（南京南瑞集团公司 南京 211000）
摘要：为了满足智慧城市对路灯智能控制和管理的需要，设计了一款基于GPRS无线通信技术和电力载波通信技术的路灯集中器。该款集中器可以高效的实现对各个路灯设备的开灯、关灯、调光操作。并能对所有路灯设备的工作情况进行监控，及时将故障灯的位置和故障原因进行上报。相较传统路灯控制方法，较大幅度的提升了路灯控制的信息化管理水平，降低了城市路灯管理的维护工作量。
关键词：路灯集中器 电力载波 GPRS UC/OS
0 引言
目前，如手动控制、时控器控制等传统的路灯控制方法在国内仍有大量的应用。这些传统的路灯控制方法，存在能源浪费严重、管理手段单一、信息化水平低下、故障灯位置难定位、缺乏故障主动报警机制等问题。已经无法满足实时监控和管理的要求，也无法适应现代城市对路灯控制的要求[1]。本文设计的一种集中器，与主站路灯控制系统和单灯控制器相配合，可以高效的实现对各个路灯设备的开灯、关灯、调光。并能对所有路灯设备的工作情况进行监控，及时将故障灯的位置和故障原因进行上报，大大降低了城市路灯管理的维护工作量。
1 系统总体方案设计
路灯控制系统中，主站、集中器、单灯控制器的关系如图1所示。现代城市照明监控系统涵盖了城市道路、城市夜景、城市景观等城市照明管理单位实现城市照明集中控制的管理系统，主要通过无线方式实现远程控制、远程检测、故障报警和实时管理[2]。在我们的系统中，集中器支持GPRS网络，安装SIM卡后，即可实现集中器和主站的通信。
集中器和单灯控制器之间通过已有的电力载波线进行通信，电力载波通信在电力抄表系统中得到广泛应用，具有较高的可靠性。用户选用我们的设备后，无需额外布线，可以充分利用原有的供电线路，具有覆盖范围广、连接方便、维护简单等优点[3-4]。
2集中器软件设计
集中器软件部分采用Ucos操作系统，移植开源的Lwip协议栈用于以太网通信。实际应用中，为系统创建了6个任务，包括：起始任务、无线通信连接任务、无线通信处理任务、以太网通信处理任务、Plc载波通信任务、周期任务。系统多个任务之间通过信号量和邮箱实现多任务之间的同步和通信，通过的合理的任务优先级划分，保证系统功能的有序、可靠执行。
2.1 集中器软件架构
集中器的软件设计划分为驱动层、操作系统层、应用层等3个层次。驱动层完成对所有硬件接口的封装。系统层包含Ucos内核和TCP/IP协议栈两部分内容。应用层包含6个任务：起始任务用来完成对系统参数和硬件的初始化，并创建其他任务。无线通信连接任务完成集中器和主站通信链路的建立。无线通信处理任务完成集中器和主站的通信。载波通信处理任务完成集中器和单灯控制器间的通信。以太网通信处理任务完成本地PC机对集中器的直接操作。周期任务完成报警检测、电表数据数据采集等功能。
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2.2 集中器任务功能设计
下面将对系统的五个主要任务进行详细介绍，包括任务所要完成的具体工作，任务的触发条件等。
2.2.1 无线通信连接任务
该任务用于建立集中器和主站的通信链路。系统程序运行时，首先执行起始任务，完成硬件初始化并创建其余任务。然后开始执行无线通信连接任务，完成和主站的socket链路连接，链接成功后，发送信号量唤醒无线通信处理任务，并将自身挂起。通信建立后，若指定时间内未成功接收到主站下发的心跳命令，则认为集中器掉线，此时唤醒无线通信连接任务执行，重新建立集中器和主站的链接。
2.2.2 无线通信处理任务
