??? 摘 要： 提出了一種基于LonWorks總線的遂道燈光智能控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)采用神經(jīng)元芯片" title="神經(jīng)元芯片">神經(jīng)元芯片PL3120作為控制核心，以照明系統(tǒng)的供電線路作為通信介質(zhì)，各智能節(jié)點(diǎn)" title="智能節(jié)點(diǎn)">智能節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)同工作，能夠簡(jiǎn)單而高效地實(shí)現(xiàn)隧道照明" title="隧道照明">隧道照明的自動(dòng)化控制。
??? 關(guān)鍵詞： LonWorks總線? PL3120? 智能節(jié)點(diǎn)? 隧道照明自動(dòng)化
?
??? 隨著經(jīng)濟(jì)和科技水平的不斷發(fā)展，我國(guó)的交通網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越發(fā)達(dá)，隧道結(jié)構(gòu)在其中起著重要的作用。然而，隧道結(jié)構(gòu)的正常工作需要合理的照明條件作為保障。隧道照明的作用是使車輛能夠安全地進(jìn)入、通行和離開隧道區(qū)域。駕駛員常常在進(jìn)入和離開隧道的時(shí)候有一種視覺(jué)上的不適應(yīng)，那種“眼前一黑”和“眼前一亮”的感覺(jué)，經(jīng)常會(huì)引發(fā)一些交通意外。正是基于這些，隧道內(nèi)的光線設(shè)計(jì)務(wù)必要讓駕駛員較快地適應(yīng)隧道內(nèi)的照明環(huán)境，從而保證通過(guò)隧道時(shí)的交通安全。
1 系統(tǒng)概述
??? 本文所提出的方案是基于LonWorks總線技術(shù)的智能燈光控制系統(tǒng)。選擇LonWorks總線主要基于兩個(gè)方面的原因。首先，LonWorks總線可以選擇電力線作為通信介質(zhì)，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換能夠直接使用照明系統(tǒng)的供電電源線，無(wú)需專門鋪設(shè)通信電纜，可以大大地節(jié)省工程費(fèi)用；另外，隧道可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米，其中的調(diào)光節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，LonWorks總線強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力能夠很好地滿足通信距離和通信效率的要求[1]。
??? 本系統(tǒng)采用管理層和現(xiàn)場(chǎng)層兩層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。管理層通過(guò)因特網(wǎng)互連，并由上位機(jī)通過(guò)訪問(wèn)iLon100網(wǎng)關(guān)獲取LonWorks現(xiàn)場(chǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，同時(shí)完成LonWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安裝維護(hù)、配置、監(jiān)測(cè)等。iLon100網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)中的一個(gè)通信樞紐，同時(shí)也相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)層中的一個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)，管理層的所有信息都先傳達(dá)給它，然后由它通過(guò)電力線向各節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)層以LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)，以神經(jīng)元芯片為核心，各個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)控制隧道中各處的燈光亮度。設(shè)計(jì)中現(xiàn)場(chǎng)層采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以電力線為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換[2]。
??? 由于各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的信息交換可以直接通過(guò)輸入或輸出網(wǎng)絡(luò)變量來(lái)完成，并且各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)都是掛在通信介質(zhì)電力線上，因此任何一個(gè)LonWorks節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障只影響其本身而不會(huì)危及整個(gè)系統(tǒng)，這種徹底的分散型控制體系提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。特別是監(jiān)控計(jì)算機(jī)出故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)仍可繼續(xù)工作，保證隧道的正常運(yùn)行，這和以往的控制系統(tǒng)相比具有極大的優(yōu)越性。
