摘要：為了實現(xiàn)路燈按需照明，在滿足基本照明功能的同時避免照明浪費，節(jié)約照明能源，設計了短程無線通信無級調(diào)壓單燈節(jié)能裝置。該設備通過短程無線通信，可對單燈進行實時控制、監(jiān)測。采用高頻電力電子斬波技術控制路燈的輸入電壓間歇性的通斷來進行線性連續(xù)地降壓，使得每一盞路燈的輸入電壓值能夠線性地降低，從而實現(xiàn)節(jié)能的目的。闡述了短程無線通信無級調(diào)壓單燈節(jié)能裝置的基本工作原理，并給出了線路檢測裝置的硬件電路和軟件設計。
關鍵詞：短程無線通信；無級調(diào)壓節(jié)能；線性連續(xù)降壓；節(jié)能裝置

    隨著能源的日益緊缺，路燈節(jié)能工作已經(jīng)被高度關注。但目前的路燈節(jié)能基本是集中地降壓節(jié)能，其在運行中的不足逐漸顯現(xiàn)。單燈節(jié)能裝置可以控制管理到單燈，可大大提高路燈行業(yè)的控制管理水平，降低管理成本。并可采用目前最優(yōu)控制方法，實現(xiàn)對路燈電流及照度的動態(tài)智能化管理，即TPO(Time／Place／Occasion)管理。此裝置可從根本上改變城市路燈的管理方式，把傳統(tǒng)的道路照明只能控制到路段提升到可直接控制到具體的每盞路燈，大大提高道路照明行業(yè)的整體管理水平，節(jié)省路燈的運行管理及維護費用。

1 單燈節(jié)能裝置構成
    單燈節(jié)能裝置由集中單元和控制單元構成。
    集中單元完成所有控制單元的管理功能，具體為：保存該分站控制器下所有控制單元的地址，并根據(jù)保存的地址進行巡測控制單元，當發(fā)現(xiàn)異常情況時及時上報監(jiān)控主站；作為中間通道輔助完成監(jiān)控主站對控制單元的控制、選測、設置參數(shù)等各項操作；記錄所有控制單元的運行數(shù)據(jù)，當監(jiān)控主站需要時及時上傳。
    控制單元的主要功能為：根據(jù)預設的參數(shù)進行節(jié)能或開關燈操作并采集當前工作電壓、電流及環(huán)境溫度等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)故障及時上報集中單元。

2 硬件電路設計
2．1 集中單元
    集中單元的構成如圖1所示，由電源、遠程無線通信模塊、短程無線通信模塊、時鐘單元、存儲芯片、顯示單元及CPU組成。

    遠程無線通信模塊由天線和主板構成，天線可以有效地接收國家公網(wǎng)公司(移動、聯(lián)通、電信)的公共網(wǎng)絡服務的通信信號，主板進行處理，并通過串口與CPU連接。遠程無線通信模塊主要作用是監(jiān)控主站與集中單元進行信息交互的橋梁。
    顯示器／鍵盤由LCD液晶顯示器和按鍵構成，用來顯示并設置集中單元和控制單元的各種參數(shù)，并顯示每盞燈的電壓、電流、功率、節(jié)能狀態(tài)以及目前的故障情況等。
    時鐘單元采用PHILIPS公司推出的一款工業(yè)級內(nèi)含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時鐘／日歷芯片PCF8563。該芯片功耗低，可以完成各種復雜的定時服務，通過I2C接口與CPU連接。外接電池，在設備停電時時鐘也可以正常運行。
    外接220 VAC先經(jīng)過變壓器降壓后，然后經(jīng)過橋堆整流，之后分別通過開關電壓調(diào)節(jié)器調(diào)整出12 VDC和5 VDC供整個集中單元工作。
    存儲芯片采用FM25C512，存儲容量達64 KB，通過頻率高達20 MHz的SPI接口與CPU相連，完全滿足集中單元存儲數(shù)量大、讀寫頻繁的要求。

