基于電力線載波的路燈線路檢測系統(tǒng)研究*

潘美虹，金 光，薛 偉，高 歡

（寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

基于電力線載波的路燈線路檢測系統(tǒng)研究*

潘美虹，金 光，薛 偉，高 歡

（寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

針對城市路燈線路的損壞以及被盜等問題，在分析比較現(xiàn)有路燈監(jiān)控系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)今社會(huì)對路燈控制管理的要求，提出了基于電力線載波通信的城市路燈線路檢測方案，設(shè)計(jì)了以51單片機(jī)為核心的線路檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制端和接收端組成，當(dāng)檢測到線路故障時(shí)控制端可以把信息反饋給路燈管理中心，同時(shí)發(fā)送指令啟動(dòng)無線檢測模塊，以確認(rèn)該線路的具體故障位置。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測到路燈線路狀況，改變?nèi)肆z修排查的低效性，具有較好的應(yīng)用前景。

路燈線路監(jiān)控系統(tǒng)；電力線載波通信；51單片機(jī)

0 引言

路燈線路的損壞（如短路引起線路燒毀）或被盜將造成大面積的路燈無法供電?，F(xiàn)有的許多路燈線路狀況監(jiān)控系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)有效地檢測路燈的照明情況，導(dǎo)致維護(hù)不及時(shí)，給市民生活造成不便。并且已有的系統(tǒng)存在線路狀況誤報(bào)的缺陷，必須以人工巡查為輔助，對線路進(jìn)行檢查與管理。該方法不僅效率低，而且耗費(fèi)人力。本文提出了基于電力線載波通信的城市路燈線路檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。電力線載波（PLC）技術(shù)是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)［1］，該技術(shù)近年來陸續(xù)在許多行業(yè)中得以廣泛應(yīng)用［2］。由于該技術(shù)進(jìn)行信號傳輸時(shí)把電力線作為通信信道，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)就不需另外鋪設(shè)專門通信線路，節(jié)省了大量的布線費(fèi)用［3］。電力線載波通信與其他通信方式相比，具有傳輸距離遠(yuǎn)、通信可靠性高、安全保密性好、投資少、經(jīng)濟(jì)效益高、建設(shè)與電網(wǎng)建設(shè)同步等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的通信方式之一［4］，未來有更大的應(yīng)用前景。

針對現(xiàn)有路燈管理系統(tǒng)的缺點(diǎn)，基于電力線載波通信的成熟技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一套能有效檢測路燈線路故障的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線與有線相結(jié)合的方式，利用相關(guān)的計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)路燈線路的遠(yuǎn)程控制與實(shí)時(shí)檢測［5］。當(dāng)系統(tǒng)檢測到某段線路發(fā)生故障時(shí)，啟動(dòng)無線模塊，通過檢測路燈是否點(diǎn)亮，來確定具體的故障位置，然后將信息反饋給路燈管理中心，從而做出及時(shí)準(zhǔn)確的處理。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：能及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈電纜被盜、線路老化、線路短路而引起燒毀等異常情況；能在線路發(fā)生故障時(shí)及時(shí)反饋報(bào)警信息，便于及時(shí)解決問題，方便市民出行；克服了原有系統(tǒng)存在誤報(bào)的缺陷；有效解決人工巡查效率低、工作量大等弊端，從而減少管理及維護(hù)成本。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

本文旨在利用電力線載波通信進(jìn)行路燈線路檢測，被檢測電纜兩端各安裝一個(gè)控制模塊與一個(gè)接收模塊，多個(gè)控制模塊集成在一個(gè)控制端當(dāng)中，并安裝在控制箱內(nèi)，對多路電纜進(jìn)行檢測，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)以有線檢測為主、無線檢測為輔，有線檢測系統(tǒng)負(fù)責(zé)路燈線路故障檢測，無線檢測系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)故障位置的確定。圖2為該系統(tǒng)工作原理框圖。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

2.1 有線檢測系統(tǒng)的組成與功能

該線路監(jiān)控系統(tǒng)分為五部分：主控模塊、接收模塊、液晶顯示單元、SIM900模塊和載波模塊。信息傳送信道為 220 V低壓電力線，通信方式為工頻通信方式［6］。該系統(tǒng)在路燈供電情況下，從路燈控制箱獲得電源，進(jìn)行工作。在通電情況下，可一直處于工作態(tài)，能對線路狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。該系統(tǒng)可檢測各段線路的故障。

