楊金晨

（西安石油大學，西安 710065）

0 引言

由于我國城鎮(zhèn)化率的不斷提高，城市現(xiàn)代化水平日新月異，作為維護社會秩序的重要設(shè)施城市照明系統(tǒng)，它和人民群眾的生活現(xiàn)在息息相關(guān)。而現(xiàn)在我國的城市照明系統(tǒng)大部分只能集群控制，不能精準地控制到每一個路燈的開關(guān)。這樣就難免造成大量的電能浪費，由此可以看出設(shè)計一個可以精準控制到每一個路燈的路燈控制系統(tǒng)是目前首要解決的難題。

為此，本文研究出基于電力載波線和GPRS為通信網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)，通過撥碼開關(guān)給每一個控制終端賦予了一個唯一的地址，通過地址可以實現(xiàn)上位機對每一個控制終端的精準控制。

1 通信機制

系統(tǒng)的通信方式采用以GPRS為一級網(wǎng)絡(luò)，以電力載波傳輸為二級網(wǎng)絡(luò)路燈組網(wǎng)，上位機與集中控制終端通過GPRS無線連接，而集中控制終端和子終端之間通過電力載波的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，通過這用方式可以不用額外架線，降低通訊成本。

通過給每一個終端安裝撥碼開關(guān)，就可以人工現(xiàn)場設(shè)置地址，這樣路上位機可以通過地址精準的命令和監(jiān)控每一個終端，還可以現(xiàn)場隨意調(diào)換位置，方便安裝。通信模塊，兩級網(wǎng)絡(luò)等都需要軟件編程實現(xiàn)；路燈監(jiān)控中心需要設(shè)計合理的軟件界面，簡化操作流程，方便管理人員操作。

1.1 Modbus通訊協(xié)議

本文通過電力載波線實現(xiàn)上位機與路燈終端之間通訊并且采用協(xié)議為Modbus，其中它有兩種傳輸數(shù)據(jù)的方式：ASCⅡ和RTU，由于RTU方式的傳輸效率高，采用CRC校驗的方法，數(shù)據(jù)傳輸準確，所以本文采用RTU的傳輸方法。

通過設(shè)定16位Modbus碼中的內(nèi)容，上位機把需要發(fā)送的信息其中包括地址，CRC校驗，讀寫，PWM口輸出占空比等信息放入到Modbus碼中通過GPRS無線發(fā)送到集中控制終端，當集中控制終端通過串口接收到的Modbus碼進行識別和完成相應(yīng)的指令，然后集中控制終端把Modbus碼通過載波發(fā)送把控制信號發(fā)送到電力載波線上后子終端通過電力載波線接收到Modbus信號后完成相應(yīng)的指令在生成回復的Modbuss信號發(fā)送回上位機，通過回復我們在上位機就可以看到信號的執(zhí)行情況。

1.2 載波通訊電路設(shè)計

硬件電路主要以發(fā)射電路，功率放大電路，電源電路，耦合電路，濾波電路組成。其中通信系統(tǒng)選用用福星曉成公司生產(chǎn)的PL3106芯片。因為該芯片具有電力載波通訊芯片內(nèi)置半雙工異步擴頻通訊調(diào)制,解調(diào)器，可以實現(xiàn)基于BPSK的直序擴頻通訊。具有邏輯控制能力及載波通信功能，抑制高頻信號衰減，使各通信節(jié)點能夠?qū)崟r的、可靠的通信，達到對城市照明進行網(wǎng)絡(luò)化、實時化、精確化和動態(tài)化控制的目的。

如圖1所示為路燈終端結(jié)構(gòu)圖，因為本次設(shè)計采用主從一體的設(shè)計理念，就是所有終端都已一樣的，只要連接上位機的那個就是主終端，其他的都為從終端。當下圖為主終端的時候，上位機的控制信號通過串口發(fā)送到主控芯片中，經(jīng)過功率放大電路，濾波電路和耦合電路后把控制信號發(fā)送到電力載波線上，同樣從終端發(fā)送到電力載波線上的控制信號僅經(jīng)由耦合電路和接受電路把控制信號傳入到主控芯片中，最后由串口電路發(fā)送回上位機。當下圖為從終端時，控制信號從電力載波線上接收到主控芯片中，通過控制信號的內(nèi)容從而芯片控制PWM端口改變占空比從而改變后端電子鎮(zhèn)流器的功率從而改變燈亮度，達到節(jié)能環(huán)保的目的。

