路灯照明系统中的组群控制器设计与实现

    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。
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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