短程無(wú)線(xiàn)通信無(wú)級(jí)調(diào)壓?jiǎn)螣艄?jié)能裝置

摘要：為了實(shí)現(xiàn)路燈按需照明，在滿(mǎn)足基本照明功能的同時(shí)避免照明浪費(fèi)，節(jié)約照明能源，設(shè)計(jì)了短程無(wú)線(xiàn)通信無(wú)級(jí)調(diào)壓單燈節(jié)能裝置。該設(shè)備通過(guò)短程無(wú)線(xiàn)通信，可對(duì)單燈進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測(cè)。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(lái)進(jìn)行線(xiàn)性連續(xù)地降壓，使得每一盞路燈的輸入電壓值能夠線(xiàn)性地降低，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。闡述了短程無(wú)線(xiàn)通信無(wú)級(jí)調(diào)壓單燈節(jié)能裝置的基本工作原理，并給出了線(xiàn)路檢測(cè)裝置的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：短程無(wú)線(xiàn)通信；無(wú)級(jí)調(diào)壓節(jié)能；線(xiàn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)路燈電流及照度的動(dòng)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(yùn)行管理及維護(hù)費(fèi)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(jìn)行巡測(cè)控制單元，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)上報(bào)監(jiān)控主站；作為中間通道輔助完成監(jiān)控主站對(duì)控制單元的控制、選測(cè)、設(shè)置參數(shù)等各項(xiàng)操作；記錄所有控制單元的運(yùn)行數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)控主站需要時(shí)及時(shí)上傳。
控制單元的主要功能為：根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)進(jìn)行節(jié)能或開(kāi)關(guān)燈操作并采集當(dāng)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(shí)上報(bào)集中單元。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 集中單元
集中單元的構(gòu)成如圖1所示，由電源、遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)通信模塊、短程無(wú)線(xiàn)通信模塊、時(shí)鐘單元、存儲(chǔ)芯片、顯示單元及CPU組成。

遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)通信模塊由天線(xiàn)和主板構(gòu)成，天線(xiàn)可以有效地接收國(guó)家公網(wǎng)公司(移動(dòng)、聯(lián)通、電信)的公共網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的通信信號(hào)，主板進(jìn)行處理，并通過(guò)串口與CPU連接。遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)通信模塊主要作用是監(jiān)控主站與集中單元進(jìn)行信息交互的橋梁。
顯示器／鍵盤(pán)由LCD液晶顯示器和按鍵構(gòu)成，用來(lái)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(shí)鐘單元采用PHILIPS公司推出的一款工業(yè)級(jí)內(nèi)含I2C總線(xiàn)接口功能的具有極低功耗的多功能時(shí)鐘／日歷芯片PCF8563。該芯片功耗低，可以完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù)，通過(guò)I2C接口與CPU連接。外接電池，在設(shè)備停電時(shí)時(shí)鐘也可以正常運(yùn)行。
外接220 VAC先經(jīng)過(guò)變壓器降壓后，然后經(jīng)過(guò)橋堆整流，之后分別通過(guò)開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器調(diào)整出12 VDC和5 VDC供整個(gè)集中單元工作。
存儲(chǔ)芯片采用FM25C512，存儲(chǔ)容量達(dá)64 KB，通過(guò)頻率高達(dá)20 MHz的SPI接口與CPU相連，完全滿(mǎn)足集中單元存儲(chǔ)數(shù)量大、讀寫(xiě)頻繁的要求。

