基于電力載波技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉為芹+于會(huì)山+田存?zhèn)?王文旭+任爽

【摘 要】目前我國(guó)大部分的路燈控制系統(tǒng)還是采用人工手動(dòng)的方式，增加了管理和使用單位的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于電力載波通信的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，具有成本低、節(jié)約能量、易于管理和維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。詳細(xì)介紹了智能路燈系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和單燈控制器的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】智能路燈；電力載波；單燈控制

【Abstract】Currently， most of the streetlight monitoring systems in our country are in manual control， the management cost of many companies were increased. Therefore，this paper designs a kind of intelligent streetlight monitoring system based on power line carrier communication， which realizes remote intelligent monitoring ，and has the advantages of low cost， energy-saving， management and maintenance easily and so on. The overall design of the intelligent street lighting system and the design of the single lamp controller are introduced in detail.

【Key words】Intelligent lights； Power line carrier； Single lamp control

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，特別是道路照明及景觀照明等城市亮化工程的廣泛實(shí)施，城市照明系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，各類(lèi)照明設(shè)施、設(shè)備數(shù)量也越來(lái)越多，提高路燈系統(tǒng)的統(tǒng)一化管理是迫切需要的[1]。

本文詳細(xì)介紹了智能路燈系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)路燈的智能控制，從而更好地達(dá)到“網(wǎng)絡(luò)化、智能化、節(jié)能化”的目的，本設(shè)計(jì)以物聯(lián)網(wǎng)為中心，以低壓電力載波為主要信道，實(shí)現(xiàn)了單燈的控制監(jiān)測(cè)與電纜被盜監(jiān)測(cè)。

1 電力載波通信技術(shù)

電力載波通信技術(shù)是通過(guò)電力線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)[2]。電力線載波通信速率受到多種因素的影響，如具體設(shè)備和調(diào)制方法等[3]。通過(guò)采用擴(kuò)頻、選頻、自適應(yīng)調(diào)制和中繼等技術(shù)，基本解決了電力載波在傳輸過(guò)程中的噪聲干擾和信號(hào)衰減嚴(yán)重等問(wèn)題。

低壓電力載波通信技術(shù)與其他的通信方式相比有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：1）價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)。電力線載波通信采用電力線作為載體，無(wú)需再鋪設(shè)額外的寬帶和光纜線路，成本低，建設(shè)周期短。2）使用上的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)設(shè)備接通電源的時(shí)候，設(shè)備就接入到了電力載波通信網(wǎng)絡(luò)。3）電力網(wǎng)絡(luò)覆蓋度極高，可不受布線的困擾和無(wú)線環(huán)境的影響。此外，將電力線載波通信應(yīng)用于路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，抗干擾能力和通信速率也能滿足路燈監(jiān)控的需求。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成，即單燈控制器與電纜被盜監(jiān)測(cè)終端、控制箱和上位機(jī)。單燈控制器通過(guò)微處理器控制各傳感器模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的光照強(qiáng)度和聲音大小，然后將這些數(shù)據(jù)通過(guò)電力載波網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給路燈集中控制器；電纜被盜報(bào)警監(jiān)測(cè)終端可實(shí)現(xiàn)全天候電纜被盜報(bào)警，線路在工作狀態(tài)下或非工作狀態(tài)下均可進(jìn)行24小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)。控制箱包括集中控制器和電纜被盜監(jiān)測(cè)主機(jī)，路燈集中控制器由載波通信模塊和以太網(wǎng)接口組成，一方面負(fù)責(zé)電力載波網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建；另一方面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；電纜被盜監(jiān)測(cè)主機(jī)有電防盜、無(wú)電防盜、停電防盜三種防盜功能。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接口將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和分析等操作，并最終制定出合理的路燈調(diào)度方案[4]。

上位機(jī)是指在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)平臺(tái)下運(yùn)行的路燈照明智能軟件，主要用于進(jìn)行組件的配置和管理，配置主要表現(xiàn)為系統(tǒng)平臺(tái)及數(shù)據(jù)庫(kù)的初始化、設(shè)備列表的導(dǎo)入等；管理主要表現(xiàn)為用戶對(duì)路燈執(zhí)行操作，查看路燈狀態(tài)及執(zhí)行生成列表和報(bào)警等功能，在整個(gè)系統(tǒng)中屬于應(yīng)用層面[5]。為保證上位機(jī)軟件穩(wěn)定可靠運(yùn)行，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)軟件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，同時(shí)模擬十萬(wàn)盞以上路燈運(yùn)行環(huán)境，充分測(cè)試系統(tǒng)的負(fù)載能力，長(zhǎng)期運(yùn)行不會(huì)導(dǎo)致監(jiān)控計(jì)算機(jī)效能降低或系統(tǒng)運(yùn)行崩潰?？筛鶕?jù)需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行分區(qū)管理，用戶界面上需要顯示相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)形圖；需要具有制定分區(qū)或全部分區(qū)進(jìn)行分組或全局遙控功能；可對(duì)設(shè)備單個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器的輸出電壓、輸出電流、開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)或狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；具有系統(tǒng)檔案管理功能，既能進(jìn)行終端設(shè)備的添加、刪除、編輯和參數(shù)設(shè)置等，同時(shí)也可以多用戶同時(shí)進(jìn)行操作。