2 各節(jié)點(diǎn)硬件、軟件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的物理結(jié)構(gòu)采用雙層模塊化設(shè)計(jì)，將以神經(jīng)元芯片為核心的中央處理單元（CPU）單獨(dú)設(shè)計(jì)為一塊電路板，然后通過(guò)插針插于功能模塊之上，以便于系統(tǒng)的調(diào)試與檢查，同時(shí)也可以減少不必要的干擾[3]。功能模塊也就是實(shí)現(xiàn)光照度檢測(cè)和燈光亮度調(diào)節(jié)的具體電路，它們只需要在接收到CPU的控制信號(hào)之后產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膭?dòng)作就能完成整個(gè)功能了。電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，中間虛框部分為CPU板的基本結(jié)構(gòu)，它是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都共有的核心模塊；左邊虛框部分則是光照度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)所特有的，其功能是將光照度信息轉(zhuǎn)換為電壓并量化，然后送給燈光亮度控制節(jié)點(diǎn)" title="控制節(jié)點(diǎn)">控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行算法處理以控制隧道內(nèi)各燈的亮度。此節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中共設(shè)兩個(gè)，隧道出口和入口各1個(gè)（參見圖1）。右邊虛框部分為燈光亮度控制節(jié)點(diǎn)所特有，其功能是在接收到光強(qiáng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，按照擬訂的算法控制數(shù)字電位器輸出適當(dāng)?shù)哪M電壓，以控制隧道內(nèi)各燈的整流器從而達(dá)到控制光強(qiáng)的效果。此節(jié)點(diǎn)需根據(jù)隧道的長(zhǎng)度設(shè)立若干個(gè)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有不同的地址，對(duì)應(yīng)于隧道中不同的位置，其燈光亮度就結(jié)合該地址而對(duì)應(yīng)控制。
??? 以下對(duì)各節(jié)點(diǎn)硬件電路及程序設(shè)計(jì)分別進(jìn)行介紹。
2.1 CPU部分電路設(shè)計(jì)
??? CPU板的主芯片采用Echelon公司生產(chǎn)的PL3120。PL3120是專用于電力線系統(tǒng)的神經(jīng)元芯片，其內(nèi)部集成了一個(gè)神經(jīng)元處理核和一個(gè)電力線收發(fā)器。該芯片除了具有普通神經(jīng)元芯片的性能，更重要的是它具有一個(gè)專用的電力線收發(fā)器，能夠方便地應(yīng)用于電力線作為通信介質(zhì)的場(chǎng)合，而且它具有獨(dú)特的雙載頻技術(shù)，能夠在主要通信頻率被阻塞時(shí)啟用預(yù)備頻率工作，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
??? 本系統(tǒng)工作于CENELEC（歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)）的C波段，其通信主頻為132kHz（預(yù)備頻率為115kHz），對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘典型值為10MHz。PL3120芯片的12個(gè)I/O" title="I/O">I/O口，可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)SPI和I2C等I/O對(duì)象與其他電路接口[4]。
??? 由于系統(tǒng)以電力線為傳輸介質(zhì)，通信模塊是通過(guò)電源電路耦合到電力線上進(jìn)行傳輸?shù)模虼?，電源模塊的正確設(shè)計(jì)是保證節(jié)點(diǎn)正常工作的關(guān)鍵因素。
??? 系統(tǒng)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都設(shè)計(jì)有獨(dú)立的電源供電并提供通信通道。在該電源電路中，220V電源有兩條支路：一路信號(hào)經(jīng)過(guò)普通變壓器和三端穩(wěn)壓芯片得到15V、12V和5V的直流電壓。為通信模塊發(fā)射電路、傳感器和IC芯片等供電。220V電壓的另一路信號(hào)則通過(guò)專用的1：1通信變壓器連到PL3120芯片的對(duì)應(yīng)引腳，實(shí)現(xiàn)發(fā)射接收模塊與電力線的安全連接。發(fā)射接收模塊的電路設(shè)計(jì)則可以在確定了時(shí)鐘和通信頻段之后參考Echelon公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)得到。
2.2 光照度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件電路及程序設(shè)計(jì)
??? 光照度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的功能是測(cè)量隧道口光照的強(qiáng)度。本系統(tǒng)中使用的光照度傳感器的測(cè)量范圍為0～4000勒克斯（Lux），對(duì)應(yīng)的輸出量為0～20mA電流，使用時(shí)在其輸出引腳上接一個(gè)250Ω的電阻，可將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5V的電壓以便于AD轉(zhuǎn)換器采樣。AD轉(zhuǎn)換器使用Microchip公司的MCP3004，CPU通過(guò)讀取ADC轉(zhuǎn)換的電壓值即可計(jì)算出光照強(qiáng)度的大小。應(yīng)用中采用3個(gè)相同的傳感器測(cè)量同一位置的光照度，取其平均值以減小測(cè)量誤差，同時(shí)還可以分析三者測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差來(lái)判斷傳感器的工作是否正常。
