一种公园游客导引系统的制作方法

本发明涉及一种公园游客导引系统，包含园区布控器和各景点布控器，采用电力线通信方法，向电网周波电压过0区特定点发送宽脉冲信号产生突变电流，作为信号的位取值，园区布控器接收各景点布控器采集的数据，并通过无线路由器接入4g移动无线通信网络，从而无论身在何处都可使用手机、电脑和手持移动设备实现无线联网。

(二)

背景技术：

当前电力线通信主要指电力线载波通信和双向工频通信。电力线载波通信plc利用现有电力线通过载波方式传输信号。但是配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，同时在三相电力线间传送又有很大信号损失，所以电力载波信号只能在一个配电变压器台区内传送，并且只能在单相电力线上传输。实际应用中，电力线空载时点对点载波信号可传输到几公里，但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米，因此目前电力线载波通信只应用在远程抄表上，还需配合其它通信手段。

双向工频通信twacs利用在工频电压基波过零区加入调制信号，用这一区域的电压或电流波形的畸变信号携带信息。twacs系统设备只存在于变电站和用户端。其中由变电站向用户端传输的通道为输出通道，利用电压波形的调制携带信息，由用户端向变电站传输的通道为输入通道，利用电流波形的变化传输信息。其收发信号均通过耦合变压器与电力网交联。

twacs信号的检测主要是基于时域差分技术，这些方法大都数据处理复杂，实时性差，设备成本高，需要采集多个周波大量的信号比较并分别进行a/d转换，再进行复杂计算，才能确定该信号位是“1”还是“0”，由于计算的严谨性，干扰信号会严重影响所检测信号的判定结果，因此原有方法很难在我国应用。

本发明设置时钟计时器和同步计时器，其同步计时器及周波信号的真假判定甄别参考本人2016年相关专利。

(三)

技术实现要素：

电力线双向工频通信是当调制电路的可控硅在过零点前30°触发导通时,通过隔离变压器产生调制信号，使电网周波发生短路畸变，其输出调制信号的频率在200～600hz范围变化，接收端通过对多组周波畸变信号的采集、a/d转换和一系列计算解调出有用信息。但是我国电力网采用中性点不接地或小电流接地系统，用电情况复杂，电力线双向工频通信在我国很难得到实际应用。

本发明涉及一种公园游客导引系统。公园地盘大景点多布局复杂，游客易迷失方向造成许多不便。在公园的每个园区设置园区布控器，园区内各具体景点安装景点布控器，并按国家标准安装三孔插座供景点布控器使用。园区布控器与各景点布控器采用电力线通信，例如动物园区包含各种动物的景点，花卉园区包含各种奇花异草的景点等等，采用电力线通信减少布线工程。由各景区服务员将景点位置编号和具体名称输入到景点布控器，并经电力线通信上传至园区布控器进行编辑整理和公布，采用电力线通信减少布线工程。

公园平面图包含名称、编号及园区内各景点名称、编号，其编号便于位置记忆，平面图可以帮助游客迅速找到所需参观位置。游客从公园的官网下载手机app软件，可随时了解公园新景点。园区布控器中的微控制器通过串口与4g无线路由器通信，并通过4g无线路由器接入移动无线通信网络。采用4g高速无线网络作为数据承载网络，可实现公园平台和各园区布控器之间的安全高速的无线连接，游客无论身在何处都可使用手机app、电脑和手持移动设备了解公园景点的详细信息，遇到问题还可以获得电脑语音提示。

采用的电力线通信是通过对电网周波电压的设定的信号发送点和信号接收点的精确定位，在设定的信号发送点发送通信用正极或负极的一个矩形宽脉冲从而产生突变电流，该电流在配电变压器的短路阻抗上引起一个电压降叠加于电网电压波形上，从而完成一次信号调制过程，接收端在电网周波电压的设定的信号接收点解调信号；所述一个正极宽脉冲是指脉冲的高电平部分即从0到高再回到0。因为仅发送单个矩形波宽脉冲对电网影响很小，并且结构简单信号检出率高。系统的微控制器用stc15f2k60s，采用外部晶振，频率35mhz，通信程序用汇编语言编写，以减少通信指令占用时间。或采用其它型号高速微控制器。

