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摘要：搭建一个可调光路灯段内组网的模拟实验系统，对上位机、主控制终端和多个子终端之间进行通信设计，并完成主控制终端和多个子节点终端之间的电力线载波通讯实验。分析上位机接收的多个命令数据，最终实验数据与上位机发送命令数据相同，则实现了各子个控制终端、主控制终端与上位机之间通信成功。
关键词：可调光；组网；电力线载波；通信
中图分类号：TM923 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）03-0237-02
Abstract： A simulation experiment system in network of a section of dimmable street lamp is set up， the communication process is designed for the centralized control terminal and multiple sub terminal. In the experimental study and analysis the data received by upper computer ， the final experimental data is the same as the previous command data. The communication between multiple sub-terminals， centralized control and upper computer can realize through simulated experimental system.
Key words： dimmable； network； power line carrier ； communication
随着城市现代化建设步伐的加快，城市照明已成为整个城市形象的重要因素。众多路灯在带来方便的同时也消耗了大量的能源，一般采用时控法、光控法和人工巡查对路灯进行控制，控制方法及管理手段需要改进和发展，传统的路灯的控制管理方式已经不能满足路灯照明的时代需求[1]。
自20世纪90年代开始，西方国家就开始从事智能照明控制系统的研发。美国采用X-10電力载波通信技术，利用电力载波通信对路灯控制。随后英国的曼彻斯特也采用电力载波通信技术[3-4]。由于无线网络技术方案与电力线载波方案具有不需要专用的网络线路，同时安装、扩展方便灵活，甚至不用连接电源线而采用电池供电，使用便捷，成本低等优点[2]。
国内路灯监控系统从20世纪 80 年代开始，上海市区的路灯控制系统在1993年已经实现了遥信、遥感、遥测等功能，以无线通信为主的原则，还采用有线和无线相结合的手段。2003年，长沙第一次采用了GPRS通信技术，对全市路灯实行了管理[5-8]。这种通信方式不但信号覆盖力强、投资低、迅速、组网简单、数据实时、灵活、稳定等广泛的优势应用在路灯控制系统中。2008年，曹戈等人提出了基于低压电力线通讯的路灯控制系统。2015年袁佳，韩颖，刘建峰等人提出了基于ZigBee和GPRS的组网路灯控制系统，但是ZigBee投资大、维护费高、通讯距离短[9-11]。
综合考虑我们将采用无线GPRS通信与低压电力载波通信相结合的方式构建监控网络，兼顾低成本与高可靠性。PL3106集电力载波功能与单片机控制路灯调光功能于一体，因此路灯终端控制器的主芯片选用PL3106[12]。本文以GPRS为一级网络、低压电力线为二级网络的段式路灯控制系统。在图1所示的段内组网结构基础上，本文搭建了可调光段内组网系统的模拟实验环境，对上位机，主控制终端、多个子控制终端之间进行测试并分析 Modbus数据，实现多个子控制终端、主控制终端、上位机之间通信。
1 软件设计
1.1 串口通信子程序
上位机通过串口RS232向主控制终端发送Modbus命令，串口接收到上位机命令后，对中断类型进行判断。若为发送中断，每次发送一个字节，发送一次字节长度计数器减一，发送寄存器移入下一个字节，当字节长度减少1位，并一直循环直到所有字节发送完毕，退出中断。如图2所示。若为接收中断，每次接收一个字节。根据Modbus协议的特点第一个字节是地址码，首先判定地址码，地址码正确后 接收剩余字节，每接收一个字节判断一次是否接收完毕，当接收完毕后，存储数据，退出中断。如图3所示。
