基于電力載波的路燈電纜防盜報(bào)警器設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于電力載波技術(shù)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC3548的路燈電纜防盜報(bào)警器的硬件和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。闡述了該方案的原理，即在主機(jī)與從機(jī)間進(jìn)行電力載波通信以檢測(cè)電纜狀況，通過(guò)單片機(jī)控制TLC3548進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，比較精確地測(cè)量出斷纜處距路燈現(xiàn)場(chǎng)控制柜的距離，并將信息經(jīng)GPRS通信模塊上報(bào)給服務(wù)器。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該防盜報(bào)警器可靠實(shí)用，性?xún)r(jià)比較高。

引言

本文提出一種基于電力載波技術(shù)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC3548的路燈電纜防盜報(bào)警器解決方案，可24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控電纜通斷狀況，較精確地測(cè)量出斷纜位置，并將警情及時(shí)上報(bào)。

1 系統(tǒng)工作原理

路燈電纜防盜報(bào)警器由電纜前端防盜主機(jī)與電纜末端防盜從機(jī)兩部分組成。由于系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)的采集針對(duì)的是電力電纜線(xiàn)，其本身就是信號(hào)的良好載體，因此主機(jī)與從機(jī)的線(xiàn)纜通信技術(shù)采用電力載波通信技術(shù)。電力載波通信PLC(Power Line Communication)是電力系統(tǒng)特有的通信方式，它是指利用現(xiàn)有電力線(xiàn)，通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。電力載波通信的最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電纜，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

路燈供電線(xiàn)纜均采用三相四線(xiàn)制，由于電纜被剪斷時(shí)必然三相齊斷，因此系統(tǒng)只要監(jiān)控一相即可。主機(jī)放置在變壓器端，從機(jī)放在線(xiàn)路末端(路燈最后一個(gè)燈桿或路燈控制箱中)，當(dāng)有人竊割或發(fā)生事故斷線(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)獲得必要的報(bào)警信息。當(dāng)路燈晚上開(kāi)啟后，若有電纜發(fā)生斷路的情況，此時(shí)系統(tǒng)可通過(guò)判斷電流數(shù)據(jù)和亮燈率的顯著變化來(lái)檢測(cè)電纜故障;而當(dāng)白天路燈關(guān)閉后，照明電纜無(wú)電，此時(shí)則須采用電力載波技術(shù)來(lái)檢測(cè)電纜故障?；陔娏d波和TLC3548的路燈電纜防盜報(bào)警器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

如圖1所示，在每一盞路燈(1，2…n)上都并聯(lián)有功率阻抗器(RT1，RT2，…RTn)。在停電狀態(tài)下若出現(xiàn)斷線(xiàn)或被竊割，則主機(jī)報(bào)警終端發(fā)送載波信號(hào)，由于中途電纜已斷，電力線(xiàn)載波通信信道不通，末端從機(jī)岡缺電而轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)。報(bào)警終端主機(jī)每隔5s發(fā)送一組載波信號(hào)，如收不到末端從機(jī)的回答信號(hào)，可以認(rèn)為主機(jī)與從機(jī)間電力線(xiàn)路中斷。

當(dāng)電纜斷路，路燈終端負(fù)載數(shù)量產(chǎn)生變化，整條被測(cè)電纜的阻抗隨之產(chǎn)生變化，TLC3548及其外圍電路可以精確地測(cè)出其變化值，經(jīng)單片機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)阻抗值對(duì)比，即可較精確地測(cè)量出電纜斷路處距路燈控制配電柜(變壓器端)的位置。報(bào)警器主機(jī)通過(guò)RS485將警情上報(bào)給路燈控制器，然后路燈控制器經(jīng)GPRS通信模塊將報(bào)警信息上報(bào)給路燈控制中心的管理服務(wù)器，工作人員接到報(bào)警信號(hào)后，立即通知工程搶修車(chē)搶修，必要時(shí)可與110報(bào)警中心聯(lián)合行動(dòng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