集中控制器是指路燈照明監(jiān)控系統(tǒng)中電量信息采集和遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，安裝在路燈箱變中低壓配電變壓器的低壓側(cè)，屬于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層面。集中控制器帶有獨(dú)立操作系統(tǒng)，可脫離監(jiān)控中心獨(dú)立執(zhí)行命令以及數(shù)據(jù)保存。在監(jiān)控中心發(fā)生停電或者其他系統(tǒng)故障以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)故障時(shí)，集中器可獨(dú)立執(zhí)行預(yù)設(shè)各種定時(shí)任務(wù)，系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)兼容TCP/IP、GPRS、EIA-709.1、EIA-709.2、EN50065-1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并且提供與其它工控標(biāo)準(zhǔn)（如Modbus等）通信的接口，可為二次開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品升級(jí)開(kāi)放接口；系統(tǒng)采用Lonworks總線式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障不會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行；電力線通訊帶有自動(dòng)路由以及載波監(jiān)聽(tīng)協(xié)議，有效的保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了誤報(bào)率。

電纜被盜監(jiān)測(cè)主機(jī)接收來(lái)自終端的載波信號(hào)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到信號(hào)，主機(jī)判定為某路電纜斷線，并發(fā)出報(bào)警指示，也屬于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層面。電纜被盜監(jiān)測(cè)主機(jī)有電防盜、無(wú)電防盜、停電防盜三種防盜功能。有電防盜采用的是電力載波的通信方式，由于電波干擾大，有電防盜的距離也相對(duì)較短能達(dá)到300m-1000m；無(wú)電防盜采用的是無(wú)源技術(shù)，干擾相對(duì)較小，防盜距離能達(dá)到10km，準(zhǔn)確率達(dá)100%；在停電狀態(tài)下進(jìn)入停電防盜模式，如出現(xiàn)斷線或被盜割，由于中途電線已斷，電力線載波通信信道不通，收不到載波信號(hào)，從而發(fā)出報(bào)警信號(hào)[6]。

單燈控制器指進(jìn)行控制和檢測(cè)路燈的工作狀態(tài)的設(shè)備，安裝于每盞路燈上，屬于系統(tǒng)中的感知層。具有電力線載波通信的功能，通過(guò)供電電力線與集中器保持互通，接受和執(zhí)行各種指令，并將執(zhí)行結(jié)果和數(shù)據(jù)送回集中器。

電纜被盜報(bào)警監(jiān)測(cè)終端監(jiān)測(cè)受保護(hù)的電力電纜，不需另外布設(shè)線路，實(shí)現(xiàn)全天候24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。終端定時(shí)通過(guò)電纜向監(jiān)測(cè)主機(jī)發(fā)送載波信號(hào)，載波信號(hào)的包絡(luò)為數(shù)字方波。

3 單燈控制器硬件設(shè)計(jì)

單燈控制器負(fù)責(zé)板上傳感數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)通過(guò)電力線傳輸，其硬件框圖如圖2所示。采用STM32F103VCT6作為微處理器，STM32是意法半導(dǎo)體基于ARM Codex-M3的32位嵌入式處理器。STM32F103VCT6有11個(gè)定時(shí)器、13個(gè)通信接口和112個(gè)快速I(mǎi)/O端口，通過(guò)這些接口與控制電路、傳感器和電力載波通信模塊連接。

外圍電路主要有傳感器模塊、電源模塊、繼電器和電力載波通信模塊、電纜被盜監(jiān)測(cè)模塊幾個(gè)部分組成，另外還包括有RS232通信接口、傳感器接口、程序下載調(diào)試接口等。傳感器負(fù)責(zé)采集環(huán)境的信息，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路處理以后送入到STM32F103VCT6中進(jìn)行分析處理。單燈控制器的電源由LED路燈電源接入，輸入為48V，經(jīng)過(guò)路燈控制器電源模塊，產(chǎn)生各個(gè)硬件模塊所需的供電電壓。電力載波調(diào)制解調(diào)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)各路燈控制終端的通信，并結(jié)合相應(yīng)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)多跳傳輸[7]。