信号收发位置的设置：在电网周波正半周的电压过0处设置过0电压比较器，在电网周波正半周的电压21v—40v之间的一个设定周波电压位置设置信号电压比较器。这样，信号电压比较器的输出在一个周波正半周的设定周波电压的两个位置实现翻转。在周波正半周上升段的所述设定周波电压的位置作为第一信号位置，其设定信号收发点的周波电压位置称为第一信号设定点，在周波正半周下降段的所述设定周波电压的位置作为第二信号位置，其设定信号收发点的周波电压位置称为第二信号设定点。微控制器stc15f2k60s可以设置外部中断为上升沿触发或下降沿触发，当过0电压比较器和信号电压比较器在电网周波正半周的上升段或下降段产生翻转触发中断后均改变中断触发方式，或且由不同的中断源产生中断。

信号收发所具备的条件：所述过0电压比较器和信号电压比较器均采用ns级的高速电压比较器。采用高速微控制器和高速电压比较器可以减小翻转和触发中断的时间误差，并有足够高的检测翻转触发中断时间的分辨率，配合信号的位擦除和同步计时器的技术手段提高了电网周波携带信息的检出率。通过ns级的高速电源控制开关依据信号需传送的距离经试验确定将所发送的正35v至60v之间的一个设定矩形波宽脉冲电压加载于电网周波上的信号发送点，该矩形波宽脉冲电压比被加载的电网周波位置的电压高。依据信号需传送的距离经试验确定矩形波宽脉冲电压的宽度为0.3ms～0.5ms，能提供信号电流1a—20a。使周波电压在该信号位置的时间发生移位，从而使接收端的高速电压比较器在信号接收点未翻转，作为信号中的位(bit)取“0”发送，否则为信号中的位(bit)取“1”发送。因此仅当信号中的位取值使信号电压比较器在信号接收点应当翻转，由于干扰不发生翻转才有被干扰作用。

信号接收端设置：信号接收端由双电压比较器、高速控制开关和信号电压比较器构成，电网周波经电阻分压后与双电压比较器输入端相接，双电压比较器设置由高门限电压和低门限电压的门限范围构成的低电压窗口区。在微控制器控制下，当输入的周波电压落在双电压比较器设置的低电压窗口区时，使高速控制开关处于接通状态，信号电压比较器直接在周波电压的信号接收位置接收信号和测量周波时间参数，确定所接收的信号是否在设定的信号接收点误差范围内，在低电压窗口区以外使高速控制开关处于关断状态。因此，电网周波电压经高速控制开关控制，仅在周波正半周的两个低电压窗口区直接经调理滤波后接至信号电压比较器输入端，滤除高频干扰通过工频基波信号再解调通信信号，隔离了电网周波高电压，降低了由分压电路所造成的误差。双电压比较器设置低电压窗口区时，需保证第一信号位置和第二信号位置始终落在该低电压窗口区内。

信号中位取值的擦除和重发：在发送端发送信号期间，当高速电源控制开关打开后，发送端所发送的信号同时被接收端的信号电压比较器接收，如果接收的位取值信息与发送的位取值信息不同，则接着发送该位的擦除信号。每一帧信息中每一数据位均可擦除重发，采用控制位收发擦除信号，如果连续两次擦除不成功，即发送擦除帧的信号，从而提高了信号检出率。只有当被擦除位的数量超过设定值时，才擦除和重发信息帧。

信息帧生成：所述位均为二进制位。每个信息帧由起始位、地址或数据位、结束位组成。起始位和结束位每位占用一个周期，地址或数据位共8位，每位占用二个周期。位取值以信号电压比较器在信号接收点未翻转为发送位信号“0”，翻转为发送位信号“1”。微控制器在收发过程中记录有效地址或数据位数和擦除过程所占用的位数，其中有效地址或数据位数达到设定8位数时即表明地址或数据位传送结束。各地址或数据位的第一信号设定点发送位信号“1”或“0”时，第二周期发送的位信号“1”或“0”与第一周期相反，其两种组合“1”、“0”和“0”、“1”作为位信号两个不同取值。第二周期的第二信号设定点为确认或擦除第一信号设定点发送的信息，发送“1”为确认,发送“0”为擦除。起始位中信号电压比较器在第一信号设定点发送“0”为开始发送,在第二信号设定点发送“0”为发送地址帧,发送“1”为数据帧。结束位在第一信号设定点以发送“1”结束，第二信号设定点不用。