系統(tǒng)各模塊功能描述如下：液晶顯示單元用來顯示控制端接收到的信息，能實(shí)時(shí)顯示路燈線路的通斷情況；主控器模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測線路的通斷情況，可進(jìn)行故障檢測、電纜防盜；接收模塊由分布在多條線路上的單片機(jī)模塊組成，負(fù)責(zé)查詢信號的接收、處理以及反饋信息，各接收模塊將線路的通斷信息都返回到控制端進(jìn)行統(tǒng)一處理，從而能同時(shí)檢測多條線路狀況；SIM900模塊用于遠(yuǎn)程信息傳輸，把控制端收集到的各條線路的信息傳送到路燈管理中心?？刂破髂K與接收模塊都由單片機(jī)完成，功能通過C語言編程實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)模塊之間通信的信息加載在電力線上進(jìn)行傳輸。

系統(tǒng)具體采用HL-PLC V3.0載波通信模塊對信號進(jìn)行調(diào)制，使得信號能在電力線中傳輸。該模塊采用FSK通信方式，軟件采用模糊算法，即使傳輸信號被干擾或丟失達(dá)40%，也能較準(zhǔn)確地還原出原載波信號，抗干擾能力較強(qiáng)。載波中心頻率為 72 kHz，模塊可在過零發(fā)送模式和正常發(fā)送模式間自由切換。正常模式下傳輸速度快，但抗干擾能力弱，適合負(fù)載輕、干擾少的線路環(huán)境；過零模式速度稍慢，抗干擾能力強(qiáng)，適合絕大多數(shù)線路環(huán)境。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用過零模式，如圖3為交流220 V環(huán)境下的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)下無需架設(shè)專門的通信電纜，安裝方便，抗干擾能力強(qiáng)，通信距離遠(yuǎn)，比較適于復(fù)雜多變的電網(wǎng)環(huán)境［7］。

圖3 交流220 V環(huán)境下組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 無線檢測系統(tǒng)的組成與功能

無線模塊開始工作的指令由控制端給出，未出現(xiàn)線路故障時(shí)，該模塊一直處于休眠狀態(tài)，當(dāng)控制端檢測到某段線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)給相應(yīng)段線路的無線模塊發(fā)送啟動(dòng)指令，使該線路的無線模塊工作。無線模塊收到指令后，通過配備的光感模塊檢測路燈的亮滅情況，從而確定出該段線路的具體故障位置。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用 C語言編寫單片機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)端到端的線路的單線測試。即控制端的單片機(jī)發(fā)送檢測信號到載波模塊，通過載波模塊的調(diào)制作用，將信息加載到220 V的電力線上，在接收端，信號通過載波模塊的解調(diào)后將信息發(fā)送到接收模塊。低壓電力線上存在著噪聲干擾，電壓、電流不穩(wěn)定等不確定因素［8］，因而會(huì)在線路正常的情況下，出現(xiàn)控制端無法收到反饋信息的情況，從而對線路狀況誤判。因此每次線路查詢，需多次發(fā)送進(jìn)行驗(yàn)證，以排除由于干擾而引起誤判的可能性。經(jīng)實(shí)際測試分析得到：每一輪查詢，連續(xù)發(fā)送多次信號，即可排除線路干擾引起的錯(cuò)誤判斷；考慮到信號的發(fā)送與接收需要時(shí)間，因此每次發(fā)送的信號之間需要間隔一段延時(shí)。經(jīng)實(shí)際測試得到：從控制端向接收端發(fā)送信號到接收端返回信號給控制端，這個(gè)過程所需要的時(shí)間為500 ms，因此延時(shí)時(shí)間設(shè)定為 500 ms。

控制端每發(fā)起一次檢測，就會(huì)連續(xù)發(fā)送 n次信號，這個(gè)數(shù)值根據(jù)實(shí)際情況而定。若控制端在發(fā)送完 n次信號后，收到反饋信息，說明線路處于正常狀態(tài)；若控制端發(fā)送完 n次信號之后，仍未能接收到反饋信息，說明線路發(fā)生故障?？刂贫艘惠啿樵兘Y(jié)束后，會(huì)向無線模塊發(fā)送指令，給路燈管理中心發(fā)送線路狀況的信息，若線路正常則不啟動(dòng)無線模塊，只向路燈管理中心發(fā)送線路正常的消息；若線路發(fā)生故障，則控制端向無線模塊發(fā)送指令，啟動(dòng)該模塊來進(jìn)行故障位置的具體定位，并告知路燈管理中心線路發(fā)生了故障。線路檢測流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)測試

在寧波市的實(shí)際路燈環(huán)境中對該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測試，在路燈控制箱安裝好發(fā)送設(shè)備，在路燈端安裝信號接收設(shè)備。測試過程主要分為兩種情況：通電與斷電。首先將控制箱與路燈端之間的線路斷開，此時(shí)安裝在控制箱的發(fā)送設(shè)備不斷進(jìn)行信號發(fā)送，由于線路處于斷電狀態(tài)，因此安裝在路燈端的接收設(shè)備無法收到發(fā)送端發(fā)送的檢測信號，即接收端不能反饋信息給發(fā)送端，因此接收端的液晶顯示屏上顯示斷電信息。然后連接控制箱與路燈端之間的線路，此時(shí)路燈正常工作，發(fā)送設(shè)備不斷發(fā)送檢測信號，接收設(shè)備能接收到信號并進(jìn)行反饋，此時(shí)在接收端的液晶顯示屏上顯示正常工作信息。兩種情況下的測試結(jié)果與預(yù)期的理論結(jié)果相符合，說明系統(tǒng)可靠。

