段的電壓波動情況。故將單片機(jī)檢測到的電量信號與處理的實時時鐘芯片DS1302信號作為74LS155二-四譯碼器譯碼地址輸入端，譯碼器的四個端輸出經(jīng)三極管放大后分別驅(qū)動四個接觸器的線圈，而其四個觸點分別對應(yīng)自藕變壓器的三個觸頭，亦即路燈四種檔：全壓（220 V）、高峰期檔（額定電壓的93%）、正常期檔（額定電壓的88%）、低峰期檔（額定電壓的83%）。從而達(dá)到既兼顧路燈亮度又達(dá)到節(jié)能的效果。KM4接在母線上還能關(guān)閉路燈，原理如圖2所示。

　　1.4 電力載波通信

　　電力載波通訊即PLC，是英文Power line Communication的簡稱。 電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通訊是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。最大特點是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。雖然技術(shù)問題隨著時間的發(fā)展，最終都能被解決和克服，但是從目前國內(nèi)寬帶網(wǎng)建設(shè)的情況來看，留給PLC的時間和空間并不寬裕。2000年以來各大運(yùn)營商大規(guī)模推出ADSL、光纖、無線網(wǎng)絡(luò)等多種寬帶接入業(yè)務(wù)，留給電力線上網(wǎng)的生存空間，已經(jīng)不斷被其他接入方式壓縮?，F(xiàn)在，PLC除了在遠(yuǎn)程抄表上有所應(yīng)用外，已沒有了當(dāng)初的豪言壯語。

　　為了實現(xiàn)控制室能夠方便及時了解現(xiàn)場路燈運(yùn)行情況，采用電力線載波通信技術(shù)將現(xiàn)場路燈檢測運(yùn)行的狀況傳送至控制室。以LM1893集成芯片實現(xiàn)電力載波通信，LM1893是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的FSK制式的調(diào)制解調(diào)芯片。能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的串行數(shù)據(jù)的半雙工電力線通信，具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)兩種工作模式，能夠與51單片機(jī)相兼容。LM1893調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)輸入端DATAIN與AT89C51單片機(jī)的串行輸出口TXD相連，輸出端DATAOUT與AT89C51的串行輸入口RXD相連。LM1893的TX/RX發(fā)送接收控制端由單片機(jī)的P1.O端控制，高電平為發(fā)送狀態(tài)，低電平為接收狀態(tài)。路燈控制器接收到外部數(shù)據(jù)信息后，先要對所收數(shù)據(jù)的報文頭和地址進(jìn)行判斷。當(dāng)報文頭正確，地址為本機(jī)地址時，它才執(zhí)行相應(yīng)的燈控命令，執(zhí)行完后進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。

　　2 軟件設(shè)計

　　軟件主要完成：根據(jù)比較所得的結(jié)果控制硬件切換檔位以達(dá)到路燈定時工作的要求；檢測實時電網(wǎng)電壓以控制是否要改變檔位以達(dá)到電網(wǎng)實時監(jiān)控的目的；最后則是配合主控室完成多機(jī)通信。整個智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)被分為了分時分段模塊（主要通過時鐘芯片DS1302和鐵電存儲芯片AT24C02配合完成）、電壓監(jiān)控調(diào)檔模塊（由電工參數(shù)測量芯片ATT7028加以軟件判斷來實現(xiàn)）、遠(yuǎn)程通信模塊（由LM1893完成）以及實時顯示模塊組成。

