基于電力載波的路燈電纜防盜報警器設計

摘要：介紹了一種基于電力載波技術(shù)和模數轉換器TLC3548的路燈電纜防盜報警器的硬件和軟件設計實(shí)現方案。闡述了該方案的原理，即在主機與從機間進(jìn)行電力載波通信以檢測電纜狀況，通過(guò)單片機控制TLC3548進(jìn)行數據采集與分析，比較精確地測量出斷纜處距路燈現場(chǎng)控制柜的距離，并將信息經(jīng)GPRS通信模塊上報給服務(wù)器。經(jīng)實(shí)驗證明，該防盜報警器可靠實(shí)用，性?xún)r(jià)比較高。

引言

本文提出一種基于電力載波技術(shù)和模數轉換器TLC3548的路燈電纜防盜報警器解決方案，可24小時(shí)實(shí)時(shí)監控電纜通斷狀況，較精確地測量出斷纜位置，并將警情及時(shí)上報。

1 系統工作原理

路燈電纜防盜報警器由電纜前端防盜主機與電纜末端防盜從機兩部分組成。由于系統報警信號的采集針對的是電力電纜線(xiàn)，其本身就是信號的良好載體，因此主機與從機的線(xiàn)纜通信技術(shù)采用電力載波通信技術(shù)。電力載波通信PLC(Power Line Communication)是電力系統特有的通信方式，它是指利用現有電力線(xiàn)，通過(guò)載波方式將模擬或數字信號進(jìn)行高速傳輸的技術(shù)。電力載波通信的最大特點(diǎn)是不需要重新架設網(wǎng)絡(luò )，只要有電纜，就能進(jìn)行數據傳遞。

路燈供電線(xiàn)纜均采用三相四線(xiàn)制，由于電纜被剪斷時(shí)必然三相齊斷，因此系統只要監控一相即可。主機放置在變壓器端，從機放在線(xiàn)路末端(路燈最后一個(gè)燈桿或路燈控制箱中)，當有人竊割或發(fā)生事故斷線(xiàn)時(shí)，系統就會(huì )獲得必要的報警信息。當路燈晚上開(kāi)啟后，若有電纜發(fā)生斷路的情況，此時(shí)系統可通過(guò)判斷電流數據和亮燈率的顯著(zhù)變化來(lái)檢測電纜故障;而當白天路燈關(guān)閉后，照明電纜無(wú)電，此時(shí)則須采用電力載波技術(shù)來(lái)檢測電纜故障?；陔娏d波和TLC3548的路燈電纜防盜報警器系統的結構示意圖如圖1所示。

如圖1所示，在每一盞路燈(1，2…n)上都并聯(lián)有功率阻抗器(RT1，RT2，…RTn)。在停電狀態(tài)下若出現斷線(xiàn)或被竊割，則主機報警終端發(fā)送載波信號，由于中途電纜已斷，電力線(xiàn)載波通信信道不通，末端從機岡缺電而轉入接收狀態(tài)。報警終端主機每隔5s發(fā)送一組載波信號，如收不到末端從機的回答信號，可以認為主機與從機間電力線(xiàn)路中斷。

當電纜斷路，路燈終端負載數量產(chǎn)生變化，整條被測電纜的阻抗隨之產(chǎn)生變化，TLC3548及其外圍電路可以精確地測出其變化值，經(jīng)單片機和標準阻抗值對比，即可較精確地測量出電纜斷路處距路燈控制配電柜(變壓器端)的位置。報警器主機通過(guò)RS485將警情上報給路燈控制器，然后路燈控制器經(jīng)GPRS通信模塊將報警信息上報給路燈控制中心的管理服務(wù)器，工作人員接到報警信號后，立即通知工程搶修車(chē)搶修，必要時(shí)可與110報警中心聯(lián)合行動(dòng)。

2 硬件設計

電纜防盜報警器主機可同時(shí)檢測6條線(xiàn)路，每條線(xiàn)路的末端需要配備一臺從機。主機在硬件上分為顯示板與控制板兩部分。顯示板主要實(shí)現人機對話(huà)，包括設置、加減、查看、確定等按鍵，以及8位LED數碼管和用于顯示電纜狀態(tài)信息的發(fā)光二極管，從而實(shí)現主機的輸入與輸出功能。主機的控制板則包括單片機、電力載波模塊、模數轉換器TLC3548、時(shí)鐘電路、RS485通信接口、繼電器輸出控制、電源模塊及后備可充電電源、本地聲光報警等硬件資源，其硬件原理框圖如圖2所示，該圖為測一路電纜的情況。