圖1 路燈終端結(jié)構(gòu)圖

1.3 PSK調(diào)制

PSK調(diào)制（相移鍵控）：PSK調(diào)制方式是數(shù)字基帶信號對載波相位進行的一種調(diào)制方法。此調(diào)制方式相對于其他調(diào)制方式來說，主要有以下幾點優(yōu)勢：一是頻譜利用率高（與ASK系統(tǒng)相同）；二是抗干擾性能好。從理論上說，PSK系統(tǒng)中載波傳輸數(shù)字信號的情況最佳，所以，在要求數(shù)據(jù)在高速傳輸中應(yīng)用得較為廣泛。示意圖如圖2所示。

圖2 PSK調(diào)制過程

本文使用的PL3106為控制芯片自帶調(diào)制解調(diào)控制功能，其中主終端通過電力載波線向外發(fā)送信號時，信號不能直接發(fā)送到電力載波線上需要首先進行PSK調(diào)制，這樣可以提高信號在電力載波線上傳輸?shù)目垢蓴_能力，調(diào)制后的信號如圖1所示。子終端從電力載波線上接收信號時，首先需要解調(diào)，解調(diào)信號如圖2所示，只有經(jīng)由解調(diào)后的信號主控芯片才能接收。

圖3 調(diào)制后的波形圖

圖4 解調(diào)后的波形圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本次軟件設(shè)計主要介紹了集中控制終端的串口發(fā)送與接收，子終端的載波接收與發(fā)送。系統(tǒng)采用主從通信方式其中集中控制終端為主節(jié)點有唯一地址，而其他子終端為從節(jié)點，有唯一網(wǎng)絡(luò)地址，每一個節(jié)點通過對地址的判斷，來識別消息是否發(fā)送給自己節(jié)點，是否做出相應(yīng)的調(diào)整。

2.1 串口發(fā)送

串口發(fā)送程序流程圖如圖5所示，首先發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，發(fā)送完成字節(jié)數(shù)減一，然后在發(fā)送下一個字節(jié)，一直這樣循環(huán)發(fā)送直達字節(jié)長度為零，跳出循環(huán)程序，發(fā)送結(jié)束。

圖5 串口發(fā)送流程圖

2.2 串口接收

集中控制終端除了要在電力載波線上收發(fā)消息還需要與GPRS進行串口通信，集中控制終端通信設(shè)計如圖6所示。串口收到控制信號時首先需要進行判斷地址是否正確,如果地址正確則進行接收，地址正確后進行接收剩余字節(jié)。如果規(guī)定時間內(nèi)接收完成，則完成標志位置位，完成接收。接收到的正確信號存入寄存器中進行處理并執(zhí)行相應(yīng)的命令。

圖6 串口接收流程圖

2.3 載波發(fā)送

每一個子終端都與要從電力載波線載波接收和發(fā)送消息，根據(jù)電力載波線通訊擴頻調(diào)制和解調(diào)原理，如圖7所示。載波發(fā)送Modbus命令碼之前，先需要發(fā)送40個比特的1完成PL3106芯片自帶的解擴捕獲和同步訓練，然后發(fā)送兩個字節(jié)的同步幀頭的0x09AF。因此在載波發(fā)送時，在完成前部發(fā)送對接枕頭后，才能發(fā)送在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的16位的Modbus碼。

圖7 載波發(fā)送流程圖

2.4 載波接收

載波接收程序流程圖如圖8所示，當從電力載波線上接收到信號的時候觸發(fā)載波中斷，進入載波接收程序，先一位一位接收1bit因為Pl3106發(fā)送載波時首先會發(fā)送40個比特的1來進行解擴捕獲和同步訓練，然后向左滑動一位繼續(xù)接收下一位數(shù)據(jù)，直到接收到幀頭0x09AF，然后開始接收Modbus數(shù)據(jù)，按照8位一個字節(jié)的方式接收，每接收一個字節(jié)，計數(shù)長度加一。直到接收完所以的Modbus數(shù)據(jù)，退出中斷。

圖8 載波接收流程圖

3 系統(tǒng)測試

在路燈通信系統(tǒng)測試中，上位機通過GPRS發(fā)送控制信號給集中控制終端，再通過電力載波線把控制信號發(fā)送到各個子終端，通過上位機發(fā)送的控制信號的內(nèi)容來控制各個終端的PWM端口（PWM端口的占空比如圖9和圖10所示，分別為占空比為70%和占空比為50%的情況下），發(fā)送PWM信號的占空比來改變后端負載燈具的功率，來減少燈的亮度，從而節(jié)省電能。

圖9 占空比70%

4 結(jié)語

通過實驗對上位機，集中控制終端，子終端間的通訊情況進行了測試，并按照目標改變了占空比，達到的調(diào)節(jié)功率的目的，同時也有很強的穩(wěn)定性和準確性。

圖10 占空比50%