??? 摘 要： 提出了一種基于LonWorks總線的遂道燈光智能控制系統(tǒng)，設計采用神經(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" title="智能節(jié)點">智能節(jié)點通過協(xié)同工作，能夠簡單而高效地實現(xiàn)隧道照明" title="隧道照明">隧道照明的自動化控制。
??? 關(guān)鍵詞： LonWorks總線? PL3120? 智能節(jié)點? 隧道照明自動化
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??? 隨著經(jīng)濟和科技水平的不斷發(fā)展，我國的交通網(wǎng)絡越來越發(fā)達，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入、通行和離開隧道區(qū)域。駕駛員常常在進入和離開隧道的時候有一種視覺上的不適應，那種“眼前一黑”和“眼前一亮”的感覺，經(jīng)常會引發(fā)一些交通意外。正是基于這些，隧道內(nèi)的光線設計務必要讓駕駛員較快地適應隧道內(nèi)的照明環(huán)境，從而保證通過隧道時的交通安全。
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，無需專門鋪設通信電纜，可以大大地節(jié)省工程費用；另外，隧道可能長達數(shù)千米，其中的調(diào)光節(jié)點數(shù)目較多，LonWorks總線強大的網(wǎng)絡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)場層兩層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。管理層通過因特網(wǎng)互連，并由上位機通過訪問iLon100網(wǎng)關(guān)獲取LonWorks現(xiàn)場中各個節(jié)點的信息，同時完成LonWorks系統(tǒng)網(wǎng)絡的安裝維護、配置、監(jiān)測等。iLon100網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)中的一個通信樞紐，同時也相當于現(xiàn)場層中的一個特殊節(jié)點，管理層的所有信息都先傳達給它，然后由它通過電力線向各節(jié)點傳送數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場層以LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎，以神經(jīng)元芯片為核心，各個節(jié)點協(xié)調(diào)控制隧道中各處的燈光亮度。設計中現(xiàn)場層采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)，以電力線為傳輸介質(zhì)實現(xiàn)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換[2]。
??? 由于各個智能節(jié)點的信息交換可以直接通過輸入或輸出網(wǎng)絡變量來完成，并且各個智能節(jié)點都是掛在通信介質(zhì)電力線上，因此任何一個LonWorks節(jié)點出現(xiàn)故障只影響其本身而不會危及整個系統(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)控計算機出故障時，整個系統(tǒng)仍可繼續(xù)工作，保證隧道的正常運行，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)點硬件、軟件設計
??? 系統(tǒng)節(jié)點的物理結(jié)構(gòu)采用雙層模塊化設計，將以神經(jīng)元芯片為核心的中央處理單元（CPU）單獨設計為一塊電路板，然后通過插針插于功能模塊之上，以便于系統(tǒng)的調(diào)試與檢查，同時也可以減少不必要的干擾[3]。功能模塊也就是實現(xiàn)光照度檢測和燈光亮度調(diào)節(jié)的具體電路，它們只需要在接收到CPU的控制信號之后產(chǎn)生適當?shù)膭幼骶湍芡瓿烧麄€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)，它是每個節(jié)點都共有的核心模塊；左邊虛框部分則是光照度檢測節(jié)點所特有的，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" title="控制節(jié)點">控制節(jié)點進行算法處理以控制隧道內(nèi)各燈的亮度。此節(jié)點在系統(tǒng)中共設兩個，隧道出口和入口各1個（參見圖1）。右邊虛框部分為燈光亮度控制節(jié)點所特有，其功能是在接收到光強檢測節(jié)點的數(shù)據(jù)后，按照擬訂的算法控制數(shù)字電位器輸出適當?shù)哪M電壓，以控制隧道內(nèi)各燈的整流器從而達到控制光強的效果。此節(jié)點需根據(jù)隧道的長度設立若干個。每個節(jié)點有不同的地址，對應于隧道中不同的位置，其燈光亮度就結(jié)合該地址而對應控制。
??? 以下對各節(jié)點硬件電路及程序設計分別進行介紹。
2.1 CPU部分電路設計
??? 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)部集成了一個神經(jīng)元處理核和一個電力線收發(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專用的電力線收發(fā)器，能夠方便地應用于電力線作為通信介質(zhì)的場合，而且它具有獨特的雙載頻技術(shù)，能夠在主要通信頻率被阻塞時啟用預備頻率工作，從而提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
