引言

　　當前巨大的能源消耗和由此引起的能源短缺、價格上漲等已使得節(jié)約能源成為一項十分迫切的任務。國家/十一五計劃0提出/要把節(jié)約資源作為基本國策0，首次提出十一五期間單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20%左右的目標。原建設部在5/十一五0城市綠色照明工程規(guī)劃綱要6中明確提出，2006~2010年累計節(jié)電要達到25%。

　　LED冷光源作為一種新型的綠色光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長等特點，是未來照明的發(fā)展趨勢。2009年初，中國科技部推出/十城萬盞0半導體照明應用示范城市方案，該計劃涵蓋北京、上海、深圳、武漢等21個國內(nèi)發(fā)達城市。這一計劃的實施將有效引導我國半導體照明應用的健康快速發(fā)展。

　　本課題正是基于LED冷光源道路照明而設計的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，從而有效解決現(xiàn)有的道路照明管理系統(tǒng)普遍存在著難以反饋路燈狀態(tài)信息、沒有適時開關燈、基本沒有節(jié)電效果等問題。

　　1、LED技術概述

　　LED(LightEmittingDiode，發(fā)光二極管)是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光[1]。LED光源具有高節(jié)能、利環(huán)保、壽命長、體積小、多變幻適用性強、穩(wěn)定性高、響應時間短等特點，可以廣泛應用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領域[2]。雖然價格較現(xiàn)有照明器材昂貴，仍被認為它是其理想的替代品。

　　在節(jié)能方面，LED具有直流驅(qū)動，超低功耗(單管<0.1W)等特點，相比傳統(tǒng)光源，LED光源接近點光源，單相發(fā)光，好配光，光效利用率高。就平均照度來講，一盞50W的LED燈亮度可與100W的高壓鈉燈相當，如果就點照度來講，那要更高。相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能50%以上(以實際應用產(chǎn)品為例)。
LED光源為固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)也沒有松動的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積等缺點。當光通量衰減到70%時，其壽命達到了50000h，高壓鈉燈的壽命是10000~20000h。而它的環(huán)保效益更佳，發(fā)光顏色純正，不含有紫外和紅外的輻射，而且不含汞元素，沒有污染，廢棄物可方便回收。冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。

　　2、路燈節(jié)能控制系統(tǒng)總體結構

　　考慮到造價、監(jiān)測范圍、控制點設置、擴容方便等要求，在本次設計中采用無線通信與電力載波通信相結合的方案。

　　具體的方案如下：整個監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控終端、集中控制器、路燈控制器和路燈組成。本系統(tǒng)的上位機即監(jiān)控終端放在城市路燈管理部門，以單個配電變壓器為范圍安裝集中控制器，在每盞路燈上安裝路燈控制器方便實現(xiàn)單燈控制。在主控制室與集中控制器之間采用GPRS通信，GPRS通信方式容易實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸、長時間在線，并且可獲得按流量收費的低資費方式，硬件投資少，對地域要求相對也較低[3]。在集中控制器與路燈控制器之間則采用電力線載波通信技術，采用電力載波技術的最大的好處就是不需要再鋪設通信電纜就可容易地實現(xiàn)對每盞燈的檢測，減少了通道建設的費用。整個系統(tǒng)的結構圖如圖1所示。

圖1  智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)的結構

    3、通信的實現(xiàn)

　　整個系統(tǒng)采用分級通信機制，一級為監(jiān)控終端和集中控制器的通信，另一級為集中控制器和路燈控制器的通信。

　　監(jiān)控終端與集中控制器之間的通信采用GPRS。集中控制器監(jiān)控和管理所在轄區(qū)所有的路燈，其和路燈控制器之間采用電力線載波通信。集中控制器可以獨立工作，根據(jù)提前設定的方案開關燈、循環(huán)地收集所轄范圍各路燈控制器的相關信息，每當完成所有路燈的一次信息收集時，集中控制器將剛收集到的各路燈控制器監(jiān)測路燈的信息迅速反饋給監(jiān)控終端，當集中控制器收到監(jiān)控終端的命令時，將監(jiān)控終端下達的命令解析并通過電力線載波通信發(fā)送給路燈控制器讓其執(zhí)行相關的動作。路燈控制器一直處于等待模式，其循環(huán)地收集該燈柱所有燈的電流及狀態(tài)信息，一旦接收到有與本機地址相符的命令就執(zhí)行相應的動作并反饋執(zhí)行結果給集中控制器。通過這兩級通信，整個監(jiān)控系統(tǒng)的巡檢周期可以大大縮短。

　　3.1.路燈控制器與集中控制器通信實現(xiàn)