??? 光照度測(cè)量節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)如圖3，PL3120通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)串行SPI接口完成對(duì)AD轉(zhuǎn)換器MCP3004的控制，其中IO8作為時(shí)鐘線與AD芯片的CLK引腳相連，IO9和IO10分別作為數(shù)據(jù)的輸入和輸出線與Din、Dout相連，IO0作為片選信號(hào)與CS引腳相連。由于神經(jīng)元芯片和AD模塊分處于兩塊電路板上，為了避免兩路電源之間的干擾，使用4片光耦隔離芯片6N137進(jìn)行電源隔離。
2.3 燈光亮度控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
??? 在本系統(tǒng)中，燈光強(qiáng)度控制節(jié)點(diǎn)是隧道照明的核心部分。首先將照明情況分成64級(jí)，即晴天最大亮度定為63級(jí)，夜間最低亮度定為0級(jí)，由入口處的測(cè)光節(jié)點(diǎn)所測(cè)得的亮度數(shù)據(jù)確定外界亮度等級(jí)，然后根據(jù)隧道的長(zhǎng)度確定隧道中光強(qiáng)控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和位置，并根據(jù)隧道照明曲線計(jì)算隧道內(nèi)的各點(diǎn)的亮度等級(jí)。調(diào)光節(jié)點(diǎn)收到亮度級(jí)數(shù)信息就會(huì)輸出對(duì)應(yīng)的調(diào)光電壓來(lái)控制電磁感應(yīng)無(wú)極燈。
2.3.1 隧道照明段的設(shè)計(jì)
??? 本照明系統(tǒng)參照中華人民共和國(guó)交通部發(fā)布的《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》將整個(gè)隧道從入口到出口劃分為入口段、中間段和出口段三個(gè)部分[5]，并將亮度曲線離散化后轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的亮度等級(jí)，方便程序進(jìn)行控制。以上三段的長(zhǎng)度可以根據(jù)隧道總長(zhǎng)進(jìn)行劃分，整個(gè)系統(tǒng)以隧道中央為對(duì)稱點(diǎn)，入口段亮度由外界亮度逐級(jí)遞減，中間段則全部保持最低的亮度等級(jí)，到出口段再逐級(jí)增加。
2.3.2 無(wú)極燈的開關(guān)及亮度控制
??? 燈光亮度控制節(jié)點(diǎn)的功能是控制隧道內(nèi)各盞燈的開、關(guān)以及燈打開時(shí)的亮度。共有兩個(gè)控制信號(hào)輸出，一個(gè)是由繼電器輸出的開關(guān)量，另一個(gè)則是數(shù)字電位器X9241輸出的0～5V的模擬控制量，以控制無(wú)極燈整流器的輸出電壓。
??? 開關(guān)控制電路如圖4，只需由CPU的IO0腳輸出一個(gè)高電平，光耦TLP521-1導(dǎo)通，繼電器由三極管驅(qū)動(dòng)吸合之后，220V供電電源即與無(wú)極燈連通，燈被點(diǎn)亮。圖中繼電器之上反向并聯(lián)一個(gè)二極管是為了防止繼電器斷開時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)擊穿三極管。
??? 0～5V的模擬量控制電壓由CPU控制數(shù)字電位器X9241輸出。X9241有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，能夠方便地和PL3120接口。其電路較為簡(jiǎn)單，只需要將PL3120的IO8作為時(shí)鐘線，IO9作為雙向串行數(shù)據(jù)線，同時(shí)定義IO7作為方向控制信號(hào)，用于控制數(shù)據(jù)的傳輸方向，根據(jù)I2C總線協(xié)議編程即可方便實(shí)現(xiàn)控制?？毓夤?jié)點(diǎn)的程序流程設(shè)計(jì)如圖5。
??? 本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠很好地利用LonWorks總線強(qiáng)大的通信功能，實(shí)現(xiàn)隧道中多節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作；同時(shí)利用無(wú)極燈的供電電源線路作為通信介質(zhì)，不僅大大地提高了通信效率，而且節(jié)省了鋪設(shè)電纜的費(fèi)用。
??? 通過(guò)7個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的模擬實(shí)驗(yàn)，可以看到各節(jié)點(diǎn)能夠在通信距離達(dá)600米的模擬隧道中實(shí)現(xiàn)各自的功能并完成通信數(shù)據(jù)的交換，同時(shí)可以檢查出傳感器的故障情況，達(dá)到了預(yù)期的效果。
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[4]?Echelon Corp． PL3120/PL3150 Power Line Smart Transceiver Data Book. Version 2.0 2004.
[5]?重慶交通科研設(shè)計(jì)院．公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：人民交通出版社，2004．