短程無(wú)線(xiàn)通信模塊構(gòu)成圖如圖2所示，短程無(wú)線(xiàn)通信模塊是通信的核心部分，主要由處理器和無(wú)線(xiàn)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(yùn)行。該器件通過(guò)串口與CPU通信，應(yīng)用程序在CPU上運(yùn)行。無(wú)線(xiàn)部分由射頻芯片CC2591和天線(xiàn)構(gòu)成。采用2．4 GHz公用頻段進(jìn)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(diǎn)容量達(dá)到65 535個(gè)。
CPU含32位ARM硬件平臺(tái)、內(nèi)嵌μC／OSⅡ嵌入式操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)，既能脫離控制中心，按本地預(yù)定的控制程序獨(dú)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(wú)線(xiàn)通信模塊、時(shí)鐘單元、存儲(chǔ)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(wú)線(xiàn)通信模塊、時(shí)鐘單元、存儲(chǔ)芯片的功能以及實(shí)現(xiàn)方法均與集中單元的功能類(lèi)似，本文不再贅述。電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)互感器后轉(zhuǎn)換成小信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)霍爾器件轉(zhuǎn)換成小信號(hào)。采用主CPU直接采樣，而主CPU并沒(méi)有負(fù)電源。因此為了采集交流的負(fù)半波，先將這些小信號(hào)分別經(jīng)過(guò)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(hào)即為輸入信號(hào)。

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(hào)產(chǎn)生模塊利用比較器找到電壓的過(guò)零點(diǎn)，電壓過(guò)零點(diǎn)就是一個(gè)控制周期的開(kāi)始。CPU產(chǎn)生一個(gè)PWM波，與同步信號(hào)疊加在一起形成控制信號(hào)。該控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力之后直接控制高頻開(kāi)關(guān)模塊，信號(hào)為高時(shí)高頻開(kāi)關(guān)開(kāi)通，信號(hào)為低時(shí)高頻開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)控制輸出信號(hào)的有無(wú)，在交流電壓的一個(gè)周期內(nèi)，由于部分時(shí)間電壓并沒(méi)有導(dǎo)通，因此，從整個(gè)周期來(lái)看電壓做功是降低的，也就達(dá)到了節(jié)能的目的。輸入濾波和輸出濾波模塊用來(lái)濾除整條線(xiàn)路的雜波信號(hào)，可有效地保護(hù)用電設(shè)備。旁路模塊在當(dāng)高頻開(kāi)關(guān)模塊發(fā)生故障時(shí)導(dǎo)通，保證路燈不熄滅，同時(shí)也保護(hù)高頻開(kāi)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(chǔ)等。

3 程序設(shè)計(jì)
在軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化結(jié)構(gòu)。整個(gè)程序由主程序及各個(gè)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(guò)各項(xiàng)配置后，CPU一直循環(huán)檢測(cè)是否收到監(jiān)控中心的命令，收到則做相應(yīng)處理；同時(shí)巡測(cè)控制單元并檢測(cè)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(guò)各項(xiàng)配置后，CPU一直循環(huán)檢測(cè)是否收到集中單元的命令，收到則做相應(yīng)處理；同時(shí)判斷是否到了開(kāi)關(guān)燈或者節(jié)能時(shí)間，時(shí)間到了再進(jìn)行相應(yīng)處理；實(shí)時(shí)采集電壓電流數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否異常，異常則進(jìn)行異常處理。

4 結(jié)語(yǔ)
短程無(wú)線(xiàn)通信無(wú)級(jí)調(diào)壓?jiǎn)螣艄?jié)能裝置，采用短程無(wú)線(xiàn)通信方式進(jìn)行交互通信，可以組建近距離、多節(jié)點(diǎn)的短程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，避免了當(dāng)?shù)芈窡舻木€(xiàn)路環(huán)境對(duì)通信效果的影響，提高了通信成功率。同時(shí)由于可以管理到每一盞燈，可自動(dòng)檢測(cè)上報(bào)每一盞燈工作狀態(tài)，準(zhǔn)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(mén)的工作效率。并可根據(jù)實(shí)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(shí)現(xiàn)按需照明，有效地降低了能耗，采用無(wú)級(jí)調(diào)壓技術(shù)，可以連續(xù)平穩(wěn)降壓，這樣保證了降壓過(guò)程中不滅燈。因此，短程無(wú)線(xiàn)通信無(wú)級(jí)調(diào)壓?jiǎn)螣艄?jié)能裝置是先進(jìn)的、適應(yīng)市場(chǎng)需求的現(xiàn)代化管理系統(tǒng)平臺(tái)。