向 敏，王時(shí)賀，趙星宇

(1.重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400065;2.重慶市物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，重慶，400065)

0 引言

近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展及其應(yīng)用推廣，路燈控制技術(shù)也有很大地提高。目前應(yīng)用于路燈控制的通信方式主要包括有線(以太網(wǎng)技術(shù))、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(shè)備和維護(hù)費(fèi)用昂貴，使其較難大規(guī)模應(yīng)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(dǎo)致其通信質(zhì)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(dǎo)致其在隧道路燈控制應(yīng)用中受限;電力線載波通信技術(shù)具有不需額外布線、覆蓋范圍廣和連接方便等特點(diǎn)［4］，但低壓電力線上通常存在強(qiáng)干擾且負(fù)載變化頻繁，使電力載波通信質(zhì)量受到嚴(yán)重影響［5－6］，這導(dǎo)致電力載波通信技術(shù)應(yīng)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(fù)載為單一種類的路燈，且路燈線路供電端都有獨(dú)立的配電柜，因此，線路干擾較小，負(fù)載阻抗變化微弱，將電力載波通信技術(shù)應(yīng)用于路燈控制具有可行性。

目前應(yīng)用電力載波通信技術(shù)的場合多為智能電表抄表系統(tǒng)［7－8］，其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成多為樹形機(jī)構(gòu)［9］，其實(shí)時(shí)性和可靠性要求相對較低，通常要求集中器能在24 h內(nèi)與終端完成一次通信即可，這顯然不適用于實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)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(wǎng)通信進(jìn)行協(xié)同管理，通過GPRS通信或者以太網(wǎng)通信接收管理中心下發(fā)的控制指令，經(jīng)3個(gè)單相電力線載波通信模塊實(shí)現(xiàn)對連接于三相的路燈控制，并將路燈控制器回復(fù)的數(shù)據(jù)通過GPRS通信或者以太網(wǎng)通信反饋到遠(yuǎn)程管理中心。此外，通過交流過零中斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)三相電缺相檢測，一旦發(fā)現(xiàn)缺相，及時(shí)報(bào)告管理中心，實(shí)現(xiàn)了集中器與控制終端和遠(yuǎn)程管理中心的快速、可靠通信。

1 設(shè)計(jì)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(yùn)行狀況信息并實(shí)現(xiàn)對其直接控制，同時(shí)需要與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行信息交互。它位于配電變壓器的低壓側(cè)，與A，B，C三相電力線相聯(lián)，是整個(gè)系統(tǒng)的通信控制樞紐，決定了整個(gè)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(guān)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(yuǎn)程控制中心下發(fā)指令給集中器，集中器將指令轉(zhuǎn)發(fā)至路燈控制節(jié)點(diǎn)稱為下行通信;信息從路燈控制節(jié)點(diǎn)傳遞到集中器，經(jīng)集中器轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程控制中心為上行通信。集中器與遠(yuǎn)程控制中心信息交互主要有以下任務(wù):①接收遠(yuǎn)程管控中心指令，對指令進(jìn)行解析;②將收到的路燈終端運(yùn)行狀況信息上傳至管控中心，使管控中心有效監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，對不正?，F(xiàn)象及時(shí)調(diào)整。

集中器與路燈終端的信息交互，主要完成以下任務(wù):①根據(jù)遠(yuǎn)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(dāng)無法與遠(yuǎn)程控制中心通信時(shí)，可依據(jù)初始設(shè)置的控制方案對系統(tǒng)進(jìn)行自主控制。

1.1 集中器硬件設(shè)計(jì)

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(wǎng)通信單元、串口單元、電源模塊單元組成，從而實(shí)現(xiàn)連接和管理電力線載波通信功能、以太網(wǎng)通信、GPRS等通信功能，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 集中器硬件組成結(jié)構(gòu)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(kuò)展芯片分別與3個(gè)獨(dú)立的電力載波通信模塊連接，從而實(shí)現(xiàn)集中器與A，B，C三相所配路燈進(jìn)行獨(dú)立通信。為減少相間干擾和載波信號對載波信號調(diào)制、解調(diào)電源的影響以及數(shù)字電路部分對載波信號的干擾，硬件設(shè)計(jì)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(fù)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(zhì)量。

微處理器通過系統(tǒng)總線實(shí)現(xiàn)與10 MHz/100 MHz自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)控制芯片，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，通過串口實(shí)現(xiàn)與GPRS通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

電源模塊使用三相供電，有效地防止缺相導(dǎo)致集中器不能正常供電問題。電源模塊設(shè)置為2種輸出:線性輸出和開關(guān)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(shí)現(xiàn)載波信號的調(diào)制和解調(diào);開關(guān)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(diǎn)中斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)，微控制器在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)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(bào)告幀，微控制器收到該缺相報(bào)告幀后，添加上該相的相位信息再通過以太網(wǎng)或GPRS通信方式將該幀上報(bào)給遠(yuǎn)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(fù)后。

