一种基于OFDM技术适用于高压钠灯的智能单灯控制器的制作方法

本实用新型涉及路灯控制装置，尤其是一种基于OFDM技术适用于高压钠灯的智能单灯控制器，属于物联网技术领域。

背景技术：

当前路灯领域的信息化系统主要是对线路管理的三遥系统，这种系统不能实现节能，也不能实现精细化的管理。为了实现路灯节能，现目前通过增加单独回路来实现隔一盏亮一盏，这种方式虽然实现了节能，但不能满足道路照明均匀度的要求，还会额外增加线路的建设成本和维护成本。通过采用变功率镇流器方案虽然也能对单灯进行功率调整实现节能，但这种方案只能简单的定时调整，使用不灵活方便，不能与平台进行连接，不能改变管理现状，也没有得到大多数客户的认可。为了解决上述问题，单灯监控作为路灯领域的第三代产品已出现。当前单灯产品主要分为两大类，即基于ZigBee技术和电力载波技术的产品。在路灯应用领域，ZigBee存在同频及业务密集干扰等，通信可靠性不高的问题，因此不能被大多数用户所接受。而电力载波是利用现有的路灯线路进行数据传输，是一种理想的通信方式。但目前的电力载波普遍采用基于FSK的调制方式，其存在抗干扰弱，速度极慢（300bps~600bps），且没有完整的协议栈等弊端的缺陷，只能实现单工通信，因此用户体验较差，难以得到大量推广。此外，现目前绝大部分的控制器主要是针对LED的应用，对LED可以进行调光实现节能，但是这种控制器在高压钠灯上应用时，就只能进行关断节能，不能对功率进行调整。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本实用新型的主要目的在于解决现目前在控制高压钠灯时不能对功率进行调制，从而难以满足节能需求的问题，而提供一种能够实现功率调整的基于OFDM技术适用于高压钠灯的智能单灯控制器。

本实用新型的技术方案：一种基于OFDM技术适用于高压钠灯的智能单灯控制器，其特征在于，包括连接在火线和零线之间的AC-DC模块，所述火线和零线还分别与耦合变压器相连，所述耦合变压器与模拟前端芯片连接，所述模拟前端芯片通过SPI接口与DSP芯片相连，所述DSP芯片通过串口与单片机连接，所述单片机的型号为MSP430；所述单片机还通过串口与计量模块相连，在单片机的I2C接口上连接有存储芯片，单片机上的一个IO接口与第一继电器驱动电路相连，单片机上的另一个IO接口与第二继电器驱动电路相连，所述第一继电器驱动电路和第二继电器驱动电路均与变功率镇流器相连。

优化地，所述变功率镇流器包括触发器，所述触发器与电感L1、继电器开关K2的A触点串联后形成回路，所述继电器开关K2的B触点与继电器开关K1的金属拨片相连，所述继电器开关K2的D触点连接在电感L3的一端，继电器开关K2的C触点连接在电感L3的另一端，所述电感L3的另一端还与电感L2的一端相连，电感L2的另一端连接在电感L1与继电器开关K2的A触点之间，在所述触发器两端还并联有电压保护装置。

一种如上所述的基于OFDM技术适用于高压钠灯的智能单灯控制器的控制方法，其特征在于，单片机根据其内部嵌入的SYS/BIOS操作系统来实现任务调度，并同时进行如下步骤：

1）单片机向DSP芯片发送任务调度数据，DSP芯片通过G3协议栈对任务数据进行协议封装处理后，向模拟前端芯片发送调制的数字信号，模拟前端芯片将数字信号放大后发送给耦合变压器，耦合变压器将接收到的数字信号发送到火线上，同时耦合变压器从火线上接收电力载波数据，耦合变压器将接收到的电力载波数据反馈给模拟前端芯片后，由模拟前端芯片对接收到的数据进行滤波处理并转换成数字信号，然后发送给DSP芯片，所述DSP芯片再将转换成数字信号的电力载波数据发送给单片机；

2）单片机通过串口与计量模块连接，并通过计量模块采集电压、电流和功率参数；

3）单片机通过I2C接口与存储芯片连接，并通过存储芯片存储系统配置参数和电气参数；

4）单片机通过IO接口分别与第一继电器驱动电路和第二继电器驱动电路连接，并通过控制第一继电器驱动电路和第二继电器驱动电路的跳转，控制变功率镇流器的功率调制。

优化地，所述电力载波数据采用OFDM调制的电力载波通信，所述电力载波数据采用G3协议栈作为电力载波协议栈。在G3协议栈基础之上采用TCP/IP构建网络层和传输层，并再在TCP/IP基础之上定义应用层，实现完整的协议栈。所述完整的协议栈包括物理层、MAC层、网络层、传输层和应用层。所述OFDM调制的电力载波通信带宽为10KHz~90KHz，速率为46kbps。

