易平波，劉志英，朱良學(xué)，葉運輝

(1.中國人民解放軍96421部隊 司令部，陜西 寶雞 721012;2.南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210009;3.解放軍電子工程學(xué)院新技術(shù)應(yīng)用中心，安徽合肥 230037)

電力線載波通信是利用輸電線進(jìn)行載波通信，即以電力網(wǎng)作為信道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換[1]。目前，路燈、景區(qū)燈飾、排水設(shè)施以及各種探測器等用電設(shè)施在城市生活中得到大量使用，實現(xiàn)其智能化的開關(guān)控制和防盜管理是急需解決的課題，這給電力線載波通信領(lǐng)域帶來了極大的機遇和挑戰(zhàn)。

20世紀(jì)20年代，有關(guān)研究開始通過電力線載波方式來傳播網(wǎng)絡(luò)信息，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和實際需求，20世紀(jì)90年代后期至今，低壓電力線載波通信逐漸成為研究熱點。但相關(guān)研究成果一直因成本太高，通信可靠性不高或缺乏可操作性等原因，無法實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。基于無線接力和電力線載波通信的城市燈飾控制系統(tǒng)較好地解決了這些問題，大量的實驗測試數(shù)據(jù)表明:系統(tǒng)工作穩(wěn)定、安全可靠、操作性強、適用性廣，已經(jīng)在小范圍內(nèi)成功試運行。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由兩大部分組成:監(jiān)控中心和監(jiān)控群。監(jiān)控中心和監(jiān)控群通過無線通信模塊構(gòu)成一個有中心的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

監(jiān)控中心包括一個監(jiān)控主機(PC機)和一個無線調(diào)制解調(diào)器。為便于將無線調(diào)制解調(diào)器安裝在合適位置，監(jiān)控主機和無線調(diào)制解調(diào)器之間采用一種傳輸距離遠(yuǎn)且抗干擾能力強的差分總線連接，如圖2所示。

圖2 監(jiān)控中心組成

監(jiān)控主機為一PC機，加載專門開發(fā)的監(jiān)控軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)包含監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)庫等。操作人員通過監(jiān)控界面可錄入、察看、修改燈具的位置、類型、狀態(tài)、編號等信息。監(jiān)控軟件系統(tǒng)控制界面，如圖3所示。

圖3 監(jiān)控軟件系統(tǒng)控制界面

監(jiān)控軟件采用輪詢技術(shù)定時查詢各群控中心，一旦發(fā)現(xiàn)問題，采用聲音信息提醒監(jiān)控人員注意，同時顯示問題燈具信息，如損壞、開路(被盜)等信息。

監(jiān)控群以供電柜為中心，包含一個群控中心和若干個監(jiān)控鏈路構(gòu)成。群控中心包含一個群控制器和一個無線調(diào)制解調(diào)器。群控制器通過無線調(diào)制解調(diào)器和監(jiān)控中心通信，獲得監(jiān)控指令，報告監(jiān)控結(jié)果。

每個監(jiān)控鏈路包含一個主檢測節(jié)點和若干從檢測節(jié)點。主檢測節(jié)點安裝于控制柜供電支路上，負(fù)責(zé)支路上各個從檢測節(jié)點狀態(tài)信息收集。

從檢測節(jié)點負(fù)責(zé)監(jiān)控出口處燈具的電壓、電流、通聯(lián)等信息的采集。

主檢測節(jié)點和從檢測節(jié)點之間采用電力線作為通信介質(zhì)，采用低速BFSK調(diào)制和前向糾錯技術(shù)，通信可靠。無需改動原線路，即可實現(xiàn)監(jiān)控功能，施工方便且成本低。

監(jiān)控群的組成，如圖4所示。

檢測節(jié)點是監(jiān)控功能的執(zhí)行單元，它通過專用監(jiān)測電路完成負(fù)載燈具的電壓、電流、通聯(lián)等信息的采集。從檢測節(jié)點安裝于燈具內(nèi)，當(dāng)存在工作電壓，沒有工作電流或電流過大時，即可判斷負(fù)載開路或短路，即燈具損壞。