1.2 写命令分析
根据Modbus-RTU通信协议， Modbus命令包括路灯终端地址、功能码、起始地址、数据域和CRC校验域。控制命令采用只读功能0x01、0x02与0x04对路灯终端的开关状态及功率状态进行读取，采用读写功能码0x05对路灯进行调光控制[13]。
由Modbus命令可知，控制命令的第三个字节为起始地址，即读输入寄存器DO[i]的位地址。其中地址0代表路灯开关控制，地址1代表路灯100%功率，地址2代表路灯75%功率，地址3代表路灯50%功率。同时控制命令的第四、五个字节为数据域，0FF00H代表控制命令操作有效；0000H代表控制操作无效。
2 数据结果分析
上位机的串口调试软件对地址为F2H、F3H与F4H子控制终端发送控制命令F2 05 00 01 FF 200 39 C9H、F3 05 00 02 FF 00 E8 38H与F4 05 00 03 FF 00 9F 68H，对F2H子控制终端进行100%功率调光，F3H子控制终端75%功率调光，F4H子控制终端50%功率调光。首先上位机通过串口将控制命令发送到地址为F1H主控制终端，主控制终端通过电力线传输给子控制终端，对应地址的子控制终端接收到命令后，对应地址的子控制终端返回应答命令到主控制终端，主控制终端通过串口将应答命令返回上位机，可实现上位机、主控制终端与多个子控制终端之间通信。 3 实验结果
利用串口监测软件监测路灯的串口通信情况，串口通信情况如图4所示，监测情况表明上位机与3个子控制终端间的Modbus命令通信的数据发送和接收。
串口采用10位异步收发的工作方式，由图4可得出第一个子终端功率100%对应数据， Modbus命令十六进制可表示为F2 05 00 01 FF 00 39 C9H，与主控制终端发送的命令码相同，说明子终端正确应答主控制终端信息，即路灯终端载波通信成功。同样，由图4可得出第二个子终端功率为75%对应数据，Modbus命令十六进制可表示为F3 05 00 02 FF 00 E8 38H，与主控制终端发送的命令码相同，即通信成功。由图4可得出第三个子终端功率为50%对应数据，Modbus命令十六进制可表示为F4 05 00 03 FF 00 9F 68H，与主控制终端发送的命令码相同，即通信成功。可得出主控制终端可以向多个子控制终端发送命令，并且接收到正确应答信息，实现了一对多控制，并且可以实现100%、75%与50%功率的控制。
4 结论
模拟实验系统采用PC机模拟了上位机，四个子终端分别模拟了路段内的主控制终端与3个子控制终端。测试了上位机对Modbus命令连续的发送与接收，并且地址為F2H、F3H与F4H的子控制终端可以正确应答主控制终端信息。表明路灯可调光段内组网的模拟系统可实现上位机、主控制终端和多个子控制终端之间的通信。
参考文献：
[1] 罗贞礼.我国城市路灯照明节能现状与前景分析[J].新材料产业，2013，（9）：53-56.
[2] 梁人杰.智能照明控制技术发展现状与未来展望[J].照明工程学报，2014，25（2）：15-26.
[3] Zhang Jun， Wang Hui ， Qiao Guifang，et al.Design and implementation of a WSN based remote monitoring system for street lighting[J].Energy Procedia， 2011（13）：9273-9279.
[4] 彭红娟.路灯电子镇流器的通讯技术研究[D].西安：西安石油大学，2015.
[5] 徐利谋，黄长远.基于GPRS和ZigBee的城市路灯监控系统研究与实现[J].物联网技术，2016，（6）：34-35.37
[6] 向敏，王时贺，赵星宇.一种基于电力载波通信的路灯控制系统集中器的设计[J].重庆邮电大学学报，2013，25（2）：161-165.
[7] 姚伟，韦云生，高益峰，等.基于PLC/GPRS的智能照明单灯监控系统设计[J].广西科技大学学报，2015，26（1）：63-69，89.
[8] 李儒，程为彬，郭颖娜，等.基于Modbus协议的城市路灯监控系统设计[J].照明工程学报，2015，26（5）：19-23.
[9] 彭红娟，郭颖娜，程为彬.基于PL3106的路灯电子镇流器调光设计[J].电气应用，2015，34（10）：34-37.
