基于电力载波的路灯电缆防盗报警器设计

引言

本文提出一种基于电力载波技术和模数转换器TLC3548的路灯电缆防盗报警器解决方案，可24小时实时监控电缆通断状况，较精确地测量出断缆位置，并将警情及时上报。

1 系统工作原理

路灯电缆防盗报警器由电缆前端防盗主机与电缆末端防盗从机两部分组成。由于系统报警信号的采集针对的是电力电缆线，其本身就是信号的良好载体，因此主机与从机的线缆通信技术采用电力载波通信技术。电力载波通信PLC(Power Line Communication)是电力系统特有的通信方式，它是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。电力载波通信的最大特点是不需要重新架设网络，只要有电缆，就能进行数据传递。

路灯供电线缆均采用三相四线制，由于电缆被剪断时必然三相齐断，因此系统只要监控一相即可。主机放置在变压器端，从机放在线路末端(路灯最后一个灯杆或路灯控制箱中)，当有人窃割或发生事故断线时，系统就会获得必要的报警信息。当路灯晚上开启后，若有电缆发生断路的情况，此时系统可通过判断电流数据和亮灯率的显著变化来检测电缆故障;而当白天路灯关闭后，照明电缆无电，此时则须采用电力载波技术来检测电缆故障。基于电力载波和TLC3548的路灯电缆防盗报警器系统的结构示意图如图1所示。

如图1所示，在每一盏路灯(1，2…n)上都并联有功率阻抗器(RT1，RT2，…RTn)。在停电状态下若出现断线或被窃割，则主机报警终端发送载波信号，由于中途电缆已断，电力线载波通信信道不通，末端从机冈缺电而转入接收状态。报警终端主机每隔5s发送一组载波信号，如收不到末端从机的回答信号，可以认为主机与从机间电力线路中断。

当电缆断路，路灯终端负载数量产生变化，整条被测电缆的阻抗随之产生变化，TLC3548及其外围电路可以精确地测出其变化值，经单片机和标准阻抗值对比，即可较精确地测量出电缆断路处距路灯控制配电柜(变压器端)的位置。报警器主机通过RS485将警情上报给路灯控制器，然后路灯控制器经GPRS通信模块将报警信息上报给路灯控制中心的管理服务器，工作人员接到报警信号后，立即通知工程抢修车抢修，必要时可与110报警中心联合行动。

2 硬件设计

电缆防盗报警器主机可同时检测6条线路，每条线路的末端需要配备一台从机。主机在硬件上分为显示板与控制板两部分。显示板主要实现人机对话，包括设置、加减、查看、确定等按键，以及8位LED数码管和用于显示电缆状态信息的发光二极管，从而实现主机的输入与输出功能。主机的控制板则包括单片机、电力载波模块、模数转换器TLC3548、时钟电路、RS485通信接口、继电器输出控制、电源模块及后备可充电电源、本地声光报警等硬件资源，其硬件原理框图如图2所示，该图为测一路电缆的情况。

主机单片机选用Microchip公司的PIC18F2520，它集成了256字节的EEPROM，带有外接RS485的增强型UART接口，可很好地满足主机的硬件控制需求。主机的单片机通过RS485接收到路灯控制器的关灯指令后，通过控制TLC3548选择被测电缆，然后驱动继电器控制电路，图2中的两只继电器接通所测电缆。与此同时，单片机通过控制电力载波模块向电缆发射载波信号，接收从机的应答信号，并查询TLC3548所测的电缆阻抗值与标定的阻抗标准值进行对比，并对数据加以存储。倘若主机接收不到从机的应答信号，单片机立刻将警情与计算出的断缆距离通过RS 485上报给路灯控制器，并驱动本地声光报警装置。

防盗报警器从机的硬件设计相对简单，主要包括单片机、电力载波模块、继电器控制电路、电源模块及后备可充电电源等硬件资源。当从机接收到主机的电力载波信号后，立即发回一个“应答”信号给报警终端，以表明被测线路正常。

2.1 电力载波通信控制电路设计

电力载波通信模块选用四川科强公司的KQ100F，该模块可在干扰较小的市电正弦波基波零点处进行数据的发送和接收，接收灵敏度较高，远传效果显著。

电力载波通信控制电路原理如图3所示，KQ100F的控制端由RX、TX、R/T三个端口构成，输出信号全为TTL电平，TX接PIC18F2520的RB4端口发送数据;RX接PIC18F2520的RB5端口接收数据;R/T为接收/发送控制端，R/T为高时模块处于接收状态，R/T为低时处于发送状态，由PIC18F2520的RB3端口进行控制。

VAA端为发送功率电源，发送时电流约300 mA，为提高电力载波发送距离，使用直流稳压15 V电源。KQ100F的两个AC端经光耦与继电器控制电路，连接市电的火线L和零线N，光耦TIL113由PIC18F2520的RA0与RA1口进行控制通断，火线与零线均接有保护二极管。

2.2 TLC3548模拟数据采集电路设计

TLC3548是TI公司的14位高分辨率串行模数转换器，它采用SPI串行输入结构，具有8通道、转换速度快、功耗低等特点。TLC3548在工作温度范围内转换时间仅为2.895μs，采样率高达200 ksps，最大线性误差为±1LSB。TLC3548内部有一个片内的8通道多路选择器，可设置为8路单极性ADC或4路双极性ADC。 