圖4 系統(tǒng)單群組成示意圖

當(dāng)主監(jiān)測節(jié)點和從監(jiān)測節(jié)點失去通信聯(lián)絡(luò)，說明燈具連接開路，即被盜或線路損壞。從檢測節(jié)點可立即打開內(nèi)置的蜂鳴器報警。主檢測節(jié)點則將信息通過群控中心報告給監(jiān)控中心。

檢測節(jié)點采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，在硬件上不區(qū)分主、從檢測節(jié)點，通過編程在功能上來區(qū)分。這樣設(shè)計可降低生產(chǎn)、使用、連接和日常維護(hù)成本，也更靈活方便，其組成如圖5所示。

2 系統(tǒng)工作原理

圖5 檢測節(jié)點組成

系統(tǒng)工作基于兩個通信模塊:無線通信及接力模塊和電力載波通信模塊。其系統(tǒng)工作原理，如圖6所示，控制中心的主機通過無線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控節(jié)點進(jìn)行組網(wǎng)，結(jié)合接力技術(shù)實現(xiàn)較遠(yuǎn)距離通信，監(jiān)控節(jié)點通過現(xiàn)有電力線路實現(xiàn)電力線載波通信控制燈飾等設(shè)施并及時反饋檢測信息。

圖6 系統(tǒng)工作示意圖

2.1 無線通信及接力模塊

無線通信中，無線調(diào)制解調(diào)器工作在ISM頻段中433 MHz附近，傳輸距離相對受同相限制的電力載波通信較遠(yuǎn)，但還存在局限性，結(jié)合該系統(tǒng)的一個中心站和多個監(jiān)控群結(jié)構(gòu)，采用無線接力技術(shù)，提升了傳輸距離和可靠性。監(jiān)控群隨機地分布在中心站周圍，有些用戶離中心站較近，有些則較遠(yuǎn)。中心站給某一監(jiān)控群發(fā)信息，可能該用戶不在中心站的功率覆蓋范圍，其他監(jiān)控群收到此信息，發(fā)現(xiàn)不是發(fā)給自己的，于是就轉(zhuǎn)發(fā)該信息。經(jīng)過一些監(jiān)控群的接力，最后該監(jiān)控群收到中心站的信息。信息的主要內(nèi)容有:信息識別號、接力信息、數(shù)據(jù)和一些地址信息等。信息識別號是指給每個信息一個唯一的編號。接力信息包括接力號和一些其他信息，當(dāng)信息首次由中心站或用戶站發(fā)出時，其接力號為零。其他用戶站收到該信息后發(fā)現(xiàn)不是發(fā)給自己的，對接力號加1后再轉(zhuǎn)發(fā)出去。這樣最終的用戶站或中心站收到了接力號可能為0，1，2，…的信息。當(dāng)用戶站第一次收到該信息時，對其進(jìn)行處理、回應(yīng)或轉(zhuǎn)發(fā)等。在給定的時間內(nèi)，若用戶再收到具有同樣信息識別號的信息時，用戶站將不再對其進(jìn)行處理，只是簡單地放棄[2]。

2.2 電力線載波通信模塊

本設(shè)計采用意法半導(dǎo)體(ST)設(shè)計生產(chǎn)的新型電力線收發(fā)芯片ST7540，ST7540采用半雙工同步/異步FSK通信方式，專為低壓電力線數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計，較好地克服了低壓電力線載波傳輸中的技術(shù)問題[3]。它比之前的ST7538尺寸更小、引腳更少，集成了單端功率放大器，帶有可接入的輸入輸出線，可以和幾個外接信號元件一起使用，作為可調(diào)諧有源濾波器的一部分，提供優(yōu)異的線性功率性能，提供了更大的設(shè)計靈活性，降低應(yīng)用的元件數(shù)量和成本。ST7540內(nèi)部集成了發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的所有功能，通過串口通信，可以方便與微處理器相連接。內(nèi)部具有電壓自動控制和電流自動控制功能，只要通過耦合變壓器等很少的部件就可以直接連接到電力線上[4，5]。本設(shè)計中采用的微處理器是美國微芯(Microchip)公司的PIC16F690，其資源充足、簡單適用、經(jīng)濟實惠。圖7為ST7540應(yīng)用電路圖。

