短程无线通信无级调压单灯节能装置

摘要：为了实现路灯按需照明，在满足基本照明功能的同时避免照明浪费，节约照明能源，设计了短程无线通信无级调压单灯节能装置。该设备通过短程无线通信，可对单灯进行实时控制、监测。采用高频电力电子斩波技术控制路灯的输入电压间歇性的通断来进行线性连续地降压，使得每一盏路灯的输入电压值能够线性地降低，从而实现节能的目的。阐述了短程无线通信无级调压单灯节能装置的基本工作原理，并给出了线路检测装置的硬件电路和软件设计。
关键词：短程无线通信；无级调压节能；线性连续降压；节能装置

    随着能源的日益紧缺，路灯节能工作已经被高度关注。但目前的路灯节能基本是集中地降压节能，其在运行中的不足逐渐显现。单灯节能装置可以控制管理到单灯，可大大提高路灯行业的控制管理水平，降低管理成本。并可采用目前最优控制方法，实现对路灯电流及照度的动态智能化管理，即TPO(Time／Place／Occasion)管理。此装置可从根本上改变城市路灯的管理方式，把传统的道路照明只能控制到路段提升到可直接控制到具体的每盏路灯，大大提高道路照明行业的整体管理水平，节省路灯的运行管理及维护费用。

1 单灯节能装置构成
    单灯节能装置由集中单元和控制单元构成。
    集中单元完成所有控制单元的管理功能，具体为：保存该分站控制器下所有控制单元的地址，并根据保存的地址进行巡测控制单元，当发现异常情况时及时上报监控主站；作为中间通道辅助完成监控主站对控制单元的控制、选测、设置参数等各项操作；记录所有控制单元的运行数据，当监控主站需要时及时上传。
    控制单元的主要功能为：根据预设的参数进行节能或开关灯操作并采集当前工作电压、电流及环境温度等参数，发现故障及时上报集中单元。

2 硬件电路设计
2．1 集中单元
    集中单元的构成如图1所示，由电源、远程无线通信模块、短程无线通信模块、时钟单元、存储芯片、显示单元及CPU组成。

    远程无线通信模块由天线和主板构成，天线可以有效地接收国家公网公司(移动、联通、电信)的公共网络服务的通信信号，主板进行处理，并通过串口与CPU连接。远程无线通信模块主要作用是监控主站与集中单元进行信息交互的桥梁。
    显示器／键盘由LCD液晶显示器和按键构成，用来显示并设置集中单元和控制单元的各种参数，并显示每盏灯的电压、电流、功率、节能状态以及目前的故障情况等。
    时钟单元采用PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟／日历芯片PCF8563。该芯片功耗低，可以完成各种复杂的定时服务，通过I2C接口与CPU连接。外接电池，在设备停电时时钟也可以正常运行。
    外接220 VAC先经过变压器降压后，然后经过桥堆整流，之后分别通过开关电压调节器调整出12 VDC和5 VDC供整个集中单元工作。
    存储芯片采用FM25C512，存储容量达64 KB，通过频率高达20 MHz的SPI接口与CPU相连，完全满足集中单元存储数量大、读写频繁的要求。

    短程无线通信模块构成图如图2所示，短程无线通信模块是通信的核心部分，主要由处理器和无线部分构成。处理器采用TI公司低功耗Z-Accel ZIGBEE处理器CC2480，Z-stack软件ZigBee-2006协议栈可以在ZigBee处理器上运行。该器件通过串口与CPU通信，应用程序在CPU上运行。无线部分由射频芯片CC2591和天线构成。采用2．4 GHz公用频段进行通信，100kHz的通信带宽，可以组建大规模网状或星状网络，网络节点容量达到65 535个。
    CPU含32位ARM硬件平台、内嵌μC／OSⅡ嵌入式操作系统软件平台，既能脱离控制中心，按本地预定的控制程序独立工作，又能接收管理中心的命令，统一执行控制管理中心工作程序联网工作。
2．2 控制单元
    控制单元的构成如图3所示，由电源模块、短程无线通信模块、时钟单元、存储芯片、电压电流采样模块、节能控制模块及CPU组成。

    其中电源模块、短程无线通信模块、时钟单元、存储芯片的功能以及实现方法均与集中单元的功能类似，本文不再赘述。电压信号经过互感器后转换成小信号，电流信号经过霍尔器件转换成小信号。采用主CPU直接采样，而主CPU并没有负电源。因此为了采集交流的负半波，先将这些小信号分别经过加法电路抬高电压之后供主CPU采集，采集之后去掉叠加的信号即为输入信号。

    节能控制模块是其中的核心模块，其构成图如图4所示。同步信号产生模块利用比较器找到电压的过零点，电压过零点就是一个控制周期的开始。CPU产生一个PWM波，与同步信号叠加在一起形成控制信号。该控制信号经过驱动模块增强驱动能力之后直接控制高频开关模块，信号为高时高频开关开通，信号为低时高频开关断开。通过高频开关的通断来控制输出信号的有无，在交流电压的一个周期内，由于部分时间电压并没有导通，因此，从整个周期来看电压做功是降低的，也就达到了节能的目的。输入滤波和输出滤波模块用来滤除整条线路的杂波信号，可有效地保护用电设备。旁路模块在当高频开关模块发生故障时导通，保证路灯不熄灭，同时也保护高频开关模块不被损坏。
    主CPU主要完成以下功能：控制管理、电力电子调压稳压控制、采样、多种通信方式：RS232／485等，基本数据处理存储等。

3 程序设计
    在软件设计中，采用模块化结构。整个程序由主程序及各个功能子程序、中断服务程序组成。

    集中单元程序流程图如图5所示，经过各项配置后，CPU一直循环检测是否收到监控中心的命令，收到则做相应处理；同时巡测控制单元并检测是否收到控制单元的数据，收到后也做相应处理。

    控制单元程序流程图如图6所示，经过各项配置后，CPU一直循环检测是否收到集中单元的命令，收到则做相应处理；同时判断是否到了开关灯或者节能时间，时间到了再进行相应处理；实时采集电压电流数据，判断数据是否异常，异常则进行异常处理。

4 结语
    短程无线通信无级调压单灯节能装置，采用短程无线通信方式进行交互通信，可以组建近距离、多节点的短程无线网络，避免了当地路灯的线路环境对通信效果的影响，提高了通信成功率。同时由于可以管理到每一盏灯，可自动检测上报每一盏灯工作状态，准确发现是否有损坏的路灯，免去了人工寻检故障灯的麻烦，提高城市照明管理部门的工作效率。并可根据实际照明的需要并利用调压节能技术，调整路灯的功率，实现按需照明，有效地降低了能耗，采用无级调压技术，可以连续平稳降压，这样保证了降压过程中不灭灯。因此，短程无线通信无级调压单灯节能装置是先进的、适应市场需求的现代化管理系统平台。