信号收发位置误差的补偿：我国正弦交流电电网频率为50hz，电压有效值为220v，其瞬时电压u由下式计算：

u＝umsin100πt；.........................................1

式中：um为我国电网电压峰值

如图1所示，系统以周波正半周上升段的电压过0处为时间起点到第一信号设定点的时间间隔为标称值tm1；周波正半周上升段的电压过0处为时间起点到第二信号设定点的时间间隔为标称值tm2。所述tm1和tm2由1式计算得到，式中u为设定周波电压。

同时测量过0电压比较器在周波正半周上升段的过0翻转时的时间为时间起点到信号电压比较器在第一信号位置翻转时的时间间隔的实时测量值tc1；该过0翻转时间为时间起点到信号电压比较器在第二信号位置翻转时的时间间隔的实时测量值tc2；信号电压比较器在第二信号位置翻转时到过0电压比较器在周波正半周下降段的过0翻转时的时间间隔的实时测量值tc3；过0电压比较器在两个相邻周波的周波正半周上升段的过0翻转时的时间间隔为周波周期实时测量值tzu。

由于电网过0误差表现为过0点的左右抖动，但收发端同步过0并均以过0翻转为基准测量周波时间参数，过0抖动对测量周波时间参数影响很小，因此忽略过0电压比较器过0翻转及中断误差。当检测到的周波及其相邻的两个周波均为真，同时检测到的周波周期实时测量值tzu在20ms及其误差范围时，测量该周波以过0电压比较器在周波正半周上升段的过0翻转时为时间起点到信号电压比较器在第一信号位置翻转时的时间间隔的基准值tc01和该过0翻转为时间起点到信号电压比较器在第二信号位置翻转时的时间间隔的基准值tc02，保存30至50中的一个设定个数的连续tc01和tc02并计算所保存的tc01的平均值tp1和所保存的tc02的平均值tp2,将tp1和tp2保存在相应的存储单元中。

则信号电压比较器翻转时间的误差补偿值tb由下式确定：

tb＝{(tm2－tm1)－(tp2－tp1)}÷2；..................2

将tb保存。tb为正时说明实际信号收发点的位置偏高。

上述所述的测量，其中tc1或tc01是以过0电压比较器和信号电压比较器在周波正半周过0位置和信号位置的翻转时间为基准，但实际测量是以电压比较器翻转触发中断后的计时器的计时时间为基准，这样，当过0电压比较器在周波正半周上升段的过0翻转后触发中断并起动计时器的过程，存在指令执行时间，它需加到所述测量的计时时间中；同时，所述测量的计时时间需减去在第一信号位置翻转后的触发中断并读计时器的过程的指令执行时间。其中翻转后触发中断还需包含翻转后微控制器正在执行的一条指令的执行时间，它会推迟中断发生，微控制器stc15f2k60s是1t的单片机，该条指令时间容易得出。在第二信号位置测量tc2或tc02与此相似，测量tc3时也是与上述相似。

周波真伪的判定：将tc1与tp1；tc2与tp2；tzu与20ms分别作比较，如果均分别在其允许的周波误差范围内，则检测到的该周波信号为真，否则有一项比较超差则检测到的周波信号为假。不在通信期间和在通信期间的所述tc1与tp1；tc2与tp2分别作比较时分别设置不同的周波误差范围，由于通信期间第一信号位置和第二信号位置被移位，而取较大的周波误差范围。

系统设置时钟计时器和同步计时器，其中同步计时器保存每个周波周期用20ms计算的周波周期累计值作为同步时间。上述判定周波信号为真时，保存tzu并取20ms与同步计时器计时时间相加，将相加的值回存入同步计时器中，如果检测到的周波信号为假，则将周波信号为假期间的计时时间与20ms乘以为假期间的周波数的积比较，如果在误差范围内，取20ms乘以为假期间的周波数的积与同步计时器计时时间相加，当重新检测到周波信号为真时同步计时时间得到准确纠正，否则用周波信号为假期间的计时时间与同步计时器计时时间相加。由于电力系统频率偏差允许值为0.2hz，一般运行时为±0.1hz，当所述比较误差超过6ms时，说明电网发生了较大故障。