圖7 ST7540應(yīng)用電路圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 低壓電力線通信技術(shù)

電力線載波通信(PLC，Power Line Communication)是指利用輸電線路進(jìn)行信息傳輸?shù)囊豁椉夹g(shù)。電力線雖然不是一種理想的通信介質(zhì)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是調(diào)制技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，使得PLC走向?qū)嵱没?。本系統(tǒng)采用的載波通信基于一種低速的BFSK(二進(jìn)制頻移鍵控)技術(shù)，是目前電力線通信系統(tǒng)中最可靠的通信技術(shù)之一。

3.2 ISM頻段無線通信及接力技術(shù)

本系統(tǒng)采用的無線調(diào)制解調(diào)器工作在ISM頻段中433 MHz附近的免費頻段內(nèi)，采用窄帶技術(shù)和GFSK(二進(jìn)制最小相移頻移鍵控)調(diào)制，無需申請執(zhí)照，同時結(jié)合無線接力技術(shù)又進(jìn)一步擴大了傳輸距離及通信效率，增加了通信可靠性。

3.3 差分總線技術(shù)

差分總線技術(shù)是一種抗干擾能力很強的有線通信技術(shù)，抗干擾能力強，傳輸距離遠(yuǎn)。

3.4 擴頻編碼和前向糾錯技術(shù)

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性，本系統(tǒng)對無線通道和電力線通信通道均采用擴頻編碼和前向糾錯技術(shù)，可使傳輸可靠性提高10～100倍。

4 本系統(tǒng)的優(yōu)勢及應(yīng)用前景

電力線載波通信是用電力線作傳輸媒介的載波通信，不需另外架設(shè)通信線路，電力線結(jié)構(gòu)堅固，作為通信媒介使用可靠性高。同時，本系統(tǒng)與其他目前市場存在的類似產(chǎn)品相比，具有明顯的優(yōu)勢。目前市場存在的其他類似產(chǎn)品，大都采用GPRS無線技術(shù)，報警方式為:通過公共電信系統(tǒng)發(fā)送短信，不但成本高，而且通信費用昂貴，難以實現(xiàn)普遍應(yīng)用。

本系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊，由于可通過遠(yuǎn)程無線接力，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和報警管理，通過組網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫建設(shè)，實現(xiàn)大面積大批量用電設(shè)備的控制管理，且隨著技術(shù)的不斷成熟和社會信息化建設(shè)的總體發(fā)展需求和趨勢，可進(jìn)行廣泛組網(wǎng)，大規(guī)模推廣應(yīng)用。本系統(tǒng)在其它相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，有效解決了通信干擾大、可靠性不強等問題，為實現(xiàn)城市路燈等電力設(shè)施的統(tǒng)一自動化控制管理提供了解決方案。

[1] 吳發(fā)旺，王茜，何巖，等.電力線載波通信傳輸質(zhì)量評價及其研究方法[J].電子質(zhì)量，2007(7):33-35.

[2] 郭山紅，蕭潤明.多級無線接力系統(tǒng)[J].通信技術(shù)，2002(4):26-30.

[3] 王作東.新型FSK電力線收發(fā)器ST7540及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(13):56-57.

[4] ST Microelectronics Group of Companies.ST7540 FSK Power Line Transceiver[Z].USA:ST Microelectronics Group of Companies，2006.

[5] 胡潤生，吳繼新.基于ARM和ST7540的城市路燈監(jiān)控終端設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2007，26(1):111-121.