一種基于電力載波通信的路燈控制系統(tǒng)集中器的設計

向 敏，王時賀，趙星宇

(1.重慶郵電大學工業(yè)物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，重慶，400065;2.重慶市物聯網工程技術研究中心，重慶，400065)

0 引言

近幾年，隨著物聯網技術的快速發(fā)展及其應用推廣，路燈控制技術也有很大地提高。目前應用于路燈控制的通信方式主要包括有線(以太網技術)、短距離無線通信和電力載波通信［1－3］。有線控制方式布線難度極大，加上設備和維護費用昂貴，使其較難大規(guī)模應用;短距離無線通信安裝方便，但目前無線信號頻段較多，相互干擾較大，常導致其通信質量無法保證;此外，無線射頻信號在隧道中存在多徑衰減，通信距離較短，導致其在隧道路燈控制應用中受限;電力線載波通信技術具有不需額外布線、覆蓋范圍廣和連接方便等特點［4］，但低壓電力線上通常存在強干擾且負載變化頻繁，使電力載波通信質量受到嚴重影響［5－6］，這導致電力載波通信技術應用在一定程度上受到限制。而城市道路或高速公路的路燈用電線路為專線，其負載為單一種類的路燈，且路燈線路供電端都有獨立的配電柜，因此，線路干擾較小，負載阻抗變化微弱，將電力載波通信技術應用于路燈控制具有可行性。

目前應用電力載波通信技術的場合多為智能電表抄表系統(tǒng)［7－8］，其網絡構成多為樹形機構［9］，其實時性和可靠性要求相對較低，通常要求集中器能在24 h內與終端完成一次通信即可，這顯然不適用于實時性和可靠性要求高的路燈控制系統(tǒng)。針對這一問題，本文設計了一種采用三相電源供電的集中器，利用32位高速微控制器，基于嵌入式操作系統(tǒng)，將電力線載波通信、GPRS通信和以太網通信進行協同管理，通過GPRS通信或者以太網通信接收管理中心下發(fā)的控制指令，經3個單相電力線載波通信模塊實現對連接于三相的路燈控制，并將路燈控制器回復的數據通過GPRS通信或者以太網通信反饋到遠程管理中心。此外，通過交流過零中斷技術實現三相電缺相檢測，一旦發(fā)現缺相，及時報告管理中心，實現了集中器與控制終端和遠程管理中心的快速、可靠通信。

1 設計方案

在路燈控制系統(tǒng)中，集中器接收來自路燈控制終端運行狀況信息并實現對其直接控制，同時需要與遠程監(jiān)控中心進行信息交互。它位于配電變壓器的低壓側，與A，B，C三相電力線相聯，是整個系統(tǒng)的通信控制樞紐，決定了整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，集中器與路燈控制系統(tǒng)的關系如圖1所示。

圖1 集中器與路燈控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of concentrator and road lamps control system

在圖1中，定義信息由遠程控制中心下發(fā)指令給集中器，集中器將指令轉發(fā)至路燈控制節(jié)點稱為下行通信;信息從路燈控制節(jié)點傳遞到集中器，經集中器轉發(fā)至遠程控制中心為上行通信。集中器與遠程控制中心信息交互主要有以下任務:①接收遠程管控中心指令，對指令進行解析;②將收到的路燈終端運行狀況信息上傳至管控中心，使管控中心有效監(jiān)控整個系統(tǒng)運行狀況，對不正常現象及時調整。

集中器與路燈終端的信息交互，主要完成以下任務:①根據遠程控制中心指令完成對路燈的控制和接收路燈終端的反饋信息;②當無法與遠程控制中心通信時，可依據初始設置的控制方案對系統(tǒng)進行自主控制。

1.1 集中器硬件設計

集中器硬件平臺以高速的32位微控制器AT91RM40008為核心，主要包括微控制器單元、程序存儲單元、電力線載波單元、GPRS通信單元、以太網通信單元、串口單元、電源模塊單元組成，從而實現連接和管理電力線載波通信功能、以太網通信、GPRS等通信功能，其組成結構如圖2所示。

圖2 集中器硬件組成結構圖Fig.2 Hardware structure diagram of the concentrator

在圖2中，電力線載波通信單元由微處理器通過串口通信擴展芯片分別與3個獨立的電力載波通信模塊連接，從而實現集中器與A，B，C三相所配路燈進行獨立通信。為減少相間干擾和載波信號對載波信號調制、解調電源的影響以及數字電路部分對載波信號的干擾，硬件設計中分別在交流三相四線中串入阻波器，一方面阻止高頻信號向不需要的方向發(fā)送;另一方面，還抑制大功率負載及其噪聲對載波系統(tǒng)的影響，過濾掉不需要的信號，從而提高載波通信質量。

