短程無線通信無級調(diào)壓單燈節(jié)能裝置

摘要：為了實現(xiàn)路燈按需照明，在滿足基本照明功能的同時避免照明浪費，節(jié)約照明能源，設(shè)計了短程無線通信無級調(diào)壓單燈節(jié)能裝置。該設(shè)備通過短程無線通信，可對單燈進行實時控制、監(jiān)測。采用高頻電力電子斬波技術(shù)控制路燈的輸入電壓間歇性的通斷來進行線性連續(xù)地降壓，使得每一盞路燈的輸入電壓值能夠線性地降低，從而實現(xiàn)節(jié)能的目的。闡述了短程無線通信無級調(diào)壓單燈節(jié)能裝置的基本工作原理，并給出了線路檢測裝置的硬件電路和軟件設(shè)計。
關(guān)鍵詞：短程無線通信；無級調(diào)壓節(jié)能；線性連續(xù)降壓；節(jié)能裝置

隨著能源的日益緊缺，路燈節(jié)能工作已經(jīng)被高度關(guān)注。但目前的路燈節(jié)能基本是集中地降壓節(jié)能，其在運行中的不足逐漸顯現(xiàn)。單燈節(jié)能裝置可以控制管理到單燈，可大大提高路燈行業(yè)的控制管理水平，降低管理成本。并可采用目前最優(yōu)控制方法，實現(xiàn)對路燈電流及照度的動態(tài)智能化管理，即TPO(Time／Place／Occasion)管理。此裝置可從根本上改變城市路燈的管理方式，把傳統(tǒng)的道路照明只能控制到路段提升到可直接控制到具體的每盞路燈，大大提高道路照明行業(yè)的整體管理水平，節(jié)省路燈的運行管理及維護費用。

1 單燈節(jié)能裝置構(gòu)成
單燈節(jié)能裝置由集中單元和控制單元構(gòu)成。
集中單元完成所有控制單元的管理功能，具體為：保存該分站控制器下所有控制單元的地址，并根據(jù)保存的地址進行巡測控制單元，當發(fā)現(xiàn)異常情況時及時上報監(jiān)控主站；作為中間通道輔助完成監(jiān)控主站對控制單元的控制、選測、設(shè)置參數(shù)等各項操作；記錄所有控制單元的運行數(shù)據(jù)，當監(jiān)控主站需要時及時上傳。
控制單元的主要功能為：根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)進行節(jié)能或開關(guān)燈操作并采集當前工作電壓、電流及環(huán)境溫度等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)故障及時上報集中單元。

2 硬件電路設(shè)計
2．1 集中單元
集中單元的構(gòu)成如圖1所示，由電源、遠程無線通信模塊、短程無線通信模塊、時鐘單元、存儲芯片、顯示單元及CPU組成。

遠程無線通信模塊由天線和主板構(gòu)成，天線可以有效地接收國家公網(wǎng)公司(移動、聯(lián)通、電信)的公共網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的通信信號，主板進行處理，并通過串口與CPU連接。遠程無線通信模塊主要作用是監(jiān)控主站與集中單元進行信息交互的橋梁。
顯示器／鍵盤由LCD液晶顯示器和按鍵構(gòu)成，用來顯示并設(shè)置集中單元和控制單元的各種參數(shù)，并顯示每盞燈的電壓、電流、功率、節(jié)能狀態(tài)以及目前的故障情況等。
時鐘單元采用PHILIPS公司推出的一款工業(yè)級內(nèi)含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時鐘／日歷芯片PCF8563。該芯片功耗低，可以完成各種復(fù)雜的定時服務(wù)，通過I2C接口與CPU連接。外接電池，在設(shè)備停電時時鐘也可以正常運行。
外接220 VAC先經(jīng)過變壓器降壓后，然后經(jīng)過橋堆整流，之后分別通過開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器調(diào)整出12 VDC和5 VDC供整個集中單元工作。
存儲芯片采用FM25C512，存儲容量達64 KB，通過頻率高達20 MHz的SPI接口與CPU相連，完全滿足集中單元存儲數(shù)量大、讀寫頻繁的要求。

