基于全數字公共照明系統中組群控制器的原理及設計方案

前言

公共照明系統廣泛采用高壓鈉燈（high pressure sodium lamp）或金屬鹵化物燈（metallic halide lamp），傳統照明系統經常采用電感鎮流器，照明燈具采用統一開關控制方案。

隨著數字技術和網絡技術的發展，公共照明數字化和網絡化已經成為一種必然趨勢。節約能源、保證燈具壽命、提高照明管理水平、美化城市夜量和保證城市夜間出行安全等，已經成為對公共照明系統的一項基本要求。本文將介紹基于鎮流器的全數字公共照明系統。該系統在國內首次實現了遠程單個路燈節點的任意監控，并重點介紹了系統的核心設備——組群控制器的作用、組成、工作原理是以及主要軟件結構框圖。

1、數字路燈照明系統

圖1給出了數字路燈系統的系統組成原理圖。在該系統中，每個路燈節點采用全數字化電子鎮流器，可以實現0%、50%、80%、100%功率輸出，可以隨時發送路燈的電流、電壓信息，并具有開路、斷路和路燈老化報警功能。每一個路燈節點內包含一個電力載波通信（PLC）模塊，利用電力載波模塊實現路燈節點之間以及路燈節點與組群控制器之間信息通信。組群控制器采用雙CPU結構，負責日常系統的正常運行控制，并可以隨時響應上位管理計算機發出的指令。組群控制器與照明管理計算機通過GSM/GPRS短信方式實現正常情況下的通信。在組群控制器發生故障的情況下，照明管理計算機可以通過GSM/GPRS直接實現路燈線路的開關控制，實現系統安全雙保險。照明管理計算機采用地理信息系統（GIS）技術，實現圖形化動態實時監控管理。

2、組群控制器工作原是與系統組成

2．2 組群控制器系統組成

圖2給出了一種組群控制器設計方案。它包括CPU模塊、線路狀態檢測模塊、交流接觸器驅動模塊、后備電源模塊、時鐘模塊、控制策略模塊、電能計量模塊、溫濕度檢測模塊、GSM通信模塊和電力載波通信模塊。CPU模塊采用CPU結構。主微控制器采用高性能、8位、40引腳、具有8KBFlash、多路8位A/D的RISC 單片機 PIC16F877，負責與GSM通信模塊和電力載波模塊通信，與交流接觸器驅動控制，與實時時鐘的讀取和校準以及根據照明控制策略發送控制指令等功能。從微控制器采用與主微控制器同一系列的高性能8位、28引腳、多路8位A/D、具有4KB Flash的RISC單片機PIC16F873。該控制器負責管理電能計量模塊、后備電源及監控模塊、溫濕度監控模塊和線路狀態檢測模塊等。

2.3 雙CPU通信方法與RS-485通信

雖然PIC16F87x系列單片機外圍通信接口豐富，但是，整個系統通信復雜，接口資源仍然很緊張。主從CPU的可靠通信，是組群控制器可靠工作的關鍵之一。

根據資源分配，主微控制器PIC16F877與從微控制器PIC16F873采用SPI接口，并以主從方式通信。根據系統端口配置需要，PIC16F873采用硬件SPI接口方式，PIC16F877采用普通I/O口RB1～RB3來模擬硬件SPI口，即軟件SPI接口。PIC16F877的SPI硬件資源分配給E2PROM 24C64使用。PIC16F873的SPI接口工作在從模式下，PIC16F877需要選用一個普通I/O口（這里是RB4）與PIC16F873的SPI通信控制端RA4/SS相連，控制SI通信的發起與結束，如圖3所示。每次通信都是由PIC16F877發起，PIC16F873響應。

電能計量模塊為單獨模塊，能夠測量供電線路的電壓、電流、功率、功率因數等參數，并具有標準的RS-485接口。為此，PIC16F873利用硬串口RC6/TX和RC7/RX，通過RS485接口變換，與電能計量模塊JP1相連。這里MAX485芯片作為485總線接口轉換芯片，用RC2作為RS-485總線通信輸入/輸出使能控制端，控制信號的讀入和送出。

2．4 交流接觸器控制與狀態保持

組群控制器的一項重要任務是通過固體繼電器SSR和交流接觸器實現照明線路供電控制。固體繼電器為DC3～24V輸入，AC220V輸出，其輸入由NPN型三極管9013驅動。由于系統實際運行過程中存在各種干擾，若則相關引腳很可能會出現跳變信號或三態，造成交流接觸器誤動作。因此“鎖定”復位前狀態，對保證系統可靠性非常重要。這里采用了由1個D觸發器、1個光耦、3個電阻和3個I/O引腳組成的采樣/保持電路，如圖4所示。D觸發器復位端R和置位端S分別接地，數據端D接CPU的數據控制端RE0，時鐘端CLK通過光耦TIP521接CPU的時鐘產生控制端RE1和RE2。保持電路的關鍵在于RE0、RE1、RE2單個引腳誤動作無法產生有效時鐘和控制指令。即使CPU發生復位，由RC0腳讀回固態繼電器當前工作狀態，并將RE0輸出（D觸發器輸入）置成該狀態，進而保證SSR不產生誤動作。電阻R32為上拉電阻，保證RE2出現三態時光耦不產生誤導通。電阻R33起限流作用。實際證明該電路是有效的。

2．5 時鐘與控制策略

要實現自動定時控制，系統時鐘和系統預存控制策略是關鍵。組群控制器采用DS1302時鐘芯片，為系統提供實時時鐘。DS1302是一種帶備份電源的、8腳、具有I2C串行通信功能的高性能、低功耗時鐘芯片，提供秒、分、時、日、周、月、年日歷功能。I2C串行總線SCL和SDA分別需要一個上拉電阻。主微控制器PIC16F877采用硬件I2C接口（RC3/SCL和RC4/SDA）與DS1302通信，如圖5所示。組群控制器可以實現遠程時鐘校準。

組群控制器將每日控制策略時間表Table1、季節劃分時間表Table2、季節控制策略時間表Table3和節假日控制時間表Table4存儲在E2PROM 24C64中。24C64是容量為8KB、支持兩線的I2C串行通信、1000000次擦寫的E2PROM。主微控制器PIC16F877采用2個普通I/O口（RD1和RD2）模擬I2C串行總線，即實現軟件I2C總線接口。組群控制器根據讀得的日歷信息和時間信息，對照各種控制策略時間表，發布開關燈及調光控制指令。

2．6 軟件實現

組群控制器軟件分為主微處理器軟件和從微處理器軟件。主微控制器一方面負責通過GSM與照明管理計算機（簡稱上位機）通信，接收、解析和執行上位機發來的各種命令，并將執行結果發送給上位機；另一方面，主控制器在沒有GSM信息的情況下，完成其它一些任務，軟件流程圖如圖6所示。圖7給出了從微控制器軟件的簡要流程圖。