TLC3548模拟数据采集电路如图4所示，PIC18F2520的RC2、RC3、RC4与RC5构成SPI接口与TLC3548进行通信。TLC3548在转换结果结束时，EOC输出端变为高电平表示转换完成，PIC18F2520的RB0口可检测此信号，并可输出中断信号给TLC3548。TLC3548使用5 V参考电压，其BGAP引脚与模拟地间并联0.1μF的内部带宽补偿电容。TLC3548的A0～A5分别接6路电缆路灯阻值负载变化值采集通道，图4中给出了第一路的图例，其前端模拟信号输入通道AIN1所测的电压值必须有与之匹配的高精密绕线电阻R1，其阻值要在路灯电缆应用现场进行标定，并随着电缆路灯负载的变化重新进行测定。路灯电缆防盗报警器主机所在的配电柜安装有电流传感器，TLC3548的模拟通道AIN7可采集电流传感器输出的0～5V信号，以判断路灯电缆是否有电流。

3 软件设计

3.1 防盗报警器主机软件设计

防盗报警器的主、从机软件采用C语言和汇编语言混合编程。软件程序的设计采用模块化编程思想，主要包括键处理程序、显尔程序、主程序、串口终端程序等。主机显示板的键处理程序主要包括标准阻抗值设置、通道选择、工作模式、载波发送周期、时钟没置等功能，其主机软件流程图如图5所示。

如图5所示.单片机PIC18F2520的控制程序流程如下：

首先对起始端报警器主机中各功能模块进行初始化设置，并在路灯开启时.分别控制继电器J1、J2，断开与电缆的火线L、零线N的连接。

其次PIC18F2520通过GPRS通信模块接收电缆的标准阻抗值A，并对该数值进行更新，然后判断是否接收到远程控制中心发出的关灯指令;如果未收到，则程序返回到初始化完成处，并等待接收关灯指令;如果PIC18F2520接收到关灯指令，即驱动TLC3548采集电流传感器测出电缆的电流数据，以此判断电缆是否有电流。

若PIC18F2520判断电缆上有电流，则通过TLC3548计算此时电缆的标准阻抗值B，并将此时的标准阻抗值B和电缆的无断缆状态经GPRS通信模块上传给远程控制中心;若PIC18F2520判断电缆上无电流，则控制继电器J1、J2吸合，并控制电力载波通信模块向电缆的火线L与零线N发送电力载波信号。

若PIC18F2520通过电力载波通信模块接收到安置在电缆末端报警器从机的电力载波应答信号，则表示电缆正常，TLC3548计算此时电缆的标准阻抗值C并进行该数值的更新，将更新后的标准阻抗值和电缆的无断缆状态经GPRS通信模块上传给远程控制中心;若PIC18F2520接收不到应答信号，则认为电缆中断，此时PIC18F2520控制电力载波通信模块继续发射电力载波信号，并驱动TLC3548测量AIN1通道电压，将得到的电压数据换算成此时电缆的实际阻抗值D，与预先通过GPRS通信模块接收到的电缆正常时的标准阻抗值A进行差值计算。PIC18F2520将计算得到的差值进行查表程序换算，即得到电缆断缆处距电缆起始端的准确距离，然后将此距离值和报警信息经GPRS通信模块上传给远程控制中心，并驱动声光报警装置在起始端报警器主机所在位置进行现场报警。管理人员接到报警信息后，可以立刻组织相关人员到现场进行查看、抢修或者报告警方。

3.2 防盗报警器从机软件设计

防盗报警器从机的软件设计功能相对简单，主要功能即循环查收主机发送的载波信号，并每5 s向主机发送应答编码信号，并开启定时器计时。

此外，电力载波信号在电缆上的传输距离在3 km左右，倘若路灯铺设电缆的距离超过这一上限，则需要加中继防盗报警器。此时，中继防盗报警器既具有主机的载波发射作用，又具有从机应答接收载波信号的功能。

4 实验结果

本文设计的路灯电缆防盗报警器应用于潍坊市昌乐县远程路灯管理系统中。以昌乐县孤山街为例，全街长为3.12 km，双向共有路灯396盏，实测正常阻抗值A为6.87 kΩ。以孤山街其中6盏路灯为例，分别在#1、#50、#100、#200、#300与#396路灯所在位置切断电缆，实验数据如表1所列。

由表1可以看出，路灯距离报警器主机(配电柜)越近，断缆导致的异常阻抗值和TLC3548模拟通道AIN1采集的电压值变化越大。路灯电缆防盗报警器测得的断点距离可精确到1 m，因而能够较准确地判断出断缆位置。

结语

基于电力载波技术和TLC3548的路灯电缆防盗报警器在实验中取得了预期的效果，但也存在一些需要改进的问题。众所周知，不同城市与街道的路灯电缆铺设构造形式多样，有的环境异常复杂，电缆通电后，存在容抗、感抗、漏电等多种情况，这都会引起TLC3548阻抗计算的误差。因此，对照明电缆的应用环境的实地考察显得格外重要，要结合实际设计技术与施工方案，必要时要加防盗中继报警器以提高系统的可靠性。