当DMA接收中断被触发时或周期任务检测到报警时，发送信号量唤醒本任务。任务开始执行后，首先判断集中器和主站的通信链路是否已建立，若未建立连接，则将任务挂起。任务执行时，优先响应主站下发的命令，包括主站对集中器的参数配置，实时控制，开、关、调控制策略下发，状态查询，采集参数查询等。此时，对所有查询命令，集中器仅向主站确认已成功接收到查询命令，并不上传采集值，而是将采集命令写入事件发送缓存，留待后续执行。主站下发命令处理完毕后，任务会读取报警发送缓存，判断有无报警需上报主站。所有的报警检测均在周期任务中执行，并将要上报的报警写入报警发送队列，等待无线通信处理任务将报文上传给主站。最后，任务会处理事件，事件是集中器上传给主站的采集值和状态信息，任务从事件发送队列中读取采集命令，装载相应的采集值后，由集中器上报给主站。软件设计时，将主站命令的处理和采集数据的上传分开进行处理，保证了集中器对主站控制命令的及时响应。
2.2.3 载波通信处理任务
本任务主要完成集中器对灯具的操作，当集中器接收到主站对灯具的实时控制命令或亮灯控制策略条件被触发时，该任务被启动，读取响应的操作命令缓存，并将操作命令下发给灯具，实现对灯具的配置、控制、监测等操作。
2.2.4 以太网通信处理任务
本任务使用和无线通信处理任务相同的协议，在PC机安装主站软件后，连接网线，可以在本地直接对集中器进行操作。现场实施的过程中，可以通过该功能实现配置参数的下发，同时完成对集中器功能的现场调试。
2.2.5 周期任务
任务功能设计时，将需周期性执行的功能全部放到该任务中。主要包括DI输入数据的读取、三相电表芯片数据采集、报警检测等。每一项操作均可通过主站配置采集的间隔时间，间隔时间为周期任务执行周期的N倍，即N由用户设定。任务执行过程中，将采集值更新后，供主站查询使用。当报警条件触发时，该任务将需上报的报警号和响应的参数值写入报警缓存队列，并发送信号量唤醒无线通信处理任务执行。
3 测试与分析
为了对集中器的性能进行测试，对公司园区内的路灯设施进行了改造，在电气柜内安装集中器，15个顺序相连的灯杆内安装单灯控制器，灯杆间距50m。
对集中器GPRS通信进行了线路链接测试、重连测试、重复上电测试、数据包通信测试。线路链接测试用于测试集中器和主站通信链路建立后，维持通信链路的能力，测试50次，成功率100%。重连测试是将主站的通信服务关闭一段时间后，重新打开，测试集中器快速恢复线路链接的能力。重复上电测试是将集中器断电后，重新上电，测试集中器恢复链接的能力。数据包通信测试，用于测试主站和集中器频繁通信的能力(发送间隔500ms)。测试结果表明，集中器的GPRS通信功能稳定可靠，可以较好的完成和主站的数据交互。
对集中器电力载波通信进行了组网测试、抄读测试。集中器下挂载15盏单灯，载波通信速率1200bit/s。组网测试，用于建立集中器和所有单灯的通信路径，测试1000次，组网成功率100%。抄读测试，由集中器对单灯进行连续抄读，每盏灯具抄读10000次，抄读成功率99.9%，完全满足现场应用的要求。
4 结束语
本文设计了一款基于无线通信、电力载波通信的路灯集中控制器，利用自动化和通信技术，实现了根据不同区域、不同季节、不同时段下对亮灯方式、亮灯时间、灯光亮度的调节，实现了较好的节能效果。同时，通过对路灯状态的实时在线监控，降低了人工巡检的费用，提高了亮灯率，达到了精细化管理的目的，对城市照明管理的信息化、智能化起到较大的提升作用，具有很大的应用前景。
参考文献
[1]温兆奇，徐军明，秦会斌.基于GPRS的智能照明系统控制终端的设计与实现[J].电子器件，2013, 36(3):413-417
[2]法国城市照明管理集团.城市照明远程监控管理系统[J].城市照明，2008, 12(3):23-24
[3]张利国，时念武.路灯控制系统应用研究[J].照明工程学报，2014,25(2):129-134
[4]朱旭，唐显锭.基于电力线载波通信技术的LED路灯控制系统设计[J].照明工程学报，2012,23(2):66-70
作者简介
马彬焱，男，1984年生，现为南京南瑞集团公司员工；研究方向为智慧城市相关产品的控制系统设计。
论文作者:马彬焱,权强强
论文发表刊物:《电力设备》2016年第10期
论文发表时间:2016/7/25
标签：集中器论文; 主站论文; 通信论文; 路灯论文; 载波论文; 无线通信论文; 测试论文; 《电力设备》2016年第10期论文;