主機單片機選用Microchip公司的PIC18F2520，它集成了256字節的EEPROM，帶有外接RS485的增強型UART接口，可很好地滿(mǎn)足主機的硬件控制需求。主機的單片機通過(guò)RS485接收到路燈控制器的關(guān)燈指令后，通過(guò)控制TLC3548選擇被測電纜，然后驅動(dòng)繼電器控制電路，圖2中的兩只繼電器接通所測電纜。與此同時(shí)，單片機通過(guò)控制電力載波模塊向電纜發(fā)射載波信號，接收從機的應答信號，并查詢(xún)TLC3548所測的電纜阻抗值與標定的阻抗標準值進(jìn)行對比，并對數據加以存儲。倘若主機接收不到從機的應答信號，單片機立刻將警情與計算出的斷纜距離通過(guò)RS 485上報給路燈控制器，并驅動(dòng)本地聲光報警裝置。

防盜報警器從機的硬件設計相對簡(jiǎn)單，主要包括單片機、電力載波模塊、繼電器控制電路、電源模塊及后備可充電電源等硬件資源。當從機接收到主機的電力載波信號后，立即發(fā)回一個(gè)“應答”信號給報警終端，以表明被測線(xiàn)路正常。

2.1 電力載波通信控制電路設計

電力載波通信模塊選用四川科強公司的KQ100F，該模塊可在干擾較小的市電正弦波基波零點(diǎn)處進(jìn)行數據的發(fā)送和接收，接收靈敏度較高，遠傳效果顯著(zhù)。

電力載波通信控制電路原理如圖3所示，KQ100F的控制端由RX、TX、R/T三個(gè)端口構成，輸出信號全為T(mén)TL電平，TX接PIC18F2520的RB4端口發(fā)送數據;RX接PIC18F2520的RB5端口接收數據;R/T為接收/發(fā)送控制端，R/T為高時(shí)模塊處于接收狀態(tài)，R/T為低時(shí)處于發(fā)送狀態(tài)，由PIC18F2520的RB3端口進(jìn)行控制。

VAA端為發(fā)送功率電源，發(fā)送時(shí)電流約300 mA，為提高電力載波發(fā)送距離，使用直流穩壓15 V電源。KQ100F的兩個(gè)AC端經(jīng)光耦與繼電器控制電路，連接市電的火線(xiàn)L和零線(xiàn)N，光耦TIL113由PIC18F2520的RA0與RA1口進(jìn)行控制通斷，火線(xiàn)與零線(xiàn)均接有保護二極管。

2.2 TLC3548模擬數據采集電路設計

TLC3548是TI公司的14位高分辨率串行模數轉換器，它采用SPI串行輸入結構，具有8通道、轉換速度快、功耗低等特點(diǎn)。TLC3548在工作溫度范圍內轉換時(shí)間僅為2.895μs，采樣率高達200 ksps，最大線(xiàn)性誤差為±1LSB。TLC3548內部有一個(gè)片內的8通道多路選擇器，可設置為8路單極性ADC或4路雙極性ADC。

TLC3548模擬數據采集電路如圖4所示，PIC18F2520的RC2、RC3、RC4與RC5構成SPI接口與TLC3548進(jìn)行通信。TLC3548在轉換結果結束時(shí)，EOC輸出端變?yōu)楦唠娖奖硎巨D換完成，PIC18F2520的RB0口可檢測此信號，并可輸出中斷信號給TLC3548。TLC3548使用5 V參考電壓，其BGAP引腳與模擬地間并聯(lián)0.1μF的內部帶寬補償電容。TLC3548的A0～A5分別接6路電纜路燈阻值負載變化值采集通道，圖4中給出了第一路的圖例，其前端模擬信號輸入通道AIN1所測的電壓值必須有與之匹配的高精密繞線(xiàn)電阻R1，其阻值要在路燈電纜應用現場(chǎng)進(jìn)行標定，并隨著(zhù)電纜路燈負載的變化重新進(jìn)行測定。路燈電纜防盜報警器主機所在的配電柜安裝有電流傳感器，TLC3548的模擬通道AIN7可采集電流傳感器輸出的0～5V信號，以判斷路燈電纜是否有電流。

3 軟件設計

3.1 防盜報警器主機軟件設計

防盜報警器的主、從機軟件采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。軟件程序的設計采用模塊化編程思想，主要包括鍵處理程序、顯爾程序、主程序、串口終端程序等。主機顯示板的鍵處理程序主要包括標準阻抗值設置、通道選擇、工作模式、載波發(fā)送周期、時(shí)鐘沒(méi)置等功能，其主機軟件流程圖如圖5所示。