微處理器通過系統(tǒng)總線實現與10 MHz/100 MHz自適應網絡控制芯片，實現以太網通信，通過串口實現與GPRS通信模塊進行數據交換。

電源模塊使用三相供電，有效地防止缺相導致集中器不能正常供電問題。電源模塊設置為2種輸出:線性輸出和開關輸出。線性輸出電源穩(wěn)定性高，紋波小，為PLC電力載波模塊供電，實現載波信號的調制和解調;開關電源輸出的紋波較大，但可提供較大電流，為CPU及其它單元提供電源，保證集中器正常工作。

集中器工作狀態(tài)中缺相檢測通過載波電路中交流過零點中斷技術實現，微控制器在預設時間內沒有檢測到某相載波模塊的過零信號，該載波模塊發(fā)送缺相報告幀，微控制器收到該缺相報告幀后，添加上該相的相位信息再通過以太網或GPRS通信方式將該幀上報給遠程管理中心，且微控制器不再向該相電路發(fā)送信號，直至該相供電恢復后。

1.2 集中器軟件設計

集中器微控制器單元采用μC/OS－II操作系統(tǒng)，為GPRS通信模塊、以太網通信模塊、三相電力線載波模塊創(chuàng)建任務。為提高軟件運行的可靠性，采用底層驅動模塊實現各硬件模塊對嵌入式操作系統(tǒng)的支持，使之更好地運行于集中器。各個通信模塊以協議棧方式實現通信信息的解析、處理和封裝數據包功能，其中，GPRS無線通信模塊和以太網通信模塊實現集中器與遠程控制中心信息交互，電力載波通信模塊實現集中器與路燈控制終端信息交互。

1.2.1 集中器軟件結構

集中器的軟件結構如圖3所示。主要包括嵌入式操作系統(tǒng)模塊、底層驅動模塊及上層應用模塊，其中，上層應用模塊主要包括檢測模塊、上行通信模塊、下行通信模塊和協議模塊。

圖3 集中器的軟件結構圖Fig.3 Software structure diagram of the concentrator

嵌入式操作系統(tǒng)模塊包括任務管理、時間管理、內存管理、信號量與消息隊列管理等。CPU驅動主要完成中斷向量設置、RAM初始化、高級中斷管理、I/O口功能設置與管理、CPU主時鐘配置、外設地址配置、地址重映射等;任務管理包括任務創(chuàng)建、任務掛起/喚醒、任務刪除等。本集中器創(chuàng)建的任務包括GPRS通信任務、以太網通信任務、串口通信任務、載波通信任務、系統(tǒng)及載波性能檢測任務等，使用信號量與消息隊列來完成任務間的通信。該集中器中需要使用定時器來提供操作系統(tǒng)時鐘，實現實時時鐘、設置三相間數據發(fā)送間隔、定時等待數據接收、數據回復超時等功能。

底層驅動模塊包括以太網卡驅動、串口擴展驅動、串行通信驅動以及中斷處理部分，主要完成對網卡、串口及串口擴展芯片的初始化和配置，包括通信速率、時鐘、通信方式、設備使能配置及為應用層提供相關設備的函數接口等。

集中器通過通信模塊接收到數據后需要傳遞一個信號量或者消息隊列，將接收到的內容交給協議模塊處理。協議模塊完成對收到的數據包解析處理，并按通信協議封裝數據包，調用通信模塊將數據發(fā)送出去;通信模塊主要包括GPRS模塊的數據收發(fā)、網口的數據收發(fā)、串口的數據收發(fā)和三相載波模塊的數據收發(fā)。檢測模塊是用來測試系統(tǒng)的丟包率、載波信號的強度、工作模式及三相電情況實時監(jiān)測。還可以用于設備批量生產時對新生產設備進行測試，測試設備硬件是否正常、軟件是否正常運行，設備ID信息是否正確等。

