专利名称：一种基于低压电力线载波通信技术的路灯控制集中器的制作方法
技术领域：
本集中器涉及电力线载波通信技术，通过微处理器进行相应数据处理实现以太网、GPRS与电力线载波网之间的通信。
背景技术：
在国内大部分的照明系统中，路灯的控制多数采用配电变压箱中的手动开关和时间继电器等自动开关相结合来实现，这样的控制方式不仅需要人力来进行监督和管理，而且也容易造成某路段上的路灯群全亮或者全暗，无法根据需要对相应路段的路灯进行单独有效的控制，造成电能的损耗和浪费。为了达到有效控制城市主干道大规模的照明路灯群，节省铺设控制线路的成本和节约电能的目的，采用电力线载波通信技术实现路灯控制是一种较好的选择。该技术使用集中器通过电力线载波对整个路灯系统进行控制。使用已有电 力线将路灯照明系统连成智能路灯控制系统，可在保证道路安全的同时节省电能，并能延长灯具寿命以及降低运行维护成本。目前的集中器一般都使用一个三相载波调制模块，当该模块出现故障以后，整个路灯系统出现瘫痪，系统的稳定性和可靠性都较差。如在申请号为200920236497. 1，申请日为2009. 09. 23的中国专利文献中，公开一种用于低压电力用户集中抄表系统的集中器，由ARM控制器，存储模块，上行通信模块，载波通信模块，三相载波调制模块，电源模块组成。其中三相载波调制模块一端与三相电力线连接，另一端与载波通信模块连接，将电力线上的信号调制解调后经过载波通信模块将数据发送给ARM控制器，同样ARM控制器将要发送的信号经过载波通信模块将信号发送给三相载波调制模块。由于使用的是一个三相载波调制模块，一旦该模块出现故障，会造成三相电路都不能正常工作，并且不能进行缺相检测，当某相电路缺相时不能及时反馈错误信息。
发明内容
本发明提供一种用于电力线载波路灯控制的集中器，解决当前三相集中器普遍采用一个三相载波调制模块来调制三相电路信号的缺陷，本发明采用三个独立的电力线载波模块进行控制三相电路，每个载波模块同时具有调制和通信的功能，各相电路上的载波通信功能相互独立，即使其中一个出现故障，也不会影响另外两相的正常通信，并且该集中器具有缺相检测功能，检测到缺相发生，立刻通知管控中心。本发明硬件结构包括微控制器单元、程序存储单元、GPRS通信单元、电力线载波模块单元、以太网通信模块单元、串口扩展单元、电源模块单元组成。GPRS通信单元与以太网通信模块单元分别连接到微控制器单元的两个串口线上。电力线载波模块单元由三个单相电力线载波模块组成，电力线载波模块一端通过串口扩展芯片连接在微控制器上，另一端连接各自对应的一个阻波器，阻波器串联在电力线上，可以阻止高频信号向不需要的方向传送，并抑制大功率负载和噪声对载波系统的影响，过滤掉不需要的信号，保证信号传输质量。电源模块使用三相供电，有效防止缺相导致集中器不能正常供电问题，电源模块设置为两种输出，线性输出和开关输出，线性输出的线性度好，稳定性好，纹波小，为PLC电力载波模块供电，能够较好的进行信号耦合；开关输出的纹波较大，但可提供较大电流，为CPU提供电源，保证集中器正常工作。其中12V的线性电源保证PLC能够较好的进行信号耦合工作。集中器工作状态中缺相检测通过过零检测实现，微控制器在预定时间内没有检测到某相载波模块的过零信号，该载波模块发送缺相报告帧，微控制器收到该缺相报告帧后，添加上该相的相位信息通过GPRS通信单元将该帧发送给管理中心，微控制器不再向该相电路发送信号，直至重新收到缺相恢复包后。微控制器收到管理中心下发的单点控制指令，在A、B、C三相电力线载波模块的三相设备表中查找该单点指令中的目的ID信息，判断是哪相载波模块控制的设备，如果是某相载波模块控制的设备，则将源ID填充为该相载波模块的ID信息，添加完头部信息后将指令从该相载波模块发送到其控制的相应设备，如果是广播控制命令，则依次添加三相载波 模块的ID信息，启用系统定时器使A、B、C三相载波模块依次相隔Is发送出去。微控制器单元采用μ C/0S-II操作系统，为GPRS上行通信模块、以太网通信模块、三相电力线载波模块创建任务，并实时等待信号量的发生，当集中器接收到管控中心的数据后，微控制器单元判断指令是发送给哪一相载波模块的，在指令中添加接收相载波模块的ID信息，将指令通过该相载波模块发送出去。当集中器接收到路灯控制器发送的数据后，对指令进行分析后通过GPRS模块或者以太网通信模块发送至管控中心。正常工作时，三相载波模块定期向集中器发送缺相恢复包，当有缺相发生时，缺相的载波模块向集中器发送缺相包，集中器接收到缺相包后，不再向该相电路发送信号，避免集中器一直向该相载波模块耦合信号，等待重新收到缺相恢复包后再向该相载波模块发送数据。
