路灯照明系统中的组群控制器设计与实现

    摘要：论述数字路灯照明系统中组群控制器的功能，给出基于双微处理器的组群控制器核心电路设计方案与实现方法，并介绍系统主要软件结构框图。

    关键词：数字路灯照明双微处理器 PIC16F877 PIC16F873

前言

公共照明系统广泛采用高压钠灯（high pressure sodium lamp）或金属卤化物灯（metallic halide lamp），传统照明系统经常采用电感镇流器，照明灯具采用统一开关控制方案。

随着数字技术和网络技术的发展，公共照明数字化和网络化已经成为一种必然趋势。节约能源、保证灯具寿命、提高照明管理水平、美化城市夜量和保证城市夜间出行安全等，已经成为对公共照明系统的一项基本要求。本文将介绍基于镇流器的全数字公共照明系统。该系统在国内首次实现了远程单个路灯节点的任意监控，并重点介绍了系统的核心设备——组群控制器的作用、组成、工作原理是以及主要软件结构框图。

1 数字路灯照明系统

图1给出了数字路灯系统的系统组成原理图。在该系统中，每个路灯节点采用全数字化电子镇流器，可以实现0%、50%、80%、100%功率输出，可以随时发送路灯的电流、电压信息，并具有开路、断路和路灯老化报警功能。每一个路灯节点内包含一个电力载波通信（PLC）模块，利用电力载波模块实现路灯节点之间以及路灯节点与组群控制器之间信息通信。组群控制器采用双CPU结构，负责日常系统的正常运行控制，并可以随时响应上位管理计算机发出的指令。组群控制器与照明管理计算机通过GSM/GPRS短信方式实现正常情况下的通信。在组群控制器发生故障的情况下，照明管理计算机可以通过GSM/GPRS直接实现路灯线路的开关控制，实现系统安全双保险。照明管理计算机采用地理信息系统（GIS）技术，实现图形化动态实时监控管理。

图2

2 组群控制器工作原是与系统组成

2．2 组群控制器系统组成

图2给出了一种组群控制器设计方案。它包括CPU模块、线路状态检测模块、交流接触器驱动模块、后备电源模块、时钟模块、控制策略模块、电能计量模块、温湿度检测模块、GSM通信模块和电力载波通信模块。CPU模块采用CPU结构。主微控制器采用高性能、8位、40引脚、具有8KBFlash、多路8位A/D的RISC单片机PIC16F877，负责与GSM通信模块和电力载波模块通信，与交流接触器驱动控制，与实时时钟的读取和校准以及根据照明控制策略发送控制指令等功能。从微控制器采用与主微控制器同一系列的高性能8位、28引脚、多路8位A/D、具有4KB Flash的RISC单片机PIC16F873。该控制器负责管理电能计量模块、后备电源及监控模块、温湿度监控模块和线路状态检测模块等。

图3

    2.3 双CPU通信方法与RS-485通信

虽然PIC16F87x系列单片机外围通信接口丰富，但是，整个系统通信复杂，接口资源仍然很紧张。主从CPU的可靠通信，是组群控制器可靠工作的关键之一。

根据资源分配，主微控制器PIC16F877与从微控制器PIC16F873采用SPI接口，并以主从方式通信。根据系统端口配置需要，PIC16F873采用硬件SPI接口方式，PIC16F877采用普通I/O口RB1～RB3来模拟硬件SPI口，即软件SPI接口。PIC16F877的SPI硬件资源分配给E2PROM 24C64使用。PIC16F873的SPI接口工作在从模式下，PIC16F877需要选用一个普通I/O口（这里是RB4）与PIC16F873的SPI通信控制端RA4/SS相连，控制SI通信的发起与结束，如图3所示。每次通信都是由PIC16F877发起，PIC16F873响应。

图4

    电能计量模块为单独模块，能够测量供电线路的电压、电流、功率、功率因数等参数，并具有标准的RS-485接口。为此，PIC16F873利用硬串口RC6/TX和RC7/RX，通过RS485接口变换，与电能计量模块JP1相连。这里MAX485芯片作为485总线接口转换芯片，用RC2作为RS-485总线通信输入/输出使能控制端，控制信号的读入和送出。

2．4 交流接触器控制与状态保持

组群控制器的一项重要任务是通过固体继电器SSR和交流接触器实现照明线路供电控制。固体继电器为DC3～24V输入，AC220V输出，其输入由NPN型三极管9013驱动。由于系统实际运行过程中存在各种干扰，若则相关引脚很可能会出现跳变信号或三态，造成交流接触器误动作。因此“锁定”复位前状态，对保证系统可靠性非常重要。这里采用了由1个D触发器、1个光耦、3个电阻和3个I/O引脚组成的采样/保持电路，如图4所示。D触发器复位端R和置位端S分别接地，数据端D接CPU的数据控制端RE0，时钟端CLK通过光耦TIP521接CPU的时钟产生控制端RE1和RE2。保持电路的关键在于RE0、RE1、RE2单个引脚误动作无法产生有效时钟和控制指令。即使CPU发生复位，由RC0脚读回固态继电器当前工作状态，并将RE0输出（D触发器输入）置成该状态，进而保证SSR不产生误动作。电阻R32为上拉电阻，保证RE2出现三态时光耦不产生误导通。电阻R33起限流作用。实际证明该电路是有效的。

图5

    2．5 时钟与控制策略

要实现自动定时控制，系统时钟和系统预存控制策略是关键。组群控制器采用DS1302时钟芯片，为系统提供实时时钟。DS1302是一种带备份电源的、8脚、具有I2C串行通信功能的高性能、低功耗时钟芯片，提供秒、分、时、日、周、月、年日历功能。I2C串行总线SCL和SDA分别需要一个上拉电阻。主微控制器PIC16F877采用硬件I2C接口（RC3/SCL和RC4/SDA）与DS1302通信，如图5所示。组群控制器可以实现远程时钟校准。

图6

    组群控制器将每日控制策略时间表Table1、季节划分时间表Table2、季节控制策略时间表Table3和节假日控制时间表Table4存储在E2PROM 24C64中。24C64是容量为8KB、支持两线的I2C串行通信、1000000次擦写的E2PROM。主微控制器PIC16F877采用2个普通I/O口（RD1和RD2）模拟I2C串行总线，即实现软件I2C总线接口。组群控制器根据读得的日历信息和时间信息，对照各种控制策略时间表，发布开关灯及调光控制指令。

2．6 软件实现

组群控制器软件分为主微处理器软件和从微处理器软件。主微控制器一方面负责通过GSM与照明管理计算机（简称上位机）通信，接收、解析和执行上位机发来的各种命令，并将执行结果发送给上位机；另一方面，主控制器在没有GSM信息的情况下，完成其它一些任务，软件流程图如图6所示。图7给出了从微控制器软件的简要流程图。

结语

城市路灯照明系统是城市街道、高速公路、机场、火车站、标志性建筑、景观性建筑等处的重要系统。建立一个实用的、可靠的数字化和网络化和路灯照明系统是非常不易的。由于篇幅所限，本文仅给出了组群控制器的关键硬件设计电路和核心软件框图，还有许多具体细节没有阐述。实验表明，该系统设计是合理和可靠的。