電纜防盜報(bào)警器主機(jī)可同時(shí)檢測(cè)6條線(xiàn)路，每條線(xiàn)路的末端需要配備一臺(tái)從機(jī)。主機(jī)在硬件上分為顯示板與控制板兩部分。顯示板主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)，包括設(shè)置、加減、查看、確定等按鍵，以及8位LED數(shù)碼管和用于顯示電纜狀態(tài)信息的發(fā)光二極管，從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)的輸入與輸出功能。主機(jī)的控制板則包括單片機(jī)、電力載波模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC3548、時(shí)鐘電路、RS485通信接口、繼電器輸出控制、電源模塊及后備可充電電源、本地聲光報(bào)警等硬件資源，其硬件原理框圖如圖2所示，該圖為測(cè)一路電纜的情況。

主機(jī)單片機(jī)選用Microchip公司的PIC18F2520，它集成了256字節(jié)的EEPROM，帶有外接RS485的增強(qiáng)型UART接口，可很好地滿(mǎn)足主機(jī)的硬件控制需求。主機(jī)的單片機(jī)通過(guò)RS485接收到路燈控制器的關(guān)燈指令后，通過(guò)控制TLC3548選擇被測(cè)電纜，然后驅(qū)動(dòng)繼電器控制電路，圖2中的兩只繼電器接通所測(cè)電纜。與此同時(shí)，單片機(jī)通過(guò)控制電力載波模塊向電纜發(fā)射載波信號(hào)，接收從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，并查詢(xún)TLC3548所測(cè)的電纜阻抗值與標(biāo)定的阻抗標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)數(shù)據(jù)加以存儲(chǔ)。倘若主機(jī)接收不到從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，單片機(jī)立刻將警情與計(jì)算出的斷纜距離通過(guò)RS 485上報(bào)給路燈控制器，并驅(qū)動(dòng)本地聲光報(bào)警裝置。

防盜報(bào)警器從機(jī)的硬件設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要包括單片機(jī)、電力載波模塊、繼電器控制電路、電源模塊及后備可充電電源等硬件資源。當(dāng)從機(jī)接收到主機(jī)的電力載波信號(hào)后，立即發(fā)回一個(gè)“應(yīng)答”信號(hào)給報(bào)警終端，以表明被測(cè)線(xiàn)路正常。

2.1 電力載波通信控制電路設(shè)計(jì)

電力載波通信模塊選用四川科強(qiáng)公司的KQ100F，該模塊可在干擾較小的市電正弦波基波零點(diǎn)處進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，接收靈敏度較高，遠(yuǎn)傳效果顯著。

電力載波通信控制電路原理如圖3所示，KQ100F的控制端由RX、TX、R/T三個(gè)端口構(gòu)成，輸出信號(hào)全為T(mén)TL電平，TX接PIC18F2520的RB4端口發(fā)送數(shù)據(jù);RX接PIC18F2520的RB5端口接收數(shù)據(jù);R/T為接收/發(fā)送控制端，R/T為高時(shí)模塊處于接收狀態(tài)，R/T為低時(shí)處于發(fā)送狀態(tài)，由PIC18F2520的RB3端口進(jìn)行控制。

VAA端為發(fā)送功率電源，發(fā)送時(shí)電流約300 mA，為提高電力載波發(fā)送距離，使用直流穩(wěn)壓15 V電源。KQ100F的兩個(gè)AC端經(jīng)光耦與繼電器控制電路，連接市電的火線(xiàn)L和零線(xiàn)N，光耦TIL113由PIC18F2520的RA0與RA1口進(jìn)行控制通斷，火線(xiàn)與零線(xiàn)均接有保護(hù)二極管。