[10] 杨蕊冰.基于PL3106的路灯终端载波通信研究[J].电脑知识与技术，2016（36）.
关键词：可调光；组网；电力线载波；通信
中图分类号：TM923 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）03-0237-02
Abstract： A simulation experiment system in network of a section of dimmable street lamp is set up， the communication process is designed for the centralized control terminal and multiple sub terminal. In the experimental study and analysis the data received by upper computer ， the final experimental data is the same as the previous command data. The communication between multiple sub-terminals， centralized control and upper computer can realize through simulated experimental system.
Key words： dimmable； network； power line carrier ； communication
随着城市现代化建设步伐的加快，城市照明已成为整个城市形象的重要因素。众多路灯在带来方便的同时也消耗了大量的能源，一般采用时控法、光控法和人工巡查对路灯进行控制，控制方法及管理手段需要改进和发展，传统的路灯的控制管理方式已经不能满足路灯照明的时代需求[1]。
自20世纪90年代开始，西方国家就开始从事智能照明控制系统的研发。美国采用X-10電力载波通信技术，利用电力载波通信对路灯控制。随后英国的曼彻斯特也采用电力载波通信技术[3-4]。由于无线网络技术方案与电力线载波方案具有不需要专用的网络线路，同时安装、扩展方便灵活，甚至不用连接电源线而采用电池供电，使用便捷，成本低等优点[2]。
国内路灯监控系统从20世纪 80 年代开始，上海市区的路灯控制系统在1993年已经实现了遥信、遥感、遥测等功能，以无线通信为主的原则，还采用有线和无线相结合的手段。2003年，长沙第一次采用了GPRS通信技术，对全市路灯实行了管理[5-8]。这种通信方式不但信号覆盖力强、投资低、迅速、组网简单、数据实时、灵活、稳定等广泛的优势应用在路灯控制系统中。2008年，曹戈等人提出了基于低压电力线通讯的路灯控制系统。2015年袁佳，韩颖，刘建峰等人提出了基于ZigBee和GPRS的组网路灯控制系统，但是ZigBee投资大、维护费高、通讯距离短[9-11]。
综合考虑我们将采用无线GPRS通信与低压电力载波通信相结合的方式构建监控网络，兼顾低成本与高可靠性。PL3106集电力载波功能与单片机控制路灯调光功能于一体，因此路灯终端控制器的主芯片选用PL3106[12]。本文以GPRS为一级网络、低压电力线为二级网络的段式路灯控制系统。在图1所示的段内组网结构基础上，本文搭建了可调光段内组网系统的模拟实验环境，对上位机，主控制终端、多个子控制终端之间进行测试并分析 Modbus数据，实现多个子控制终端、主控制终端、上位机之间通信。
1 软件设计
1.1 串口通信子程序
上位机通过串口RS232向主控制终端发送Modbus命令，串口接收到上位机命令后，对中断类型进行判断。若为发送中断，每次发送一个字节，发送一次字节长度计数器减一，发送寄存器移入下一个字节，当字节长度减少1位，并一直循环直到所有字节发送完毕，退出中断。如图2所示。若为接收中断，每次接收一个字节。根据Modbus协议的特点第一个字节是地址码，首先判定地址码，地址码正确后 接收剩余字节，每接收一个字节判断一次是否接收完毕，当接收完毕后，存储数据，退出中断。如图3所示。
1.2 写命令分析