图I本发明的硬件结构2本发明的软件结构3本发明上行数据处理部分流程4本发明下行数据处理部分流程图
具体实施例方式图I为本发明路灯控制系统集中器的硬件结构图，控制系统集中器硬件结构包括微控制器、程序存储单元、GPRS通信单元、电力线载波模块单元、以太网通信模块单元、串口扩展单元、电源模块单元。电力线载波模块单元由三个单相电力线载波模块组成，实现A、B、C三相电路的载波通信，通过串口扩展芯片连接在微控制器上。微控制器与存储器、以太网控制模块之间采用数据/地址总线连接，与GPRS通信模块采用串口连接，通过以太网或无线网络与管理中心连接，接收管理中心发送的管控命令，上传本地集中器的缺相检测等工作状态。其中，以太网控制模块包括网络控制器、网络隔离变压器和RJ45网络接口，微控制器通过串口扩展芯片分别与A、B、C三相电力线载波模块控制端相连接，三相电力线载波模块输出端各自连接一个阻波器，阻波器别接入接口保护的A、B、C端串联在电力线上，阻止高频信号向不需要的方向传送，并抑制变电站对载波系统的分流影响，过滤掉不需要的信号，保证信号传输质量。微控制器采用μ C/0S-II操作系统，为GPRS通信模块、以太网通信模块、三相电力线载波模块创建任务，并实时等待信号量的发生。管理中心通过GPRS无线通信接口或以太网通信接口下发单点控制指令，在Α、B、C三相电力线载波模块的三相设备表中查找该单点指令中的目的ID (标识)信息，如果属于A相载波模块控制的设备，则将目的ID及时间戳信息填充为A相载波模块的数据包头部信息，添加完头部信息后将指令从A相载波模块发送出去，B相、C相的处理过程同A相相同。如果是广播控制命令，将分别从A相、B相、C相发送出去。三相电力线载波模块通过采集连接终端设备的信息，建立三相设备表，各相载波模块记录该相下的设备信息，该设备表中包括设备的ID信息、设备类型、设备工作状态等。当电路上有载波信号时，通过阻波器传送至电力线载波模块，经电力线载波模块调制成数字信号，载波模块对数字信号校验成功后，通过串口扩展芯片将数字信号发送至 微控制器，微控制器分析处理后经GPRS模块或者以太网模块发送至管控中心。本实施例中可选择如下部件，串口扩展芯片采用GM8142串口扩展芯片，CPU与电力线载波模块通过GM8142串口扩展芯片相连接。CPU采用美国ATMEL公司出产的型号为AT91R40008的32位微处理器，这款处理器具有高性能的32位RISC结构和16位指令集，主频最高达到O. 9 MIPS/MHz，片内外资源丰富，外部含有完全可编程的外部总线接口，三个16位的定时/计数器模块、两个USART全双工的通用同步/异步接收器模块、32个32位可编程I/O模块(P0-P31)、看门狗模块和PS (Power-saving)功耗管理模块等。电源模块使用三相供电，有效防止缺相导致集中器不能正常供电问题，电源模块有两种输出，线性输出和开关输出，线性输出的线性度好，稳定性好，纹波小，为PLC电力线载波模块供电，能够较好的进行发送信号耦合和接收信号采样；开关输出的纹波较大，但可提供较大电流，为CPU、GPRS等提供电源，保证集中器正常工作。图2为电力线载波路灯控制系统集中器的软件结构图。采用μC/0S-II操作系统为集中器提供调度、管理的功能；采用底层驱动模块实现各硬件模块对嵌入式操作系统的支持，使之更好的运行于集中器之上；采用网络协议栈模块进行解析、处理和封装数据包的功能；采用GPRS无线通信模块和以太网通信模块实现集中器的上行通信功能；采用电力载波通信模块实现集中器的下行通信功能。缺相检测通过过零检测实现，载波模块正常工作时会定期发送过零信号，微控制器在预定时间内没有检测到某相载波模块的过零信号就认为发生了缺相，该载波模块发送缺相报告帧，微控制器收到该缺相报告帧后，添加上该相的相位信息通过上行通信模块将该帧发送给管控中心，并且微控制器不再向该相电路发送信号，避免集中器一直向该相载波模块耦合信号，等待重新收到缺相恢复包后再向该相载波模块发送数据。微控制器完成系统及载波性能测试任务，主要测试终端设备的信号强度、丢包率及整个系统的连通状况，将上述状态存入相应的载波模块。集中器收到管控中心的测试指令后，发送测试命令给终端控制器，并实时记录测试信息，直到接收到管控中心发送的结束测试指令后停止发送测试命令，并将测试结果发送至管控中心。图3为集中器接收终端发送数据的处理流程图。