基于電力載波通信的路燈監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

劉金華 趙一凡

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院 西安 710048）

1 引言

現(xiàn)階段，我國城市在城市路燈照明的監(jiān)測控制方面，還存在著調(diào)控能力不足、不具備狀況監(jiān)測功能、不具備設(shè)施防盜監(jiān)測功能等缺陷［1］。所以，建立恰當(dāng)?shù)谋O(jiān)控系統(tǒng)，對路燈進(jìn)行管理越來越重要。針對電力載波通信［2］不需要另外鋪設(shè)線路，節(jié)省人力物力，使用方便靈活等特點［3］，設(shè)計運(yùn)行可靠、使用維護(hù)方便的路燈監(jiān)測系統(tǒng)，是社會發(fā)展的必然要求。

基于電力線載波通信的路燈監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選擇用工控機(jī)和linux系統(tǒng)結(jié)合來實現(xiàn)；考慮到路燈安裝時，長距離傳輸，選擇MAX2992通信模塊；并且選擇用輪詢數(shù)據(jù)交換方式接收每條線路上設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時的故障報警。本文設(shè)計的系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離實時監(jiān)測控制，同時節(jié)省了人力成本以及管理維護(hù)成本。

2 電力載波通信系統(tǒng)設(shè)計方案

本文設(shè)計對于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是多主多從組網(wǎng)方式，將設(shè)備按檢測終端的不同分配，提高了通信速度和帶負(fù)載能力；硬件的設(shè)計是選擇符合C3-PLC通信標(biāo)準(zhǔn)的MAX2992通信模塊，確保設(shè)備入網(wǎng)合法性和網(wǎng)絡(luò)通信安全［4］；數(shù)據(jù)交換方式的設(shè)計是選擇輪詢數(shù)據(jù)交換方式［5］，用戶可以實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，及時處理發(fā)生的故障；軟件設(shè)計是選擇多線程，每一路線程分別對應(yīng)控制一路子網(wǎng)，提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換速度，并且設(shè)另一路線程監(jiān)測PC機(jī)，及時響應(yīng)PC機(jī)對網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的控制［6］。

為了更好的與用戶交互，中央控制器應(yīng)該連接PC機(jī)，將電網(wǎng)上設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實時的反映到PC機(jī)，便于我們觀察，并且，對電網(wǎng)的控制指令也應(yīng)交由PC機(jī)下發(fā)，方便用戶更好地完成對網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的操作。本文系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計［7］如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 電力載波通信信號檢測系統(tǒng)技術(shù)

3.1 檢測系統(tǒng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1 載波通信模塊的設(shè)計

本文硬件選擇由MAX2992載波芯片、MAX2991模擬前端集成開發(fā)的電力線載波模塊，具有體積小巧，集成度高等優(yōu)點［8］。模塊和用戶之間采用UART連接。載波通信模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 載波通信模塊的結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 檢測終端電路的設(shè)計

本文的中央控制器選擇EMB3500工控板作。選擇LPC1768芯片作為檢測終端設(shè)備的MCU，其基于ARM Cortex-M3的內(nèi)核設(shè)計，多用于高集成度和低功耗的嵌入式應(yīng)用中［9］。外接傳感器采集數(shù)據(jù)，通過PLC-Modem實現(xiàn)和中央控制器的通信。MCU模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MCU模塊的結(jié)構(gòu)圖

路燈通斷檢測以流過燈絲的電流為檢測量，電流測量電路如圖4所示，應(yīng)用ACS712芯片，由一個低偏移線性霍爾傳感器電路和銅箔（位于IC表面）組成［10］。原理是將檢測到的電流信號通過銅箔時產(chǎn)生磁場，由霍爾元件感應(yīng)產(chǎn)生一個線性的電壓信號，經(jīng)過內(nèi)部的放大、濾波和修正電路，最后，輸出一個電壓信號，通過運(yùn)放SA534D放大3.3倍，同時C2和R2的作用舍去電壓信號中的交流成分，降低輸出電壓紋波系數(shù)，使波形更加平滑。經(jīng)過電路產(chǎn)生的電壓信號V_OUT直接連到MCU上進(jìn)行采樣，根據(jù)測量的電壓值計算流入的電流。

圖4 電流檢測電路

監(jiān)控箱盒檢測電路如圖5所示，通過光耦二極管的通斷來判斷路燈箱盒是否被非法打開，其原理是將2N7002場效應(yīng)管做為電子開關(guān)在ROTE_CTOR端有兩種情況的電壓值分別對用箱盒的開合狀態(tài)。正常接通開關(guān)時，R5分12V全部電壓，光耦不導(dǎo)通故在ROTE_CTOR端進(jìn)行檢測電壓為零或極小值；開關(guān)關(guān)斷瞬間，電源12V電壓分給R5和光耦，光耦導(dǎo)通，則在ROTE_CTOR端進(jìn)行檢測電壓為3.3V。

圖5 監(jiān)控箱盒檢測電路

3.2 檢測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

主控板Linux系統(tǒng)上應(yīng)用程序的設(shè)計，考慮到對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備進(jìn)行訪問，并反饋結(jié)果給PC機(jī)，同時也要接受第三方用戶經(jīng)由PC機(jī)下達(dá)的操作控制。因此，本文對系統(tǒng)的設(shè)計是同時開設(shè)兩個線程，設(shè)置線程一為寫數(shù)據(jù)，同時設(shè)置四條線程分別對應(yīng)四條子網(wǎng)的數(shù)據(jù)輪詢，最后將結(jié)果寫入分別對應(yīng)的隊列中去；設(shè)置線程二為讀數(shù)據(jù)，按次序分別讀取對應(yīng)隊列的頭結(jié)點，最后將讀到的數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)。具體流程如圖6所示。

圖6 輪詢過程流程圖

4 系統(tǒng)測試

依據(jù)上述的設(shè)計，在實際現(xiàn)場中，分別安裝了一個中央控制器和四條子網(wǎng)，其中每條子網(wǎng)由六十個單燈組成，連續(xù)測試了一個月，最后，通過反饋到上位機(jī)數(shù)據(jù)來驗證系統(tǒng)的實用性和穩(wěn)定性。

在現(xiàn)場測試中，路燈四條子網(wǎng)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在對遠(yuǎn)距離檢測燈絲通斷情況，監(jiān)控箱盒是否非法打開等功能上均驗證成功。其中實驗測試時采用的電纜型號是RVV2芯1.0平方軟護(hù)套，各終端路燈的最遠(yuǎn)傳輸距離為2km，各條線路的平均通信速率90.5Kbps。

通過程序運(yùn)行時產(chǎn)生的log文件，驗證整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，產(chǎn)生的log文件如圖7所示。

圖7 程序運(yùn)行產(chǎn)生的log文件

根據(jù)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的檢測，在一個月的時間中，組成四個子網(wǎng)的所有線路上的路燈均正常，并且能夠檢測出安裝到現(xiàn)場的檢測箱盒開合的情況。

5 結(jié)語

經(jīng)過前期的實驗到最后現(xiàn)場實地測試，基于電力線載波通信技術(shù)的信號檢測系統(tǒng)均達(dá)到了設(shè)計要求，并且具備遠(yuǎn)距離通信、安裝簡便、易操作等優(yōu)點，能夠有效地完成對路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控。但是可以在許多方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究和提高，增加一些模塊實現(xiàn)更加節(jié)能有效的供電控制。