??? 摘 要： 提出了一種基于LonWorks總線的遂道燈光智能控制系統，設計采用神經元芯片" title="神經元芯片">神經元芯片PL3120作為控制核心，以照明系統的供電線路作為通信介質，各智能節點" title="智能節點">智能節點通過協同工作，能夠簡單而高效地實現隧道照明" title="隧道照明">隧道照明的自動化控制。
??? 關鍵詞： LonWorks總線? PL3120? 智能節點? 隧道照明自動化
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??? 隨著經濟和科技水平的不斷發展，我國的交通網絡越來越發達，隧道結構在其中起著重要的作用。然而，隧道結構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，經常會引發一些交通意外。正是基于這些，隧道內的光線設計務必要讓駕駛員較快地適應隧道內的照明環境，從而保證通過隧道時的交通安全。
1 系統概述
??? 本文所提出的方案是基于LonWorks總線技術的智能燈光控制系統。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，系統中的數據交換能夠直接使用照明系統的供電電源線，無需專門鋪設通信電纜，可以大大地節省工程費用；另外，隧道可能長達數千米，其中的調光節點數目較多，LonWorks總線強大的網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]。
??? 本系統采用管理層和現場層兩層結構，如圖1所示。管理層通過因特網互連，并由上位機通過訪問iLon100網關獲取LonWorks現場中各個節點的信息，同時完成LonWorks系統網絡的安裝維護、配置、監測等。iLon100網關是系統中的一個通信樞紐，同時也相當于現場層中的一個特殊節點，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點傳送數據。現場層以LonWorks現場總線技術為基礎，以神經元芯片為核心，各個節點協調控制隧道中各處的燈光亮度。設計中現場層采用總線型拓撲結構，以電力線為傳輸介質實現各節點之間的數據交換[2]。
??? 由于各個智能節點的信息交換可以直接通過輸入或輸出網絡變量來完成，并且各個智能節點都是掛在通信介質電力線上，因此任何一個LonWorks節點出現故障只影響其本身而不會危及整個系統，這種徹底的分散型控制體系提高了系統的可靠性、自治性和靈活性。特別是監控計算機出故障時，整個系統仍可繼續工作，保證隧道的正常運行，這和以往的控制系統相比具有極大的優越性。
2 各節點硬件、軟件設計
??? 系統節點的物理結構采用雙層模塊化設計，將以神經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，以便于系統的調試與檢查，同時也可以減少不必要的干擾[3]。功能模塊也就是實現光照度檢測和燈光亮度調節的具體電路，它們只需要在接收到CPU的控制信號之后產生適當的動作就能完成整個功能了。電路結構框圖如圖2所示，中間虛框部分為CPU板的基本結構，它是每個節點都共有的核心模塊；左邊虛框部分則是光照度檢測節點所特有的，其功能是將光照度信息轉換為電壓并量化，然后送給燈光亮度控制節點" title="控制節點">控制節點進行算法處理以控制隧道內各燈的亮度。此節點在系統中共設兩個，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點所特有，其功能是在接收到光強檢測節點的數據后，按照擬訂的算法控制數字電位器輸出適當的模擬電壓，以控制隧道內各燈的整流器從而達到控制光強的效果。此節點需根據隧道的長度設立若干個。每個節點有不同的地址，對應于隧道中不同的位置，其燈光亮度就結合該地址而對應控制。
??? 以下對各節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公司生產的PL3120。PL3120是專用于電力線系統的神經元芯片，其內部集成了一個神經元處理核和一個電力線收發器。該芯片除了具有普通神經元芯片的性能，更重要的是它具有一個專用的電力線收發器，能夠方便地應用于電力線作為通信介質的場合，而且它具有獨特的雙載頻技術，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的穩定性。
??? 本系統工作于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SPI和I2C等I/O對象與其他電路接口[4]。
??? 由于系統以電力線為傳輸介質，通信模塊是通過電源電路耦合到電力線上進行傳輸的，因此，電源模塊的正確設計是保證節點正常工作的關鍵因素。
??? 系統的每一個節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：一路信號經過普通變壓器和三端穩壓芯片得到15V、12V和5V的直流電壓。為通信模塊發射電路、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，實現發射接收模塊與電力線的安全連接。發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公司的數據手冊得到。
2.2 光照度檢測節點硬件電路及程序設計
??? 光照度檢測節點的功能是測量隧道口光照的強度。本系統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，可將電流信號轉換為0～5V的電壓以便于AD轉換器采樣。AD轉換器使用Microchip公司的MCP3004，CPU通過讀取ADC轉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據的偏差來判斷傳感器的工作是否正常。
??? 光照度測量節點的電路設計如圖3，PL3120通過編程實現串行SPI接口完成對AD轉換器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分別作為數據的輸入和輸出線與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 燈光亮度控制節點設計
??? 在本系統中，燈光強度控制節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，由入口處的測光節點所測得的亮度數據確定外界亮度等級，然后根據隧道的長度確定隧道中光強控制節點的數目和位置，并根據隧道照明曲線計算隧道內的各點的亮度等級。調光節點收到亮度級數信息就會輸出對應的調光電壓來控制電磁感應無極燈。
2.3.1 隧道照明段的設計
??? 本照明系統參照中華人民共和國交通部發布的《公路隧道設計規范》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隧道總長進行劃分，整個系統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 無極燈的開關及亮度控制
??? 燈光亮度控制節點的功能是控制隧道內各盞燈的開、關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量，另一個則是數字電位器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一個二極管是為了防止繼電器斷開時產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作為雙向串行數據線，同時定義IO7作為方向控制信號，用于控制數據的傳輸方向，根據I2C總線協議編程即可方便實現控制。控光節點的程序流程設計如圖5。
??? 本文所設計的系統能夠很好地利用LonWorks總線強大的通信功能，實現隧道中多節點的協同工作；同時利用無極燈的供電電源線路作為通信介質，不僅大大地提高了通信效率，而且節省了鋪設電纜的費用。
??? 通過7個智能節點的模擬實驗，可以看到各節點能夠在通信距離達600米的模擬隧道中實現各自的功能并完成通信數據的交換，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
[1] 凌志浩．從神經元芯片到控制網絡[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2002.
[2]?劉永生. Echelon公司的電力線載波通信技術[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智能節點的開發[J]．電子技術應用，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．公路隧道設計規范.北京：人民交通出版社，2004．