　　為了便于系統(tǒng)的軟硬件模塊設計、調(diào)試，以及后續(xù)的系統(tǒng)調(diào)試、故障分析和系統(tǒng)升級等，本次設計采用了雙CPU結構，兩個CUP分別是PL3105(負責載波收發(fā)的相關控制)和宏晶的STC12C5404AD(其他控制)。STC12C5404AD單片機是一款高速、寬電壓、低功耗的增強型8051內(nèi)核單片機[4]。由于設計中要求的實時性不高，這里直接采用串口通信，PL3105的RXD，TXD直接與STC12C5404AD的RXD，TXD連接，通過編寫單片機啟動程序，對其初始化設置，根據(jù)通信協(xié)議完成集中控制器發(fā)布的各項動作。電壓、電流采集電路分別通過HCT218及HPT304精密微型電壓互感器感應交流的電壓、電流，再通過I2V互換得出相應電壓值。該路燈控制器是單燈操作，以同一變壓器工作下的路燈為一局域，多個電力線載波模塊連接在同一相線上，在主從通信模式下，模塊分別單獨工作。其硬件框圖如圖2所示。

圖2  路燈控制器硬件框圖

　　3.1.1.電力線載波模塊

　　電力線載波通信(PowerLineCommunication，PLC)是利用電力線載波實現(xiàn)信息傳遞的通信方式的統(tǒng)稱[526]。它具有諸多優(yōu)點[729]：如應用范圍廣、實現(xiàn)成本低、永久在線等。

　　電力線載波模塊使用的PL3105芯片是專為自動抄表、智能信息家電以及遠程監(jiān)控系統(tǒng)而開發(fā)的單片系統(tǒng)芯片(SoC)[10]。采用8051指令兼容的高速微處理器，軟件易于開發(fā)；內(nèi)嵌的載波通信控制單元使其具備了在低壓電力線上組網(wǎng)遠程通信的強大功能；CPU通過配置寄存器來實現(xiàn)對載波通信的控制，接口方便；擴頻通信單元具有較強的抗帶內(nèi)同頻干擾、靈敏度高的優(yōu)點。

　　3.1.2.路由算法的實現(xiàn)

　　路由器是網(wǎng)絡層的互聯(lián)部件，可提供比網(wǎng)橋更豐富、靈活的網(wǎng)絡互連功能，是目前使用最多的網(wǎng)絡互連部件之一。路由算法是用軟件方法實現(xiàn)路由的功能。

　　由于一般的電力載波芯片的可靠通信距離在500m左右，在實際應用中遠遠超過最大通信距離，所以在本次設計的路燈控制器中增加了路由協(xié)議層，并以其性能優(yōu)越的物理層設計及完善的網(wǎng)絡通信協(xié)議，保證了可靠的網(wǎng)絡通信性能。在同一轄區(qū)電力線上的設備只要整合入了此芯片及相關通信模塊就可成為能利用電力線來進行控制的智能控制產(chǎn)品。

　　路由動作包括兩項基本內(nèi)容：尋徑和轉(zhuǎn)發(fā)。尋徑即判定到達目的地的最佳路徑，路徑信息根據(jù)使用的路由算法不同而不同。路由算法根據(jù)許多信息來填充路由表，并通過交換路由信息維護、更新其路由表，路由更新信息通常包含全部或部分路由表，通過分析來自其他路由器的信息，該路由器就可以建立起新的網(wǎng)絡拓撲圖。在一些環(huán)境復雜且大規(guī)模的項目中，采用動態(tài)路由算法，通過分析收到的路由更新信息來適應網(wǎng)絡環(huán)境的改變。如果信息表示網(wǎng)絡發(fā)生了變化，路由軟件就重新計算路由并發(fā)出新的路由更新信息。這些信息滲入網(wǎng)絡，促使路由器重新計算并對路由表做相應的改變，并且在適當?shù)牡胤揭造o態(tài)路由作為補充，以使系統(tǒng)整體穩(wěn)定運行。鑒于有些項目規(guī)模較小，載波網(wǎng)絡的硬件十分固定，而且相對來說傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也比較少，所以也可以只使用靜態(tài)路由表算法，這使得算法更容易設計，工作效果也很好。轉(zhuǎn)發(fā)即沿尋徑好的最佳路徑傳送信息分組。

    路由動作的操作過程主要包括下面幾點：

　　(1)接收、分解數(shù)據(jù)包。當路由器接收到數(shù)據(jù)包之后，首先驗證其合法性，然后把報頭、報文和校驗字節(jié)分離開來。再根據(jù)報頭的不同，選擇操作。

　　(2)對數(shù)據(jù)包進行處理。當接收到有效的報文時，路由器必須決定該數(shù)據(jù)是本地提交還是向前轉(zhuǎn)發(fā)，當IP廣播或多播時，也可能是一種混合的情況。對這些情況的判斷，主要根據(jù)下面三個規(guī)則進行處理：

　　當IP目的地址中有一個源路由選項時，根據(jù)路由表的相應表項將其發(fā)送到下一個站點，而不進行本地提交。

　　當IP目的地址中的某一個地址與路由器的某個端口地址相符時，將進行本地提交。

　　當IP目的地址是一個廣播地址，或者是個既要轉(zhuǎn)發(fā)又要本地提交的多播地址時，將同時進行兩個操作。

　　(3)轉(zhuǎn)發(fā)尋址。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何將分組發(fā)送到下一個站點(路由器或主機)，如果路由器不知道如何發(fā)送分組，通常將該分組丟棄；否則就根據(jù)路由表的相應表項將分組發(fā)送到下一個站點，如果目的網(wǎng)絡直接與路由器相連，路由器就把分組直接送到相應的端口上。