短程無線通信模塊構(gòu)成圖如圖2所示，短程無線通信模塊是通信的核心部分，主要由處理器和無線部分構(gòu)成。處理器采用TI公司低功耗Z-Accel ZIGBEE處理器CC2480，Z-stack軟件ZigBee-2006協(xié)議棧可以在ZigBee處理器上運行。該器件通過串口與CPU通信，應(yīng)用程序在CPU上運行。無線部分由射頻芯片CC2591和天線構(gòu)成。采用2．4 GHz公用頻段進行通信，100kHz的通信帶寬，可以組建大規(guī)模網(wǎng)狀或星狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量達到65 535個。
CPU含32位ARM硬件平臺、內(nèi)嵌μC／OSⅡ嵌入式操作系統(tǒng)軟件平臺，既能脫離控制中心，按本地預(yù)定的控制程序獨立工作，又能接收管理中心的命令，統(tǒng)一執(zhí)行控制管理中心工作程序聯(lián)網(wǎng)工作。
2．2 控制單元
控制單元的構(gòu)成如圖3所示，由電源模塊、短程無線通信模塊、時鐘單元、存儲芯片、電壓電流采樣模塊、節(jié)能控制模塊及CPU組成。

其中電源模塊、短程無線通信模塊、時鐘單元、存儲芯片的功能以及實現(xiàn)方法均與集中單元的功能類似，本文不再贅述。電壓信號經(jīng)過互感器后轉(zhuǎn)換成小信號，電流信號經(jīng)過霍爾器件轉(zhuǎn)換成小信號。采用主CPU直接采樣，而主CPU并沒有負電源。因此為了采集交流的負半波，先將這些小信號分別經(jīng)過加法電路抬高電壓之后供主CPU采集，采集之后去掉疊加的信號即為輸入信號。

節(jié)能控制模塊是其中的核心模塊，其構(gòu)成圖如圖4所示。同步信號產(chǎn)生模塊利用比較器找到電壓的過零點，電壓過零點就是一個控制周期的開始。CPU產(chǎn)生一個PWM波，與同步信號疊加在一起形成控制信號。該控制信號經(jīng)過驅(qū)動模塊增強驅(qū)動能力之后直接控制高頻開關(guān)模塊，信號為高時高頻開關(guān)開通，信號為低時高頻開關(guān)斷開。通過高頻開關(guān)的通斷來控制輸出信號的有無，在交流電壓的一個周期內(nèi)，由于部分時間電壓并沒有導(dǎo)通，因此，從整個周期來看電壓做功是降低的，也就達到了節(jié)能的目的。輸入濾波和輸出濾波模塊用來濾除整條線路的雜波信號，可有效地保護用電設(shè)備。旁路模塊在當高頻開關(guān)模塊發(fā)生故障時導(dǎo)通，保證路燈不熄滅，同時也保護高頻開關(guān)模塊不被損壞。
主CPU主要完成以下功能：控制管理、電力電子調(diào)壓穩(wěn)壓控制、采樣、多種通信方式：RS232／485等，基本數(shù)據(jù)處理存儲等。

3 程序設(shè)計
在軟件設(shè)計中，采用模塊化結(jié)構(gòu)。整個程序由主程序及各個功能子程序、中斷服務(wù)程序組成。

集中單元程序流程圖如圖5所示，經(jīng)過各項配置后，CPU一直循環(huán)檢測是否收到監(jiān)控中心的命令，收到則做相應(yīng)處理；同時巡測控制單元并檢測是否收到控制單元的數(shù)據(jù)，收到后也做相應(yīng)處理。

控制單元程序流程圖如圖6所示，經(jīng)過各項配置后，CPU一直循環(huán)檢測是否收到集中單元的命令，收到則做相應(yīng)處理；同時判斷是否到了開關(guān)燈或者節(jié)能時間，時間到了再進行相應(yīng)處理；實時采集電壓電流數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否異常，異常則進行異常處理。

4 結(jié)語
短程無線通信無級調(diào)壓單燈節(jié)能裝置，采用短程無線通信方式進行交互通信，可以組建近距離、多節(jié)點的短程無線網(wǎng)絡(luò)，避免了當?shù)芈窡舻木€路環(huán)境對通信效果的影響，提高了通信成功率。同時由于可以管理到每一盞燈，可自動檢測上報每一盞燈工作狀態(tài)，準確發(fā)現(xiàn)是否有損壞的路燈，免去了人工尋檢故障燈的麻煩，提高城市照明管理部門的工作效率。并可根據(jù)實際照明的需要并利用調(diào)壓節(jié)能技術(shù)，調(diào)整路燈的功率，實現(xiàn)按需照明，有效地降低了能耗，采用無級調(diào)壓技術(shù)，可以連續(xù)平穩(wěn)降壓，這樣保證了降壓過程中不滅燈。因此，短程無線通信無級調(diào)壓單燈節(jié)能裝置是先進的、適應(yīng)市場需求的現(xiàn)代化管理系統(tǒng)平臺。