??? 本系統(tǒng)工作于CENELEC（歐洲電工標準化委員會）的C波段，其通信主頻為132kHz（預備頻率為115kHz），對應的時鐘典型值為10MHz。PL3120芯片的12個I/O" title="I/O">I/O口，可以通過編程實現(xiàn)SPI和I2C等I/O對象與其他電路接口[4]。
??? 由于系統(tǒng)以電力線為傳輸介質(zhì)，通信模塊是通過電源電路耦合到電力線上進行傳輸?shù)?，因此，電源模塊的正確設計是保證節(jié)點正常工作的關(guān)鍵因素。
??? 系統(tǒng)的每一個節(jié)點都設計有獨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：一路信號經(jīng)過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電壓的另一路信號則通過專用的1：1通信變壓器連到PL3120芯片的對應引腳，實現(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計則可以在確定了時鐘和通信頻段之后參考Echelon公司的數(shù)據(jù)手冊得到。
2.2 光照度檢測節(jié)點硬件電路及程序設計
??? 光照度檢測節(jié)點的功能是測量隧道口光照的強度。本系統(tǒng)中使用的光照度傳感器的測量范圍為0～4000勒克斯（Lux），對應的輸出量為0～20mA電流，使用時在其輸出引腳上接一個250Ω的電阻，可將電流信號轉(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通過讀取ADC轉(zhuǎn)換的電壓值即可計算出光照強度的大小。應用中采用3個相同的傳感器測量同一位置的光照度，取其平均值以減小測量誤差，同時還可以分析三者測量數(shù)據(jù)的偏差來判斷傳感器的工作是否正常。
??? 光照度測量節(jié)點的電路設計如圖3，PL3120通過編程實現(xiàn)串行SPI接口完成對AD轉(zhuǎn)換器MCP3004的控制，其中IO8作為時鐘線與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進行電源隔離。
2.3 燈光亮度控制節(jié)點設計
??? 在本系統(tǒng)中，燈光強度控制節(jié)點是隧道照明的核心部分。首先將照明情況分成64級，即晴天最大亮度定為63級，夜間最低亮度定為0級，由入口處的測光節(jié)點所測得的亮度數(shù)據(jù)確定外界亮度等級，然后根據(jù)隧道的長度確定隧道中光強控制節(jié)點的數(shù)目和位置，并根據(jù)隧道照明曲線計算隧道內(nèi)的各點的亮度等級。調(diào)光節(jié)點收到亮度級數(shù)信息就會輸出對應的調(diào)光電壓來控制電磁感應無極燈。
2.3.1 隧道照明段的設計
??? 本照明系統(tǒng)參照中華人民共和國交通部發(fā)布的《公路隧道設計規(guī)范》將整個隧道從入口到出口劃分為入口段、中間段和出口段三個部分[5]，并將亮度曲線離散化后轉(zhuǎn)換成對應的亮度等級，方便程序進行控制。以上三段的長度可以根據(jù)隧道總長進行劃分，整個系統(tǒng)以隧道中央為對稱點，入口段亮度由外界亮度逐級遞減，中間段則全部保持最低的亮度等級，到出口段再逐級增加。
2.3.2 無極燈的開關(guān)及亮度控制
??? 燈光亮度控制節(jié)點的功能是控制隧道內(nèi)各盞燈的開、關(guān)以及燈打開時的亮度。共有兩個控制信號輸出，一個是由繼電器輸出的開關(guān)量，另一個則是數(shù)字電位器X9241輸出的0～5V的模擬控制量，以控制無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腳輸出一個高電平，光耦TLP521-1導通，繼電器由三極管驅(qū)動吸合之后，220V供電電源即與無極燈連通，燈被點亮。圖中繼電器之上反向并聯(lián)一個二極管是為了防止繼電器斷開時產(chǎn)生的反向電動勢擊穿三極管。
??? 0～5V的模擬量控制電壓由CPU控制數(shù)字電位器X9241輸出。X9241有一個標準的I2C接口，能夠方便地和PL3120接口。其電路較為簡單，只需要將PL3120的IO8作為時鐘線，IO9作為雙向串行數(shù)據(jù)線，同時定義IO7作為方向控制信號，用于控制數(shù)據(jù)的傳輸方向，根據(jù)I2C總線協(xié)議編程即可方便實現(xiàn)控制。控光節(jié)點的程序流程設計如圖5。
??? 本文所設計的系統(tǒng)能夠很好地利用LonWorks總線強大的通信功能，實現(xiàn)隧道中多節(jié)點的協(xié)同工作；同時利用無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)省了鋪設電纜的費用。
??? 通過7個智能節(jié)點的模擬實驗，可以看到各節(jié)點能夠在通信距離達600米的模擬隧道中實現(xiàn)各自的功能并完成通信數(shù)據(jù)的交換，同時可以檢查出傳感器的故障情況，達到了預期的效果。
參考文獻
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[2]?劉永生. Echelon公司的電力線載波通信技術(shù)[J].儀器儀表標準化與計量,2002，(9)：20-22.
[3]?黃天戍，祁昶．Lon總線多點I/O智能節(jié)點的開發(fā)[J]．電子技術(shù)應用，2002，28(9)：37～39．
[4]?Echelon Corp． PL3120/PL3150 Power Line Smart Transceiver Data Book. Version 2.0 2004.
[5]?重慶交通科研設計院．公路隧道設計規(guī)范.北京：人民交通出版社，2004．