信号收发的同步：通信是在同步时间控制下实现。每一次通信传送多个信息帧，每次通信的开始时间采用同步时间，均为预置或由园区布控器指令约定，根据电网质量和信号结构需要每一帧信息中的数据位占用1个至多个的设定字节数，电网质量好取较大的设定字节数。每一帧通信结束后留有两个周波周期的时钟计时器时间，用于更新tc1、tc2和tc3。从下一周波开始下一帧的通信，如果在一帧通信中检测到周波信号为假，重发该信息帧。

通信信息的收发端通过每一帧信息的起始位、结束位实现通信中的周波按序同步接续。园区布控器或景点布控器在所述两个帧的通信时间间隙，分别测量和存储tc1、tc2和tc3，并分别计算两个实时测量值tc1的平均值tk1、tc2的平均值tk2和tc3的平均值tk3，并分别存入两组存储单元，即tc1、tc2和tc3的存储单元和tk1、tk2和tk3存储单元，当从存储单元取出tk1、tk2和tk3后清零两组存储单元。所述存储单元可存放16个实时测量值tc1、tc2和tc3。不在通信期间，分别测量连续的16个实时测量值tc1、tc2和tc3，如果甄别到周波信号为假，则清零所述tc1、tc2和tc3的各自存储单元，在甄别到周波信号为真时继续测量和存储，存满时每存入一个tc1、tc2和tc3，均先移除最先存入的一个tc1、tc2和tc3，同时按2至15中的一个设定取出数，取出最后存入一组的tc1、tc2和tc3，当电网质量差时选较小设定取出数，计算所取出的每一组的tc1的平均值tk1、tc2的平均值tk2和tc3的平均值tk3并替换原先保存的tk1、tk2和tk3，采用平均值tk1、tk2和tk3降低电网电压和频率波动的影响。

发送信号时间的确定：通信是在电网的一个变压器台区内的单相的相线上实施，并按同步计时器时间预先约定开始通信时间。通信时先由园区布控器广播带地址信息的握手信号，当园区布控器要求某个景点布控器向园区布控器反馈信息时，该景点布控器才向园区布控器发送信息。园区布控器或景点布控器在预先约定的通信同步时间收发信息之前，必须甄别出连续的不少于16个的电网周波，即实时测量存储单元中存有不少于16个的tc1、tc2和tc3，如果未检测到连续的16个的tc1、tc2和tc3则依序延时直到检测到16个为止。发送端从存储单元中取出tk1、tk2和tk3的值分别加上tb，得到带误差补偿的第一信号实际收发点td1和第二信号实际发送点td2：

td1＝tk1－tb；................................................3

td2＝tk2+tb；................................................4

带误差补偿的第二信号实际接收点td3：

td3＝tk3－tb；................................................5

保存td1、td2和td3在各自存储单元中。发送每一帧信息后tk1、tk2和tk3都被更新。

发送信号时，微控制器分别用td1和td2作为开关信号定时器的定时时间中点并依所采用的矩形波宽脉冲电压高低取一定的偏移量，再以矩形波宽脉冲的宽度时间作为开关信号定时器的计时长度，容易计算出高速电源控制开关接通时间点，即用于td1点发送矩形波宽脉冲的设定发送时间tf1和td2点的矩形波宽脉冲的设定发送时间tf2：

tf1＝td1－(tm/2)－tan；.................................6

tf2＝td2－(tm/2)－tan；.................................7

式中tm为信号矩形波宽脉冲宽度，tan为所述偏移量。

在周波正半周上升段，由于矩形波宽脉冲加载于周波正半周的初期，矩形波宽脉冲电压相对于周波电压高的更多，因此所发送的矩形波宽脉冲功率更大，产生的信号接收点移位更多，在加载过程的其它时间段信号电压比较器设定翻转电压，已经离开信号接收点的电压位置；周波正半周下降段则是在矩形波宽脉冲加载于周波过程的末期产生的信号接收点移位更多，这样，依据实际采用的矩形波宽脉冲电压经试验确定发送端的开关信号定时器时间的中点位置与td1或td2之间的偏移量tan，使信号接收更可靠。