首先是完成串口初始化过程，等待载波模块接收完数据后，将接收到的数据存放在建立好的信号量里，同时CPU创建一个载波模块接收信息处理任务，等待有新的信号量发生，将数据从信号量里取出，并分析数据类型后直接通过GPRS发送至管控中心，或者经过通过TCP/IP协议栈封装成以太网数据经以太网接口发送至管理中心。图4为集中器接收管控中心指令的处理流程图。如果从GPRS无线通信接口接收到数据，直接对数据解析，先经TCP/IP协议栈取出数据部分再进行解析，判断数据类型如果为校时命令，则对集中器实时时钟芯片进行校时操作。如果不是校时命令，判断命令是否发送给集中器上A/B/C相载波模块，如果是则直接发送至各个载波模块，否则判断是否是发送给终端控制器的单点控制指令，如果是，进一步判断数据是单播数据还是广播数据，如果是单点控制指令则查找目的ID属于哪一相位下的设备，将该相相位的ID信息及时间戳信息添加到数据包头部，再发送至该相载波模块。如果是广播控制命令，由于三相载波载波模块公用同一根零线，为防止通信过程中三相电力线信道间的相互干扰，同时也防止三个载波模块同时耦合消耗过大功率造成集中器工作异常，要求三个载波模块不能同时发送指令，假如载波通信频率为2. 4Kbps (2. 4Kbit/s)，指令最长为300个字节即2400bit，由此可得到载波模块发送指令所需最长时间为ls，通过启用系统定时器使A、B、C三相载波模块依次相隔Is发送出去。 本发明经三个单相电力线载波模块对三相路灯进行控制，并将路灯回复的数据通过GPRS通信模块或者以太网通信模块返回到管理中心；三个单相电力线载波模块都具有掉电检测功能，从而实现三相电缺相检测，并通过GPRS或以太网通信方式将缺相信息及时发送至管理中心，增强了集中器下行通信的可靠性和提高了路灯控制系统的可靠性。
权利要求
1.一种低压电力线载波路灯控制集中器，其特征在于，该集中器包括微控制器、存储单元、A、B、C三相电力线载波模块、GPRS通信单元、以太网通信模块、串口扩展单元、电源模块，微控制器通过串口扩展芯片分别与A、B、C三相电力线载波模块控制端相连接，三相电力线载波模块输出端各自连接一个阻波器，阻波器分别接入接口保护的A、B、C端串联在电力线上，微控制器与存储器、以太网控制模块之间通过数据/地址总线连接，与GPRS通信单元通过串口实现数据交换，通过以太网通信接口或GPRS通信单元与管理中心连接，接收管理中心发送的管控命令，上传集中器的工作状态。
2.根据权利要求I所述的低压电力线载波路灯控制集中器，其特征在于，集中器工作状态中缺相检测通过过零检测实现，微控制器在预定时间内没有检测到某相载波模块的过零信号，该相载波模块发送缺相报告巾贞，微控制器收到该缺相报告巾贞后，添加上该相的相位信息通过GPRS通信单元或以太网通信接口将该帧发送给管理中心，微控制器不再向该相电路发送信号，直至重新收到该相载波模块发送的缺相恢复包后。
3.根据权利要求I所述的低压电力线载波路灯控制集中器，其特征在于，微控制器收到管理中心下发的单点控制指令，在A、B、C三相电力线载波模块的三相设备表中查找该单点指令中的目的ID信息，判断是哪相载波模块控制的设备，如果是某相载波模块控制的设备，则将目的ID、源ID及时间戳信息填充为数据包头部信息，添加完头部信息后将指令从该相载波模块发送到其控制的相应设备，对其他两相做相同的处理，如果是广播控制命令，由微控制器统一调度，启用系统定时器使得A、B、C三相载波模块依次相隔Is发送广播控制命令。
全文摘要
本发明涉及一种基于低压电力线载波技术的路灯控制集中器，它采用嵌入式设计，将嵌入式微控制器技术、电力线载波技术、GPRS无线通信技术等功能集成于一体，可以通过GPRS通信模块或者以太网通信模块接收管理中心下发的控制指令，经三个单相电力线载波模块分别实现对三相路灯控制，并将路灯回复的数据通过GPRS通信模块或者以太网通信模块返回到管理中心；三个单相电力线载波模块都具有掉电检测功能，从而实现三相电缺相检测，并通过GPRS或以太网通信方式将缺相信息及时发送至管理中心，增强了集中器下行通信和路灯控制系统的可靠性。该集中器操作简单，使用方便，在电力系统路灯控制技术领域里具有广泛地实用价值和应用前景。
文档编号H04B3/54GK102833919SQ20121032371
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月5日 优先权日2012年9月5日
发明者向敏, 王平, 王慧鑫, 王立民, 赵星宇, 吕霞付, 冉景海 申请人:重庆邮电大学