　　(4)轉(zhuǎn)發(fā)驗證。在轉(zhuǎn)發(fā)之前，路由器應該對數(shù)據(jù)包進行一些校驗工作，而只有驗證無誤的時候才能進行轉(zhuǎn)發(fā)，否則將數(shù)據(jù)包拋棄而重新提示數(shù)據(jù)包的廣播源重發(fā)。這里的校驗分為兩個部分：一個是IP的驗證，看是否接受到得數(shù)據(jù)包目標IP符合要求；二是具體數(shù)據(jù)的驗證，看校驗得到的數(shù)據(jù)是否有誤。

　　3.2路燈節(jié)能控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

　　3.2.1集中控制器

　　主程序結構分為兩個部分：一是初始化段，另一部分是循環(huán)主體。為了便于調(diào)試，維護，本設計中采用了多模塊的組織結構。每個任務都是一個子函數(shù)，在主程序循環(huán)體中，逐一調(diào)用任務模塊，這些模塊功能的執(zhí)行取決于其條件標志是否滿足，主程序流程圖如圖3所示。

圖3  主程序流程圖

　　為了避免各任務搶占時鐘資源，造成時間沖突，采取以下措施：

　　(1)根據(jù)任務的不同給予不同的時間調(diào)度。例如LCD顯示刷屏處理只需要1s調(diào)用一次；按鍵處理為10ms調(diào)用一次；設備巡檢按照設備編號5min調(diào)用一次，定時處理程序流程圖如圖4~圖6所示。

圖4  10ms定時處理程序流程圖

圖5  1s定時處理程序流程圖

圖6  5min定時處理程序流程圖

　　(2)為了避免因某些任務的單次執(zhí)行過長影響其他任務的及時處理，可以將一個任務分為多個時間片處理。例如：按鍵處理程序中，當首次監(jiān)測到按鍵閉合時，是需要10ms的延時時間來消抖，但是如果在程序中用10ms的延時程序來實現(xiàn)就會影響到其他程序的執(zhí)行，故應該把這10ms的等待時間讓給其他任務執(zhí)行。

　　(3)對于實時性要求更高的任務，可以把子函數(shù)直接放到中斷函數(shù)中去執(zhí)行。對于實時性不是很強的功能可以先在中斷函數(shù)中設置標志，然后讓后臺程序根據(jù)標志再執(zhí)行具體功能。

　　3.2.2路燈控制器

　　數(shù)據(jù)采集采用程序控制方式，根據(jù)上位機命令采集實時電量。為了便于監(jiān)控路燈的工作狀態(tài)，在單片機的E2PROM中存儲了基準電壓，當通過HPT304精密微型電壓互感采集的電壓進入單片機A/D轉(zhuǎn)化后與基準電壓相比較，當小于或大于某一特定值時，通信故障碼置位，并按照通信協(xié)議由電力線載波模塊發(fā)送至集中控制器報警，其程序流程圖，如圖7所示。

圖7  主程序及中斷程序流程圖

    PL3105與集中控制器通過電力線相互通信，對用戶而言，電力線載波模塊為客戶建立起透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，用戶可以將主從設備當成是電纜直接相連就可以了，用戶通信的可靠性由用戶的通信協(xié)議保證。

　　由于LED的工作范圍較大，其光輸出和工作電流成正比，因此可以減小電流的方法來調(diào)光。LED的調(diào)光還可以采用脈沖寬度調(diào)節(jié)的方法來得到，通過調(diào)節(jié)電壓的占空比和工作頻率，能夠有效調(diào)節(jié)LED的發(fā)光強度。

　　結合LED光源的這個特點，采用PWM調(diào)光來實現(xiàn)減少資源浪費和光源污染的目的。本設計使用宏晶公司的STC12C5404AD單片機，除了其內(nèi)置AD，還因為其有四路可編程計數(shù)器陣列(PCA)/PWM，方便實現(xiàn)可調(diào)PWM信號的輸出。調(diào)光的實現(xiàn)是由集中控制器控制，當?shù)竭_設定的時間，中控制器通過電力線向路燈控制器發(fā)出信號，命令解碼后，STC12C5404AD的內(nèi)部控制寄存器置位，啟動可編程計數(shù)器陣列(PCA)/PWM工作，輸出可調(diào)PWM，實現(xiàn)調(diào)光的功能。

　　4、結語

　　LED作為一種節(jié)能環(huán)保的綠色照明光源，將會在今后的道路照明發(fā)展中起著越來越重要的作用，本文結合LED燈具自身特性，設計的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，節(jié)能、高效、人性化。

    作者簡介：呂運朋、籍曉曄、李宏超