1.2.2 上行通信過程

上行通信過程為路燈控制節(jié)點發(fā)送數據經集中器上傳至遠程管理中心的過程。集中器從串口擴展芯片接收到的數據即為路燈終端傳遞上來的數據，在接收數據過程中，集中器首先調用串口擴展接收函數的函數接口，等待接收完數據后，將接收到的數據存放在建立好的信號量里，同時CPU創(chuàng)建一個載波模塊接收信息處理任務，該任務一直處于循環(huán)等待狀態(tài)，直到有新的信號量發(fā)生，將數據從信號量里取出，并分析數據類型后直接通過GPRS發(fā)送至管控中心，或者經過通過TCP/IP協議棧封裝成以太網數據經以太網接口發(fā)送至管理中心。上行通信流程如圖4所示。

1.2.3 下行通信過程

下行通信過程為遠程管理中心發(fā)送指令經集中器下發(fā)至路燈節(jié)點的過程。集中器從GPRS無線通信接口接收到數據后經串口將數據發(fā)送至微控制器;如果從普通網口接收到數據，則直接送至微控制器解析。判斷數據類型如果是校時命令，則對集中器實時時鐘芯片進行校時操作;如果不是校時命令，判斷命令是否發(fā)送給集中器上A/B/C相載波模塊，如果是，則直接發(fā)送至各個載波模塊，否則判斷是否是發(fā)送給終端控制器的單點控制指令，如果是，進一步判斷數據是單播數據還是廣播數據，如果是單點控制指令，則查找目的ID屬于哪一相位下的設備，將該相相位的ID信息及時間戳信息添加到數據包頭部，再發(fā)送至該相載波模塊。如果是廣播數據，則依次添加三相載波模塊的ID信息，啟用系統(tǒng)定時器使A，B，C三相載波模塊依次相隔1 s發(fā)送出去。信息下行處理流程如圖5所示。

2 測試與分析

載波模塊的耦合電壓對載波信號的耦合有著直接的影響關系，主要測試其紋波干擾，通過實際測試，載波調制/解調電源紋波為27.6 mV，滿足集中器對電源的要求。

為了評估集中器的載波信號靈敏度，在重慶電科院的電力線載波測試平臺上進行了相關測試。測試平臺能夠通過負載柜對載波信號施加不同強度的衰減。在傳輸信道兩端分別連接集中器和路燈控制終端，載波信號靈敏度測試平臺示意圖如圖6所示。

圖6 靈敏度測試平臺示意圖Fig.6 Schematic diagram of the sensitivity test platform

測試過程中，集中器循環(huán)發(fā)送測試命令幀，路燈終端收到此數據幀后作出回復，測試平臺通過負載柜對載波信號施加不同信號強度的衰減。為評估性能，集中器每發(fā)送一次命令，如果未能收到回饋信息，則視本次通信失敗，即數據包丟失。上位機對整個測試過程進行監(jiān)控記錄，并統(tǒng)計出在不同衰減信號強度下的丟包率等信息，通過丟包率的大小分析集中器載波通信的靈敏度。測試結果統(tǒng)計如表1所示。

表1 靈敏度測試結果Tab.1 Test results of the sensitivity

由表1可以看出，在衰減低于85 dB時，丟包率為0%，有很高的靈敏度，信號傳輸可靠。繼續(xù)增大衰減，數據傳輸就會出現丟包，為保證通信的可靠性，集中器通過協議采用信息重發(fā)機制，從而確保集中器每次下發(fā)指令到控制終端均能得到對應回饋信息。

為驗證系統(tǒng)整體運行性能，在重慶四聯光電科技有限公司實際搭建路燈控制系統(tǒng)進行測試，搭建系統(tǒng)示意圖如圖7所示。每3組燈并聯在一起，然后間隔50 m交錯連接電力線上。測試時，由集中器發(fā)送指令實現對路燈的控制。

圖7 實際搭建系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the actual system

實際測試中，每相接10個路燈，共搭接30個路燈。在一天的不同時間段共進行了10次測試，每次進行了20次開關燈操作。實際測試結果如表2所示。

表2 實際測試結果Tab.2 Actual test results

在總共進行的200次測試中，只有一次沒能實現完全控制，成功控制率達99.5%，有較高的可靠性?？刂茣r間為1.23～1.66 s，有著較好的實時性，滿足路燈控制系統(tǒng)對集中器實時性和可靠性的要求。

3 結論

本文設計了一款應用于路燈控制系統(tǒng)的基于低壓電力線載波通信技術的集中器，根據路燈控制系統(tǒng)的性能要求，采用嵌入式設計思想，將集中器信息上傳和下發(fā)設計通信控制機制，實現了三相路燈可靠控制。最后，通過搭建測試平臺對其進行性能指標實際測試，測試結果表明，集中器可以滿足路燈控制系統(tǒng)可靠性、實時性的要求。

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