電力載波模塊完成調(diào)制解調(diào)功能除了需要芯片之外，還需要相應(yīng)的外圍電路完成信號(hào)耦合，供電，信號(hào)濾波等功能。圖3是電力載波調(diào)制解調(diào)器的硬件框圖。本設(shè)計(jì)使用的電力載波通信模塊為M1200E。M1200E的外圍電路可分為電源電路、電力線耦合電路、發(fā)送濾波電路、接收濾波電路、SPI接口電路、晶振電路和過(guò)零電路。由于M1200E具有較高的接收靈敏度，因此在電源的設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能地降低電源紋波幅度[8]。M1200E與主控端的數(shù)據(jù)交換通過(guò)SPI（Serial Peripheral Interface）實(shí)現(xiàn)。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信中，SPI接口不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，簡(jiǎn)單高效，最高速率可達(dá)幾Mbps，并且能夠與MCU實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單良好的聯(lián)接。

4 軟件設(shè)計(jì)

本文采用目前應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具keil uVision4，該軟件具有強(qiáng)大的仿真功能，支持匯編及C語(yǔ)言編程。以下為系統(tǒng)完整的通訊過(guò)程：

上位機(jī)通過(guò)定時(shí)掃描的方式，每隔一段時(shí)間給控制箱發(fā)送指令數(shù)據(jù)，控制箱在收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)監(jiān)控中心所要獲得的信息，給單燈控制終端和電纜被盜監(jiān)測(cè)終端發(fā)送包含特定功能碼的消息；單燈控制終端和電纜被盜監(jiān)測(cè)終端收到控制箱的消息后對(duì)其進(jìn)行解碼，并執(zhí)行功能碼對(duì)應(yīng)的函數(shù)，完成相應(yīng)的操作；最后將數(shù)據(jù)通過(guò)應(yīng)答的方式返回給控制箱，控制箱接著將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)。

單燈控制器通過(guò)掃描的方式不斷地檢測(cè)相關(guān)子程序的中斷，當(dāng)檢測(cè)到中斷發(fā)生時(shí)，則立即跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序執(zhí)行，并在子程序執(zhí)行完成后繼續(xù)返回主程序運(yùn)行。其中，對(duì)各個(gè)中斷根據(jù)中斷嵌套來(lái)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的設(shè)置，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性[9]。下圖為單燈控制器主程序流程圖。

5 系統(tǒng)測(cè)試

為了保證系統(tǒng)能夠正常工作，在使用之前進(jìn)行了測(cè)試。首先檢查電路板焊接以及電路連線的正確性，逐模塊進(jìn)行檢測(cè)。在完成這個(gè)工作之后，進(jìn)行系統(tǒng)的功能測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，PC機(jī)相當(dāng)于上位機(jī)，將電力載波通信模塊與兩臺(tái)PC機(jī)相連，測(cè)試通信功能，再將控制箱與PC機(jī)通過(guò)串口RS-232相連，進(jìn)行PC機(jī)通過(guò)電力載波與路燈控制終端的通信。表1為電力載波通信測(cè)試結(jié)果。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于電力載波通信技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，并制作了開(kāi)發(fā)板，完成了一套完整的系統(tǒng)模型的開(kāi)發(fā)。該開(kāi)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分靈活，經(jīng)過(guò)多次的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，該單燈控制器工作穩(wěn)定，通信距離遠(yuǎn)，能夠完成基本的遠(yuǎn)程控制功能。目前由于電網(wǎng)質(zhì)量問(wèn)題的限制，通信距離在幾百米到2、3千米之間，如果加入路由算法以及采取中繼等方式，該單燈控制器將可以運(yùn)用于實(shí)際道路路燈檢測(cè)系統(tǒng)中。

【參考文獻(xiàn)】

[1]袁舟.基于電力載波通信的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2014.

[2]田亞輝.基于ZigBee的城市路燈無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013：1-5.

[3]許文香.基于電力載波的教室電器智能節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（19）：29-32.

[4]高偉.基于電力載波技術(shù)的LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)研制[D].浙江大學(xué)，2012.

[5]高云紅，梁小廷，張慶新.基于ZigBee的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（4）：194.

[6]http：//wenku.baidu.com /view/d6daec8402d276a200292eeb.html

[7]Majumder A. Power line communications[J]. Potentials， IEEE， 2004，23（4）：4-8.

[8]郭淑貞.基于電力載波技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].通信電源技術(shù)，2013，30（6）：73-77.

[9]田洪現(xiàn)，郭威.基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的智能路燈路由協(xié)議研究[J].測(cè)控技術(shù)，2015，34（3）：93-96.

[責(zé)任編輯：湯靜]