如圖5所示.單片機PIC18F2520的控制程序流程如下：

首先對起始端報警器主機中各功能模塊進(jìn)行初始化設置，并在路燈開(kāi)啟時(shí).分別控制繼電器J1、J2，斷開(kāi)與電纜的火線(xiàn)L、零線(xiàn)N的連接。

其次PIC18F2520通過(guò)GPRS通信模塊接收電纜的標準阻抗值A，并對該數值進(jìn)行更新，然后判斷是否接收到遠程控制中心發(fā)出的關(guān)燈指令;如果未收到，則程序返回到初始化完成處，并等待接收關(guān)燈指令;如果PIC18F2520接收到關(guān)燈指令，即驅動(dòng)TLC3548采集電流傳感器測出電纜的電流數據，以此判斷電纜是否有電流。

若PIC18F2520判斷電纜上有電流，則通過(guò)TLC3548計算此時(shí)電纜的標準阻抗值B，并將此時(shí)的標準阻抗值B和電纜的無(wú)斷纜狀態(tài)經(jīng)GPRS通信模塊上傳給遠程控制中心;若PIC18F2520判斷電纜上無(wú)電流，則控制繼電器J1、J2吸合，并控制電力載波通信模塊向電纜的火線(xiàn)L與零線(xiàn)N發(fā)送電力載波信號。

若PIC18F2520通過(guò)電力載波通信模塊接收到安置在電纜末端報警器從機的電力載波應答信號，則表示電纜正常，TLC3548計算此時(shí)電纜的標準阻抗值C并進(jìn)行該數值的更新，將更新后的標準阻抗值和電纜的無(wú)斷纜狀態(tài)經(jīng)GPRS通信模塊上傳給遠程控制中心;若PIC18F2520接收不到應答信號，則認為電纜中斷，此時(shí)PIC18F2520控制電力載波通信模塊繼續發(fā)射電力載波信號，并驅動(dòng)TLC3548測量AIN1通道電壓，將得到的電壓數據換算成此時(shí)電纜的實(shí)際阻抗值D，與預先通過(guò)GPRS通信模塊接收到的電纜正常時(shí)的標準阻抗值A進(jìn)行差值計算。PIC18F2520將計算得到的差值進(jìn)行查表程序換算，即得到電纜斷纜處距電纜起始端的準確距離，然后將此距離值和報警信息經(jīng)GPRS通信模塊上傳給遠程控制中心，并驅動(dòng)聲光報警裝置在起始端報警器主機所在位置進(jìn)行現場(chǎng)報警。管理人員接到報警信息后，可以立刻組織相關(guān)人員到現場(chǎng)進(jìn)行查看、搶修或者報告警方。

3.2 防盜報警器從機軟件設計

防盜報警器從機的軟件設計功能相對簡(jiǎn)單，主要功能即循環(huán)查收主機發(fā)送的載波信號，并每5 s向主機發(fā)送應答編碼信號，并開(kāi)啟定時(shí)器計時(shí)。

此外，電力載波信號在電纜上的傳輸距離在3 km左右，倘若路燈鋪設電纜的距離超過(guò)這一上限，則需要加中繼防盜報警器。此時(shí)，中繼防盜報警器既具有主機的載波發(fā)射作用，又具有從機應答接收載波信號的功能。

4 實(shí)驗結果

本文設計的路燈電纜防盜報警器應用于濰坊市昌樂(lè )縣遠程路燈管理系統中。以昌樂(lè )縣孤山街為例，全街長(cháng)為3.12 km，雙向共有路燈396盞，實(shí)測正常阻抗值A為6.87 kΩ。以孤山街其中6盞路燈為例，分別在#1、#50、#100、#200、#300與#396路燈所在位置切斷電纜，實(shí)驗數據如表1所列。

由表1可以看出，路燈距離報警器主機(配電柜)越近，斷纜導致的異常阻抗值和TLC3548模擬通道AIN1采集的電壓值變化越大。路燈電纜防盜報警器測得的斷點(diǎn)距離可精確到1 m，因而能夠較準確地判斷出斷纜位置。

結語(yǔ)

基于電力載波技術(shù)和TLC3548的路燈電纜防盜報警器在實(shí)驗中取得了預期的效果，但也存在一些需要改進(jìn)的問(wèn)題。眾所周知，不同城市與街道的路燈電纜鋪設構造形式多樣，有的環(huán)境異常復雜，電纜通電后，存在容抗、感抗、漏電等多種情況，這都會(huì )引起TLC3548阻抗計算的誤差。因此，對照明電纜的應用環(huán)境的實(shí)地考察顯得格外重要，要結合實(shí)際設計技術(shù)與施工方案，必要時(shí)要加防盜中繼報警器以提高系統的可靠性。