根据Modbus-RTU通信协议， Modbus命令包括路灯终端地址、功能码、起始地址、数据域和CRC校验域。控制命令采用只读功能0x01、0x02与0x04对路灯终端的开关状态及功率状态进行读取，采用读写功能码0x05对路灯进行调光控制[13]。
由Modbus命令可知，控制命令的第三个字节为起始地址，即读输入寄存器DO[i]的位地址。其中地址0代表路灯开关控制，地址1代表路灯100%功率，地址2代表路灯75%功率，地址3代表路灯50%功率。同时控制命令的第四、五个字节为数据域，0FF00H代表控制命令操作有效；0000H代表控制操作无效。
2 数据结果分析
上位机的串口调试软件对地址为F2H、F3H与F4H子控制终端发送控制命令F2 05 00 01 FF 200 39 C9H、F3 05 00 02 FF 00 E8 38H与F4 05 00 03 FF 00 9F 68H，对F2H子控制终端进行100%功率调光，F3H子控制终端75%功率调光，F4H子控制终端50%功率调光。首先上位机通过串口将控制命令发送到地址为F1H主控制终端，主控制终端通过电力线传输给子控制终端，对应地址的子控制终端接收到命令后，对应地址的子控制终端返回应答命令到主控制终端，主控制终端通过串口将应答命令返回上位机，可实现上位机、主控制终端与多个子控制终端之间通信。 3 实验结果
利用串口监测软件监测路灯的串口通信情况，串口通信情况如图4所示，监测情况表明上位机与3个子控制终端间的Modbus命令通信的数据发送和接收。
串口采用10位异步收发的工作方式，由图4可得出第一个子终端功率100%对应数据， Modbus命令十六进制可表示为F2 05 00 01 FF 00 39 C9H，与主控制终端发送的命令码相同，说明子终端正确应答主控制终端信息，即路灯终端载波通信成功。同样，由图4可得出第二个子终端功率为75%对应数据，Modbus命令十六进制可表示为F3 05 00 02 FF 00 E8 38H，与主控制终端发送的命令码相同，即通信成功。由图4可得出第三个子终端功率为50%对应数据，Modbus命令十六进制可表示为F4 05 00 03 FF 00 9F 68H，与主控制终端发送的命令码相同，即通信成功。可得出主控制终端可以向多个子控制终端发送命令，并且接收到正确应答信息，实现了一对多控制，并且可以实现100%、75%与50%功率的控制。
4 结论
模拟实验系统采用PC机模拟了上位机，四个子终端分别模拟了路段内的主控制终端与3个子控制终端。测试了上位机对Modbus命令连续的发送与接收，并且地址為F2H、F3H与F4H的子控制终端可以正确应答主控制终端信息。表明路灯可调光段内组网的模拟系统可实现上位机、主控制终端和多个子控制终端之间的通信。
参考文献：
[1] 罗贞礼.我国城市路灯照明节能现状与前景分析[J].新材料产业，2013，（9）：53-56.
[2] 梁人杰.智能照明控制技术发展现状与未来展望[J].照明工程学报，2014，25（2）：15-26.
[3] Zhang Jun， Wang Hui ， Qiao Guifang，et al.Design and implementation of a WSN based remote monitoring system for street lighting[J].Energy Procedia， 2011（13）：9273-9279.
[4] 彭红娟.路灯电子镇流器的通讯技术研究[D].西安：西安石油大学，2015.
[5] 徐利谋，黄长远.基于GPRS和ZigBee的城市路灯监控系统研究与实现[J].物联网技术，2016，（6）：34-35.37
[6] 向敏，王时贺，赵星宇.一种基于电力载波通信的路灯控制系统集中器的设计[J].重庆邮电大学学报，2013，25（2）：161-165.
[7] 姚伟，韦云生，高益峰，等.基于PLC/GPRS的智能照明单灯监控系统设计[J].广西科技大学学报，2015，26（1）：63-69，89.
[8] 李儒，程为彬，郭颖娜，等.基于Modbus协议的城市路灯监控系统设计[J].照明工程学报，2015，26（5）：19-23.
[9] 彭红娟，郭颖娜，程为彬.基于PL3106的路灯电子镇流器调光设计[J].电气应用，2015，34（10）：34-37.
[10] 杨蕊冰.基于PL3106的路灯终端载波通信研究[J].电脑知识与技术，2016（36）.