本实用新型针对高压钠灯的应用，主要解决两个问题，即采用新的电力载波技术和优化的功率调整。电力载波通信采用OFDM调制技术，带宽为10KHz~90KHz，速率高达46kbps；电力载波协议栈采用G3协议栈，实现真正的双工通信；采用802.11中的MESH技术实现快速组网，并能适用于复杂的网络结构；对电力载波数据采用AES技术进行加密。对钠灯进行两级功率调整，即当电压高于标称值（220V）时，进行第一级功率调整，使功率稳定在额定功率范围内，在车少人稀的后半夜，进行第二级功率调整，降低一半的功率运行。此外，变功率的新型连接方法也能降低变功率的材料消耗。

相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型针对高压钠灯的应用，采用了电力载波技术和优化的功率调整。其电力载波通信采用OFDM调制技术，带宽为10KHz~90KHz，速率高达46kbps；电力载波协议栈采用G3协议栈，实现真正的双工通信；同时采用802.11中的MESH技术实现快速组网，并能适用于复杂的网络结构，还对电力载波数据采用AES技术进行加密，保障了设备的安全性和可靠性。

2、本实用新型中对钠灯进行了两级功率调整，即当电压高于标称值（220V）时，进行第一级功率调整，使功率稳定在额定功率范围内，在车少人稀的后半夜，进行第二级功率调整，降低一半的功率运行，具有很好的功率调节效果，同时还能降低变功率的材料消耗。

附图说明

图1为本实用新型基于OFDM技术适用于高压钠灯的智能单灯控制器的结构示意图。

图2为本实用新型中变功率镇流器的接线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种基于OFDM技术适用于高压钠灯的智能单灯控制器，它包括连接在火线和零线之间的AC-DC模块，所述火线和零线还分别与耦合变压器相连，所述耦合变压器与模拟前端芯片双工通信连接，所述模拟前端芯片通过SPI接口与DSP芯片相连，所述DSP芯片通过串口与单片机连接，所述单片机的型号为MSP430；所述单片机还通过串口与计量模块相连，在单片机的I2C接口上连接有存储芯片，单片机上的一个IO接口与第一继电器驱动电路相连，单片机上的另一个IO接口与第二继电器驱动电路相连，所述第一继电器驱动电路和第二继电器驱动电路均与变功率镇流器相连。

本实用新型中，火线和零线与AC-DC模块连接，AC-DC模块将交流变成直流，并为各个芯片提供所需的电源，这里AC-DC模块与各个模块之间的连接属于现有技术，因此在此不详细描述。接线时，火线和零线还与电力载波模拟前端芯片连接，即模拟前端芯片从DSP芯片接收到已调制好的数字信号并进行放大，将需要发送的数据通过耦合变压器发送到火线上；同时，模拟前端芯片通过耦合变压器接收火线上的电力载波数据，对接收到的电力载波数据进行滤波等相关处理并转换成数字信号反馈给DSP芯片，DSP芯片再发送给单片机。

本实用新型中，DSP芯片（其型号可以为TMS320F28069、TMS320F28PLC84等）通过SPI接口与模拟前端芯片进行连接。DSP芯片（其型号可以为TMS320F28069、TMS320F28PLC84等）实现OFDM调制技术和电力载波的协议栈。OFDM调制的通信带宽为10KHz~90KHz，速率可以高达46kbps。电力载波的协议栈采用完整的G3协议栈，它能够实现真正的双工通信。这里的MSP430单片机用于整个产品的核心控制，单片机通过串口与DSP芯片连接，实现数据的发送和接收。MSP430单片机通过串口与计量模块连接，实现电压、电流、功率等参数的采集。MSP430单片机通过I2C接口与存储芯片连接，实现系统配置参数和电气参数的存储。MSP430单片机通过IO接口分别与第一继电器驱动电路和第二继电器驱动电路连接，用于控制继电器的跳转，从而控制功率的调制。

参见图2，所述变功率镇流器包括触发器，所述触发器与电感L1、继电器开关K2的A触点串联后形成回路，所述继电器开关K2的B触点与继电器开关K1的金属拨片相连，所述继电器开关K2的D触点连接在电感L3的一端，继电器开关K2的C触点连接在电感L3的另一端，所述电感L3的另一端还与电感L2的一端相连，电感L2的另一端连接在电感L1与继电器开关K2的A触点之间，在所述触发器两端还并联有电压保护装置。

在进行变功率镇流器的功率调制时，两个继电器驱动电路分别控制不同的继电器，从而实现第一级功率调整和第二级功率调整。其工作原理如下：单片机检测到电压高于标称值时，单片机向第一继电器驱动电路发送开信号，继电器开关就连接到开的触点，这样实现第一级功率的调制。当电压恢复到正常值时，单片机向第一继电器驱动电路发送关信号，继电器开关就连接到关的触点，这样就恢复标称功率运行。存储芯片存有降功率的时间表，单片机读取降功率运行的时间表，如果当前时间已经进入降功率运行时间，则单片机向第二继电器驱动电路发送开信号，继电器就连接到开的触点，这样实现第二级功率的调整。如果当前时间未进入降功率运行时间，则单片机向第二继电器驱动电路发送关信号，继电器就连接到关的触点，退出第二级功率调整。单片机周期性（间隔30分钟或者60分钟）的上传采集到的电气参数。单片机通过采集到的电气参数进行故障分析，如果有故障，则将告警信息上传到平台。下面结合图2进行说明：图2中L1为标称功率的电感，即250W或者400W对应的标称电感。L2为第一级功率调整的电感。L2+L3为第二级功率调整的电感，第二级功率调整共用了第一级功率调整的电感，这种设计方式具有最小的材料消耗，也是工艺上最简单的方式。当K2继电器连接到A触点时，则按照标称功率运行。当电压过高时，则K2继电器连接到B触点，K1继电器连接到C触点，进行第一级功率调整。当电压正常时，则当K2继电器连接到A触点时，恢复标称功率运行。在车少人稀的后半夜， K2继电器连接到B触点，K1继电器连接到D触点，进行第二级功率调整。