2.2 TLC3548模擬數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

TLC3548是TI公司的14位高分辨率串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它采用SPI串行輸入結(jié)構(gòu)，具有8通道、轉(zhuǎn)換速度快、功耗低等特點(diǎn)。TLC3548在工作溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為2.895μs，采樣率高達(dá)200 ksps，最大線(xiàn)性誤差為±1LSB。TLC3548內(nèi)部有一個(gè)片內(nèi)的8通道多路選擇器，可設(shè)置為8路單極性ADC或4路雙極性ADC。

TLC3548模擬數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示，PIC18F2520的RC2、RC3、RC4與RC5構(gòu)成SPI接口與TLC3548進(jìn)行通信。TLC3548在轉(zhuǎn)換結(jié)果結(jié)束時(shí)，EOC輸出端變?yōu)楦唠娖奖硎巨D(zhuǎn)換完成，PIC18F2520的RB0口可檢測(cè)此信號(hào)，并可輸出中斷信號(hào)給TLC3548。TLC3548使用5 V參考電壓，其BGAP引腳與模擬地間并聯(lián)0.1μF的內(nèi)部帶寬補(bǔ)償電容。TLC3548的A0～A5分別接6路電纜路燈阻值負(fù)載變化值采集通道，圖4中給出了第一路的圖例，其前端模擬信號(hào)輸入通道AIN1所測(cè)的電壓值必須有與之匹配的高精密繞線(xiàn)電阻R1，其阻值要在路燈電纜應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定，并隨著電纜路燈負(fù)載的變化重新進(jìn)行測(cè)定。路燈電纜防盜報(bào)警器主機(jī)所在的配電柜安裝有電流傳感器，TLC3548的模擬通道AIN7可采集電流傳感器輸出的0～5V信號(hào)，以判斷路燈電纜是否有電流。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 防盜報(bào)警器主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

防盜報(bào)警器的主、從機(jī)軟件采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。軟件程序的設(shè)計(jì)采用模塊化編程思想，主要包括鍵處理程序、顯爾程序、主程序、串口終端程序等。主機(jī)顯示板的鍵處理程序主要包括標(biāo)準(zhǔn)阻抗值設(shè)置、通道選擇、工作模式、載波發(fā)送周期、時(shí)鐘沒(méi)置等功能，其主機(jī)軟件流程圖如圖5所示。

如圖5所示.單片機(jī)PIC18F2520的控制程序流程如下：

首先對(duì)起始端報(bào)警器主機(jī)中各功能模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，并在路燈開(kāi)啟時(shí).分別控制繼電器J1、J2，斷開(kāi)與電纜的火線(xiàn)L、零線(xiàn)N的連接。

其次PIC18F2520通過(guò)GPRS通信模塊接收電纜的標(biāo)準(zhǔn)阻抗值A(chǔ)，并對(duì)該數(shù)值進(jìn)行更新，然后判斷是否接收到遠(yuǎn)程控制中心發(fā)出的關(guān)燈指令;如果未收到，則程序返回到初始化完成處，并等待接收關(guān)燈指令;如果PIC18F2520接收到關(guān)燈指令，即驅(qū)動(dòng)TLC3548采集電流傳感器測(cè)出電纜的電流數(shù)據(jù)，以此判斷電纜是否有電流。

若PIC18F2520判斷電纜上有電流，則通過(guò)TLC3548計(jì)算此時(shí)電纜的標(biāo)準(zhǔn)阻抗值B，并將此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)阻抗值B和電纜的無(wú)斷纜狀態(tài)經(jīng)GPRS通信模塊上傳給遠(yuǎn)程控制中心;若PIC18F2520判斷電纜上無(wú)電流，則控制繼電器J1、J2吸合，并控制電力載波通信模塊向電纜的火線(xiàn)L與零線(xiàn)N發(fā)送電力載波信號(hào)。