1.2 集中器軟件設(shè)計(jì)

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(wǎng)通信模塊、三相電力線載波模塊創(chuàng)建任務(wù)。為提高軟件運(yùn)行的可靠性，采用底層驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)各硬件模塊對嵌入式操作系統(tǒng)的支持，使之更好地運(yùn)行于集中器。各個(gè)通信模塊以協(xié)議棧方式實(shí)現(xiàn)通信信息的解析、處理和封裝數(shù)據(jù)包功能，其中，GPRS無線通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊實(shí)現(xiàn)集中器與遠(yuǎn)程控制中心信息交互，電力載波通信模塊實(shí)現(xiàn)集中器與路燈控制終端信息交互。

1.2.1 集中器軟件結(jié)構(gòu)

集中器的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要包括嵌入式操作系統(tǒng)模塊、底層驅(qū)動模塊及上層應(yīng)用模塊，其中，上層應(yīng)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(xié)議模塊。

圖3 集中器的軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software structure diagram of the concentrator

嵌入式操作系統(tǒng)模塊包括任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理、信號量與消息隊(duì)列管理等。CPU驅(qū)動主要完成中斷向量設(shè)置、RAM初始化、高級中斷管理、I/O口功能設(shè)置與管理、CPU主時(shí)鐘配置、外設(shè)地址配置、地址重映射等;任務(wù)管理包括任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)掛起/喚醒、任務(wù)刪除等。本集中器創(chuàng)建的任務(wù)包括GPRS通信任務(wù)、以太網(wǎng)通信任務(wù)、串口通信任務(wù)、載波通信任務(wù)、系統(tǒng)及載波性能檢測任務(wù)等，使用信號量與消息隊(duì)列來完成任務(wù)間的通信。該集中器中需要使用定時(shí)器來提供操作系統(tǒng)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘、設(shè)置三相間數(shù)據(jù)發(fā)送間隔、定時(shí)等待數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)回復(fù)超時(shí)等功能。

底層驅(qū)動模塊包括以太網(wǎng)卡驅(qū)動、串口擴(kuò)展驅(qū)動、串行通信驅(qū)動以及中斷處理部分，主要完成對網(wǎng)卡、串口及串口擴(kuò)展芯片的初始化和配置，包括通信速率、時(shí)鐘、通信方式、設(shè)備使能配置及為應(yīng)用層提供相關(guān)設(shè)備的函數(shù)接口等。

集中器通過通信模塊接收到數(shù)據(jù)后需要傳遞一個(gè)信號量或者消息隊(duì)列，將接收到的內(nèi)容交給協(xié)議模塊處理。協(xié)議模塊完成對收到的數(shù)據(jù)包解析處理，并按通信協(xié)議封裝數(shù)據(jù)包，調(diào)用通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去;通信模塊主要包括GPRS模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)、網(wǎng)口的數(shù)據(jù)收發(fā)、串口的數(shù)據(jù)收發(fā)和三相載波模塊的數(shù)據(jù)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(qiáng)度、工作模式及三相電情況實(shí)時(shí)監(jiān)測。還可以用于設(shè)備批量生產(chǎn)時(shí)對新生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行測試，測試設(shè)備硬件是否正常、軟件是否正常運(yùn)行，設(shè)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(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)集中器上傳至遠(yuǎn)程管理中心的過程。集中器從串口擴(kuò)展芯片接收到的數(shù)據(jù)即為路燈終端傳遞上來的數(shù)據(jù)，在接收數(shù)據(jù)過程中，集中器首先調(diào)用串口擴(kuò)展接收函數(shù)的函數(shù)接口，等待接收完數(shù)據(jù)后，將接收到的數(shù)據(jù)存放在建立好的信號量里，同時(shí)CPU創(chuàng)建一個(gè)載波模塊接收信息處理任務(wù)，該任務(wù)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(shù)據(jù)從信號量里取出，并分析數(shù)據(jù)類型后直接通過GPRS發(fā)送至管控中心，或者經(jīng)過通過TCP/IP協(xié)議棧封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)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(yuǎn)程管理中心發(fā)送指令經(jīng)集中器下發(fā)至路燈節(jié)點(diǎn)的過程。集中器從GPRS無線通信接口接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至微控制器;如果從普通網(wǎng)口接收到數(shù)據(jù)，則直接送至微控制器解析。判斷數(shù)據(jù)類型如果是校時(shí)命令，則對集中器實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片進(jìn)行校時(shí)操作;如果不是校時(shí)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(gè)載波模塊，否則判斷是否是發(fā)送給終端控制器的單點(diǎn)控制指令，如果是，進(jìn)一步判斷數(shù)據(jù)是單播數(shù)據(jù)還是廣播數(shù)據(jù)，如果是單點(diǎn)控制指令，則查找目的ID屬于哪一相位下的設(shè)備，將該相相位的ID信息及時(shí)間戳信息添加到數(shù)據(jù)包頭部，再發(fā)送至該相載波模塊。如果是廣播數(shù)據(jù)，則依次添加三相載波模塊的ID信息，啟用系統(tǒng)定時(shí)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(guān)系，主要測試其紋波干擾，通過實(shí)際測試，載波調(diào)制/解調(diào)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(jìn)行了相關(guān)測試。測試平臺能夠通過負(fù)載柜對載波信號施加不同強(qiáng)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(shù)據(jù)幀后作出回復(fù)，測試平臺通過負(fù)載柜對載波信號施加不同信號強(qiáng)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(shù)據(jù)包丟失。上位機(jī)對整個(gè)測試過程進(jìn)行監(jiān)控記錄，并統(tǒng)計(jì)出在不同衰減信號強(qiáng)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(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 靈敏度測試結(jié)果Tab.1 Test results of the sensitivity