本实用新型的控制器在工作时，采用如下的控制方法，单片机根据其内部嵌入的SYS/BIOS操作系统来实现任务调度，基于SYS/BIOS的队列、邮箱、事件、中断及信号来进行数据的交换和多任务之间的调度。在SYS/BIOS任务调度基础之上，采用不同的任务实现不同的应用功能，诸如节能运行、电气参数采集、故障判断、电力载波的发送和接收等，各个任务实现具体的业务处理，通过SYS/BIOS来实现任务调度，各个任务之间通过中断、事件、邮箱等进行同步和数据交换。发送的数据通过完整协议栈进行协议封装处理后，发送到电缆上。从电缆上接收到的数据通过完整协议栈进行协议解析处理后，进行后续业务处理。SYS/BIOS操作系统在工作时，同时进行如下步骤：

1）单片机向DSP芯片发送任务调度数据，DSP芯片通过G3协议栈对任务数据进行协议封装处理后，向模拟前端芯片发送调制的数字信号，模拟前端芯片将数字信号放大后发送给耦合变压器，耦合变压器将接收到的数字信号发送到火线上，同时耦合变压器从火线上接收电力载波数据，耦合变压器将接收到的电力载波数据反馈给模拟前端芯片后，由模拟前端芯片对接收到的数据进行滤波处理并转换成数字信号，然后发送给DSP芯片，所述DSP芯片再将转换成数字信号的电力载波数据发送给单片机；

2）单片机通过串口与计量模块连接，并通过计量模块采集电压、电流和功率参数；

3）单片机通过I2C接口与存储芯片连接，并通过存储芯片存储系统配置参数和电气参数；

4）单片机通过IO接口分别与第一继电器驱动电路和第二继电器驱动电路连接，并通过控制第一继电器驱动电路和第二继电器驱动电路的跳转，控制变功率镇流器的功率调制。

本实用新型中，所述电力载波数据采用OFDM调制的电力载波通信，所述电力载波数据采用G3协议栈作为电力载波协议栈。在G3协议栈基础之上采用TCP/IP构建网络层和传输层，并再在TCP/IP基础之上定义应用层，实现完整的协议栈。所述完整的协议栈包括物理层、MAC层、网络层、传输层和应用层。所述OFDM调制的电力载波通信带宽为10KHz~90KHz，速率为46kbps。在G3协议栈中，物理层、低MAC层和6LoWPAN层构成了G3协议栈，其中低MAC层和6LoWPAN层构成MAC层。采用IPv6实现汇聚，实现具体的网络层功能，采用UDP和ICMP来实现具体的传输层功能，最上层为应用层协议。物理层实现OFDM调制技术和编码等，子带可以采用DBPSK、DQPSK、D8PSK等，编码采用前向纠错编码技术。MAC层主要实现总线竞争、组网等功能，总线竞争采用CSMA-CA技术，组网采用MESH组网技术。网络层和传输层采用标准的TCP/IP技术，使用开源的lwIP进行移植，针对路灯应用情况以及简化协议栈，只实现IPv6、UDP、ICMP，TCP等不再实现。应用层主要实现针对路灯应用的协议，应用协议要求使用灵活，便于扩展。

在应用协议中设置了消息头和消息体，消息体主要包括地址段、数据段和CRC。地址段包括地址总长和地址TLV，通过地址总长和地址TLV就可以包括多个地址。TLV是具体的地址数据，即T为Tag，表示地址的标签，用来区别不同的设备和不同的地址类型，如“NT01”表示单个钠灯，“ET01”表示单个LED灯，“NT99”表示所有钠灯；L表示地址的长度；V表示具体的地址数据。数据段包括数据总长和数据TLV，通过数据总长和数据TLV就可以包括多个数据，比如可以同时传输电压、电流、功率等电气参数，也可以只传部分，这样就非常灵活，并且非常容易扩展。扩展不同的参数时，只需要增加不同的TLV就可以了，数据TLV和地址TLV类似，这里不再进行描述。

本实用新型采用OFDM调制技术实现电力载波通信，在10KHz~90KHz范围内，通信速率高达46Kbps，实现完整的通信协议栈，实现真正的双工通信。本实用新型产品对钠灯进行最优的两级功率调整，节能效果高达40%以上。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本实用新型作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本实用新型技术方案进行的修改或者等同替换，不能脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本实用新型权利要求范围当中。