由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)地測試環(huán)境有所差異，實(shí)際環(huán)境下干擾因素以及不確定因素增多，使得測試的準(zhǔn)確率有所降低，因此需要在軟件設(shè)計(jì)中對差錯(cuò)控制進(jìn)行改進(jìn)，將每次檢測時(shí)發(fā)送的信號數(shù)增加，以排除干擾引起的誤判。

5 結(jié)論和展望

試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的檢測結(jié)果穩(wěn)定可靠，說明其能對電力線通斷情況進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效地遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈線路故障，進(jìn)行快速維修，提高城市管理效率。同時(shí)該系統(tǒng)采用電力線為信息傳輸?shù)耐ǖ?，可避免重?fù)布線，具有造價(jià)低、傳輸線路牢固可靠、安裝使用方便、誤報(bào)率低、受季節(jié)干擾小、耐用性強(qiáng)、工作電壓低、傳輸線路廣等優(yōu)點(diǎn)。以電力載波為主和無線通信為輔對路燈線路進(jìn)行管理，提高了路燈管理水平和效率，實(shí)現(xiàn)了管理的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、科學(xué)化和集中化，提高了社會(huì)效益，具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著計(jì)算機(jī)、通信等信息技術(shù)的發(fā)展，電力載波作為一項(xiàng)電源與通信相結(jié)合的技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種過程控制、家庭自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域。尤其是在布線困難、電磁干擾強(qiáng)、環(huán)境惡劣的環(huán)境下更體現(xiàn)出其優(yōu)越性。目前該技術(shù)已應(yīng)用于智能抄表、電力線上網(wǎng)、電梯控制、工業(yè)過程控制等場合，下一步更有望應(yīng)用于智能家居［9-10］、交通部門管理、無人車駕駛等通信領(lǐng)域。由于電力線是一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)資源，是一個(gè)已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)，無需另外鋪設(shè)通信線路，因此便于利用，成本低，信息傳輸?shù)陌踩院?，是一種發(fā)展前景很好的通信方式。

［1］劉紅，張冬來，孫光偉.電力線載波中傳輸線模型的建立及應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)及自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2002，14（3）：27-31，62.

［2］張長洪.電力線載波通訊中自動(dòng)增益控制電路研究［D］.天津：南開大學(xué)，2013.

［3］王寧，于傳維，顧瑛.基于電力線載波的抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子質(zhì)量，2015（4）：25-28.

［4］武康.基于電力線載波通信的 LED路燈驅(qū)動(dòng)電源及監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2012.

［5］婁秀麗.基于電力線載波技術(shù)的智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.南京：東南大學(xué)，2013.

［6］梁偉.應(yīng)用于路燈控制系統(tǒng)的電力線通信技術(shù)研究［D］.保定：華北電力大學(xué)，2012.

［7］楊迪.低壓電力載波通信的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2014（18）：69.

［8］金凌英.電力線載波通信系統(tǒng)中信號干擾和擴(kuò)頻技術(shù)的研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008.

［9］李訓(xùn)文.基于電力線通信技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)研制［D］.杭州：浙江大學(xué)，2013.

［10］劉新宇.基于電力載波通信的 LED隧道照明控制器設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2014（18）：147.

Study on street light line detection system based on the power line carrier communications

Pan Meihong，Jin Guang，Xue Wei，Gao Huan
（Faculty of Electrical Engineering and Computer Science，Ningbo University，Ningbo 315211，China）

To solve the problem of the power line being damaged and theft，on the basis of analyzing the function of street light supervisory control system and social request to the street light control management，a detection scheme for city streetlight line is designed and a power line monitoring system with the core of 51 microcontroller is proposed.The system consists of controllers and receivers.When detecting the line fault，the control terminal will feedback the message to street management center and send instructions to start wireless detection modules to determine the specific location of the fault line.The system can be used to monitor the street circuit in time，which alters the low efficiency condition of maintenance and trouble shooting by human.Thus，it predicts a bright prospect.

street light line monitoring system；power line carrier communication；51 microcontroller

TN913

A

1674-7720（2015）23-0055-03

潘美虹，金光，薛偉，等.基于電力線載波的路燈線路檢測系統(tǒng)研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（23）：55-57.

2015-08-04）

潘美虹（1993-），女，在讀本科生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。

浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項(xiàng)目（kg2015090）；浙江省科技廳公益技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目（2014C31059）

金光（1972-），男，教授，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)。

薛偉（1990-），男，在讀本科生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。