　　將一年大致分為三個季節(jié)段來對路燈進(jìn)行控制，每個季節(jié)段有著不同的開關(guān)燈時間。從開燈到關(guān)燈根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄓ挚纱笾路譃槿齻€階段來對路燈進(jìn)行控制，分別為交通高峰期、交通正常期和交通低谷期。這三個階段加上避免電網(wǎng)電壓過低的全壓運(yùn)行檔，就構(gòu)成了全壓、高峰、正常、低谷四個工作時間段，根據(jù)本地區(qū)的實際情況進(jìn)行劃分。系統(tǒng)通過對日歷時鐘芯片DS1302讀出來的當(dāng)前與鐵電存儲器芯片AT24C02中存儲的開、關(guān)燈時間進(jìn)行比較，在各檔開啟的時刻就切換至相應(yīng)檔位，在關(guān)閉的時段關(guān)閉，其余時段進(jìn)行監(jiān)控。在交通高峰時段，保證路燈有足夠的照明度。于是正常情況下，路燈應(yīng)投入第1檔運(yùn)行。此時，當(dāng)電網(wǎng)電壓過低（低于208 V），則路燈應(yīng)全壓運(yùn)行；如果電網(wǎng)電壓過高（高于236 V），路燈可以跳過第1檔，直接投入第2檔運(yùn)行。在交通正常階段，要兼顧照度和節(jié)電效果，正常情況下，路燈應(yīng)該投入第2檔運(yùn)行。在電網(wǎng)電壓低手205 V時，返回第1檔運(yùn)行；在電網(wǎng)電壓高于242 V時，則投入第3檔運(yùn)行。在交通低谷階段，重點考慮節(jié)電效果。正常情況下投入第3檔運(yùn)行，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓過低（低于195 V）時，路燈才會返回第2檔運(yùn)行。但是由于電網(wǎng)的波動或干擾，可能會出現(xiàn)電壓偶爾的不正常，若一旦檢測到電壓超限就切換檔位，很容易造成誤操作，從而導(dǎo)致頻繁的切換。設(shè)計中采用了以下方法來避免檔位的頻繁切換：當(dāng)路燈運(yùn)行于1~2檔時刻之間，需使電壓維持在208~236 V之間，這里采用COUNT，COUNT_H，COUNT_L三個計數(shù)器來監(jiān)測電壓。COUNT從0開始，每分鐘加1，加到5，即5 min后清零。COUNT_H從0開始，每min比較當(dāng)前電壓與電壓上限值的大小，若超過上限則將COUNT_H加1，在每次COUNT清零之前，若COUNT H值等于5，則認(rèn)為連續(xù)5 min電壓超出上限運(yùn)行，相應(yīng)地將路燈運(yùn)行檔位切換至低一檔運(yùn)行；若COUNT_H值小于5，則認(rèn)為是電網(wǎng)的波動，不進(jìn)行切換。電壓下限監(jiān)測同理。每5 min將三個計數(shù)器同時清零。

　　從SPI總線上獲取ATT7028檢測的電工參數(shù)的計量結(jié)果，再對檢測值進(jìn)行校表，即可對校表寄存器賦值來進(jìn)行軟件校表。

　　顯示模塊主要是在控制室內(nèi)顯示當(dāng)前時間及檢測到的路燈的運(yùn)行情況。

　　主程序與各個子模塊之間采用定時中斷聯(lián)系，每隔1 min中斷一次，在每次中斷時均要完成四大任務(wù)，即讀出實時時間發(fā)送至主控室，決定是否換檔，根據(jù)電網(wǎng)波動實際情況控制決定是否改變檔位，以及將原邊電網(wǎng)電壓根據(jù)實際情況發(fā)送至監(jiān)控室。軟件流程圖如圖3所示。

　　3 節(jié)能效果分析

　　以1 kw路燈為例，設(shè)當(dāng)路燈電壓為205 V時，單位時間耗電量為0.87 kWh;當(dāng)路燈電壓為193 V時，耗電為O.77 kWh;在滿足行人車輛運(yùn)行需要的情況下，適當(dāng)降低路燈的端電壓，可節(jié)能20%左右。在深夜行人稀少時，可將路燈的端電壓降至170~180 V，路燈1 h內(nèi)耗電O.55 kWh左右，除去其他損耗，可節(jié)約電能近40 %.

　　4 結(jié) 語

　　該智能路燈節(jié)能裝置采用分時換擋方法，在保證照明的情況下兼顧到了用電低谷期節(jié)能效果。實驗表明該智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)可明顯地提高路燈的用電效率，延長路燈使用壽命。在節(jié)約能源、電力資源合理利用的今天，該裝置有著十分廣闊的社會和商業(yè)前景。