由表1可以看出，在衰減低于85 dB時(shí)，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(shù)據(jù)傳輸就會出現(xiàn)丟包，為保證通信的可靠性，集中器通過協(xié)議采用信息重發(fā)機(jī)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(yīng)回饋信息。

為驗(yàn)證系統(tǒng)整體運(yùn)行性能，在重慶四聯(lián)光電科技有限公司實(shí)際搭建路燈控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，搭建系統(tǒng)示意圖如圖7所示。每3組燈并聯(lián)在一起，然后間隔50 m交錯(cuò)連接電力線上。測試時(shí)，由集中器發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)對路燈的控制。

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

實(shí)際測試中，每相接10個(gè)路燈，共搭接30個(gè)路燈。在一天的不同時(shí)間段共進(jìn)行了10次測試，每次進(jìn)行了20次開關(guān)燈操作。實(shí)際測試結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)際測試結(jié)果Tab.2 Actual test results

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

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于路燈控制系統(tǒng)的基于低壓電力線載波通信技術(shù)的集中器，根據(jù)路燈控制系統(tǒng)的性能要求，采用嵌入式設(shè)計(jì)思想，將集中器信息上傳和下發(fā)設(shè)計(jì)通信控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了三相路燈可靠控制。最后，通過搭建測試平臺對其進(jìn)行性能指標(biāo)實(shí)際測試，測試結(jié)果表明，集中器可以滿足路燈控制系統(tǒng)可靠性、實(shí)時(shí)性的要求。

［1］吳海榮，陳青.基于以太網(wǎng)的城市路燈管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 艦船電子工程，2011，31(5):134－136.WU Hairong，CHEN Qing.Design of Urban Street Lamp Control System Based on Ethernet［J］.Ship Electronic Engineering，2011，31(5):134－136.

［2］張艷，趙衍娟，楊眉.基于WSN技術(shù)的路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(1):84－87.ZHANG Yan，ZHAO Yanjuan，YANG Mei.De－sign and Implementation of street light co－ntrol system based on WSN technology［J］.Journal Of Northeast Dianli University，2011，31(1):84－87.

［3］朱旭，唐顯錠.基于電力線載波通信技術(shù)的LED路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2012，23(2):66－70.ZHU Xu，TANG Xianding.Design of LED Road Lighting Lantern Control Syste－m Based on Power Line Carrier Commun－ication Technology［J］.China Illuminating Engineering Journal，2012，23(2):66－70.

［4］陳鳳，鄭文剛，申長軍，等.低壓電力線載通信技術(shù)及應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(22):188－195.CHENG Feng，ZHENG Wengang，SHEN Changjun，et al.Low－voltage power line carrier communication technology and its applicat－ion［J］.Power System Protection and Contr－ol，2009，37(22):188－195.

［5］MENG Julian.Noise analysis of powerl－ine communications using spread－spectrum modulation［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2007，22(3):1470－1476.

［6］PEREZ A，SANCHEZ A M，REGUE J R，et al.Circuital and modal characterization of the power－line network in the PLC band［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(3):1182－1189.

［7］趙杰衛(wèi)，盧文冰，李賢亮.電力線載波自動抄表動態(tài)路由技術(shù)研究［J］. 電力系統(tǒng)通信，2007，28(181):1－5.ZHAO Jiewei，LU Wenbing，LI Xianliang.Research of dynamic routing technology in automatic meter reading system based on power line carrier［J］.Telecommunications for Electric Power System，2007，28(181):1－5.

［8］劉冰.基于CDMA擴(kuò)頻通信技術(shù)的電力線載波自動抄表系統(tǒng)［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2005:11－14.LIU Bing.The Automatic Meter Reading System Based on CDMA Direct Sequence Spread Spectrum［D］.Harbin:Harbin University of Since and Technology，2005:11－14.

［9］戚佳金，劉曉勝.低壓電力線通信分簇路由算法及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(4):65－71.QI Jiajin，LIU Xiaosheng.Simulation Study on Clusterbased Routing Algorithm and Reconstruction Method of Power Lin－e Communication Over Lower－voltage Dist－ribution［J］.Proceedings of the CSEE，2008，28(4):65－71.