信号发送过程：发送端在周波正半周上升段周波过0电压比较器翻转产生过0中断，经延时ti1或ti2后，起动开关信号定时器并接通高速电源控制开关，将单个的矩形波宽脉冲电压叠加于电网周波上，使工频基波在td1或td2的电压在时间轴上产生微小的位移，并会向系统注入一定的谐波。

设过0中断后中断处理程序、起动测量tc1的定时器和接通开关信号定时器指令的执行时间为tin

当向td1发送信号时：

ti＝tf1－tin；................................................8

当向td2发送信号时：

ti2＝tf2－tin。................................................9

ti和ti2的取值还依据接收端的信号点移位多少实时调节。

开关信号定时器计时溢出中断时在中断服务程序中关闭高速电源控制开关，从而完成一次信号调制过程。

考虑到信号传输过程的衰减，以及解调是以周波电压过零点作为时间基准，这样信号在远距离传送时，收发端的周波电压相位差会造成设定接收信号时间位置与实际信号时间位置之间出现偏差而影通信性能，因此在没有采取消除偏差的方法时，将通信距离限制在同一变压器台区内。

信号的解调：接收端在接收信号时的信号电压比较器在第一信号位置实时测量的tc1减去tb后的值与从存储器中取出最后存入的tc1的前一个tc1减去tb后的值作比较是否在允许的信号误差范围内，确定第一信号位置接收到信号中位取值；信号电压比较器在第二信号位置实时测量的tc3减去tb后的值与从存储器中取出最后存入的tc3的前一个tc3减去tb后的值作比较是否在允许的信号误差范围内，确定第二信号位置接收到信号中位取值。

信号发送功率的控制：当发送端开关信号定时器起动并接通高速电源控制开关后，微控制器立即打开信号接收端的外部中断口，检测信号电压比较器在周波正半周第一信号位置和第二信号位置的翻转时间，与td1和td3相比较是否移位及其移位量，如果信号电压比较器翻转时间越靠近td1，说明发送的矩形波宽脉冲能量相对越小或电网阻抗相对较低。如果信号电压比较器翻转时间越靠近td1，则增加ti时间，如果矩形波宽脉冲电压比较器翻转时间越靠近td2则减少ti2时间。

(四)附图说明：

图1是电网周波收发信号位置数据关系示意图；

图2是一种公园游客导引系统的电路结构方框图。

(五)具体实施方式：

一种公园游客导引系统的电路结构方框图如图2所示。由园区布控器和多个景点布控器构成。园区布控器由信号发送端a、信号接收端b、4g无线路由器2、键盘显示模块10和微控制器模块1构成。景点布控器由信号发送端a、信号接收端b、景点11和微控制器模块1构成。园区布控器与景点布控器采用所述电力线通信。公园平台是位于最上层的计算机管理系统由4g无线路由器、微控制器模块和电脑构成。

园区布控器和景点布控器中所述电力线通信的信号发送端a、信号接收端b和微控制器模块1和电源模块4的硬件结构相同。

所述电力线通信的信号发送端a由高速电源控制开关5、开关信号定时器3构成，电网电压接至高速电源控制开关输出端。

所述电力线通信的信号接收端b由双电压比较器7、高速控制开关6、过0电压比较器8和信号电压比较器9构成。电网周波经电阻分压后与双电压比较器7输入端相接，过0电压比较器8和信号电压比较器9均采用ns级的高速电压比较器max319。

微控制器模块1采用高速微控制器stc15f2k60s，这是一种单时钟/机器周期(1t)的单片机，速度比stc12还快20％，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，无ad转换。

电网的单相火线和零线接信号发送端的输出端口和接收端的输入端口，其中电网的零线接地端。所述窗口区电网电压控制在55v电压范围内，整机外壳保护接地，并有高电压区的安全警示，故障检修应加装变比为1：1的隔离变压器，避免因故障意外触电。

4g无线路由器2型号为f3836，也可以选用其它型号路由器。f3836是一种内置工业级32位处理器和工业级无线模块，采用嵌入式实时操作系统，提供1个rs232(或rs485/rs422)4个以太网lan，1个以太网wan以及1个wifi接口，可同时连接wifi设备、以太网设备和串口设备实现数据透明传输和路由功能。