    短程無線通信模塊構成圖如圖2所示，短程無線通信模塊是通信的核心部分，主要由處理器和無線部分構成。處理器采用TI公司低功耗Z-Accel ZIGBEE處理器CC2480，Z-stack軟件ZigBee-2006協(xié)議?？梢栽赯igBee處理器上運行。該器件通過串口與CPU通信，應用程序在CPU上運行。無線部分由射頻芯片CC2591和天線構成。采用2．4 GHz公用頻段進行通信，100kHz的通信帶寬，可以組建大規(guī)模網(wǎng)狀或星狀網(wǎng)絡，網(wǎng)絡節(jié)點容量達到65 535個。
    CPU含32位ARM硬件平臺、內(nèi)嵌μC／OSⅡ嵌入式操作系統(tǒng)軟件平臺，既能脫離控制中心，按本地預定的控制程序獨立工作，又能接收管理中心的命令，統(tǒng)一執(zhí)行控制管理中心工作程序聯(lián)網(wǎng)工作。
2．2 控制單元
    控制單元的構成如圖3所示，由電源模塊、短程無線通信模塊、時鐘單元、存儲芯片、電壓電流采樣模塊、節(jié)能控制模塊及CPU組成。

    其中電源模塊、短程無線通信模塊、時鐘單元、存儲芯片的功能以及實現(xiàn)方法均與集中單元的功能類似，本文不再贅述。電壓信號經(jīng)過互感器后轉換成小信號，電流信號經(jīng)過霍爾器件轉換成小信號。采用主CPU直接采樣，而主CPU并沒有負電源。因此為了采集交流的負半波，先將這些小信號分別經(jīng)過加法電路抬高電壓之后供主CPU采集，采集之后去掉疊加的信號即為輸入信號。

    節(jié)能控制模塊是其中的核心模塊，其構成圖如圖4所示。同步信號產(chǎn)生模塊利用比較器找到電壓的過零點，電壓過零點就是一個控制周期的開始。CPU產(chǎn)生一個PWM波，與同步信號疊加在一起形成控制信號。該控制信號經(jīng)過驅動模塊增強驅動能力之后直接控制高頻開關模塊，信號為高時高頻開關開通，信號為低時高頻開關斷開。通過高頻開關的通斷來控制輸出信號的有無，在交流電壓的一個周期內(nèi)，由于部分時間電壓并沒有導通，因此，從整個周期來看電壓做功是降低的，也就達到了節(jié)能的目的。輸入濾波和輸出濾波模塊用來濾除整條線路的雜波信號，可有效地保護用電設備。旁路模塊在當高頻開關模塊發(fā)生故障時導通，保證路燈不熄滅，同時也保護高頻開關模塊不被損壞。
    主CPU主要完成以下功能：控制管理、電力電子調(diào)壓穩(wěn)壓控制、采樣、多種通信方式：RS232／485等，基本數(shù)據(jù)處理存儲等。

3 程序設計
    在軟件設計中，采用模塊化結構。整個程序由主程序及各個功能子程序、中斷服務程序組成。

    集中單元程序流程圖如圖5所示，經(jīng)過各項配置后，CPU一直循環(huán)檢測是否收到監(jiān)控中心的命令，收到則做相應處理；同時巡測控制單元并檢測是否收到控制單元的數(shù)據(jù)，收到后也做相應處理。

    控制單元程序流程圖如圖6所示，經(jīng)過各項配置后，CPU一直循環(huán)檢測是否收到集中單元的命令，收到則做相應處理；同時判斷是否到了開關燈或者節(jié)能時間，時間到了再進行相應處理；實時采集電壓電流數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否異常，異常則進行異常處理。

4 結語
    短程無線通信無級調(diào)壓單燈節(jié)能裝置，采用短程無線通信方式進行交互通信，可以組建近距離、多節(jié)點的短程無線網(wǎng)絡，避免了當?shù)芈窡舻木€路環(huán)境對通信效果的影響，提高了通信成功率。同時由于可以管理到每一盞燈，可自動檢測上報每一盞燈工作狀態(tài)，準確發(fā)現(xiàn)是否有損壞的路燈，免去了人工尋檢故障燈的麻煩，提高城市照明管理部門的工作效率。并可根據(jù)實際照明的需要并利用調(diào)壓節(jié)能技術，調(diào)整路燈的功率，實現(xiàn)按需照明，有效地降低了能耗，采用無級調(diào)壓技術，可以連續(xù)平穩(wěn)降壓，這樣保證了降壓過程中不滅燈。因此，短程無線通信無級調(diào)壓單燈節(jié)能裝置是先進的、適應市場需求的現(xiàn)代化管理系統(tǒng)平臺。