若PIC18F2520通過(guò)電力載波通信模塊接收到安置在電纜末端報(bào)警器從機(jī)的電力載波應(yīng)答信號(hào)，則表示電纜正常，TLC3548計(jì)算此時(shí)電纜的標(biāo)準(zhǔn)阻抗值C并進(jìn)行該數(shù)值的更新，將更新后的標(biāo)準(zhǔn)阻抗值和電纜的無(wú)斷纜狀態(tài)經(jīng)GPRS通信模塊上傳給遠(yuǎn)程控制中心;若PIC18F2520接收不到應(yīng)答信號(hào)，則認(rèn)為電纜中斷，此時(shí)PIC18F2520控制電力載波通信模塊繼續(xù)發(fā)射電力載波信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)TLC3548測(cè)量AIN1通道電壓，將得到的電壓數(shù)據(jù)換算成此時(shí)電纜的實(shí)際阻抗值D，與預(yù)先通過(guò)GPRS通信模塊接收到的電纜正常時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)阻抗值A(chǔ)進(jìn)行差值計(jì)算。PIC18F2520將計(jì)算得到的差值進(jìn)行查表程序換算，即得到電纜斷纜處距電纜起始端的準(zhǔn)確距離，然后將此距離值和報(bào)警信息經(jīng)GPRS通信模塊上傳給遠(yuǎn)程控制中心，并驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警裝置在起始端報(bào)警器主機(jī)所在位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警。管理人員接到報(bào)警信息后，可以立刻組織相關(guān)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查看、搶修或者報(bào)告警方。

3.2 防盜報(bào)警器從機(jī)軟件設(shè)計(jì)

防盜報(bào)警器從機(jī)的軟件設(shè)計(jì)功能相對(duì)簡(jiǎn)單，主要功能即循環(huán)查收主機(jī)發(fā)送的載波信號(hào)，并每5 s向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答編碼信號(hào)，并開(kāi)啟定時(shí)器計(jì)時(shí)。

此外，電力載波信號(hào)在電纜上的傳輸距離在3 km左右，倘若路燈鋪設(shè)電纜的距離超過(guò)這一上限，則需要加中繼防盜報(bào)警器。此時(shí)，中繼防盜報(bào)警器既具有主機(jī)的載波發(fā)射作用，又具有從機(jī)應(yīng)答接收載波信號(hào)的功能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的路燈電纜防盜報(bào)警器應(yīng)用于濰坊市昌樂(lè)縣遠(yuǎn)程路燈管理系統(tǒng)中。以昌樂(lè)縣孤山街為例，全街長(zhǎng)為3.12 km，雙向共有路燈396盞，實(shí)測(cè)正常阻抗值A(chǔ)為6.87 kΩ。以孤山街其中6盞路燈為例，分別在#1、#50、#100、#200、#300與#396路燈所在位置切斷電纜，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。

由表1可以看出，路燈距離報(bào)警器主機(jī)(配電柜)越近，斷纜導(dǎo)致的異常阻抗值和TLC3548模擬通道AIN1采集的電壓值變化越大。路燈電纜防盜報(bào)警器測(cè)得的斷點(diǎn)距離可精確到1 m，因而能夠較準(zhǔn)確地判斷出斷纜位置。

結(jié)語(yǔ)

基于電力載波技術(shù)和TLC3548的路燈電纜防盜報(bào)警器在實(shí)驗(yàn)中取得了預(yù)期的效果，但也存在一些需要改進(jìn)的問(wèn)題。眾所周知，不同城市與街道的路燈電纜鋪設(shè)構(gòu)造形式多樣，有的環(huán)境異常復(fù)雜，電纜通電后，存在容抗、感抗、漏電等多種情況，這都會(huì)引起TLC3548阻抗計(jì)算的誤差。因此，對(duì)照明電纜的應(yīng)用環(huán)境的實(shí)地考察顯得格外重要，要結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)技術(shù)與施工方案，必要時(shí)要加防盜中繼報(bào)警器以提高系統(tǒng)的可靠性。