劉為芹+于會山+田存?zhèn)?王文旭+任爽

【摘 要】目前我國大部分的路燈控制系統(tǒng)還是采用人工手動的方式，增加了管理和使用單位的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)?；诖耍疚脑O(shè)計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)實現(xiàn)了對路燈的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，具有成本低、節(jié)約能量、易于管理和維護等優(yōu)勢。詳細(xì)介紹了智能路燈系統(tǒng)總體設(shè)計和單燈控制器的設(shè)計。

【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施，城市照明系統(tǒng)規(guī)模越來越大，各類照明設(shè)施、設(shè)備數(shù)量也越來越多，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，可以實現(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)計以物聯(lián)網(wǎng)為中心，以低壓電力載波為主要信道，實現(xiàn)了單燈的控制監(jiān)測與電纜被盜監(jiān)測。

1 電力載波通信技術(shù)

電力載波通信技術(shù)是通過電力線網(wǎng)絡(luò)進行信號傳輸?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]。通過采用擴頻、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程中的噪聲干擾和信號衰減嚴(yán)重等問題。

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優(yōu)勢：1）價格上的優(yōu)勢。電力線載波通信采用電力線作為載體，無需再鋪設(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。當(dāng)設(shè)備接通電源的時候，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

系統(tǒng)主要由三個部分構(gòu)成，即單燈控制器與電纜被盜監(jiān)測終端、控制箱和上位機。單燈控制器通過微處理器控制各傳感器模塊，實時監(jiān)測環(huán)境中的光照強度和聲音大小，然后將這些數(shù)據(jù)通過電力載波網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給路燈集中控制器；電纜被盜報警監(jiān)測終端可實現(xiàn)全天候電纜被盜報警，線路在工作狀態(tài)下或非工作狀態(tài)下均可進行24小時不間斷監(jiān)測?？刂葡浒锌刂破骱碗娎|被盜監(jiān)測主機，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)測主機有電防盜、無電防盜、停電防盜三種防盜功能。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的上位機通過以太網(wǎng)接口將接收到的數(shù)據(jù)進行處理、存儲和分析等操作，并最終制定出合理的路燈調(diào)度方案[4]。

上位機是指在計算機操作系統(tǒng)平臺下運行的路燈照明智能軟件，主要用于進行組件的配置和管理，配置主要表現(xiàn)為系統(tǒng)平臺及數(shù)據(jù)庫的初始化、設(shè)備列表的導(dǎo)入等；管理主要表現(xiàn)為用戶對路燈執(zhí)行操作，查看路燈狀態(tài)及執(zhí)行生成列表和報警等功能，在整個系統(tǒng)中屬于應(yīng)用層面[5]。為保證上位機軟件穩(wěn)定可靠運行，在設(shè)計時對軟件進行自動測試，同時模擬十萬盞以上路燈運行環(huán)境，充分測試系統(tǒng)的負(fù)載能力，長期運行不會導(dǎo)致監(jiān)控計算機效能降低或系統(tǒng)運行崩潰。可根據(jù)需要對設(shè)備進行分區(qū)管理，用戶界面上需要顯示相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹形圖；需要具有制定分區(qū)或全部分區(qū)進行分組或全局遙控功能；可對設(shè)備單個節(jié)點控制器的輸出電壓、輸出電流、開關(guān)工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)或狀態(tài)進行檢測；具有系統(tǒng)檔案管理功能，既能進行終端設(shè)備的添加、刪除、編輯和參數(shù)設(shè)置等，同時也可以多用戶同時進行操作。

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。集中控制器帶有獨立操作系統(tǒng)，可脫離監(jiān)控中心獨立執(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)故障以及移動網(wǎng)絡(luò)臨時故障時，集中器可獨立執(zhí)行預(yù)設(shè)各種定時任務(wù)，系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計兼容TCP/IP、GPRS、EIA-709.1、EIA-709.2、EN50065-1國際標(biāo)準(zhǔn)，并且提供與其它工控標(biāo)準(zhǔn)（如Modbus等）通信的接口，可為二次開發(fā)、產(chǎn)品升級開放接口；系統(tǒng)采用Lonworks總線式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任一節(jié)點發(fā)生故障不會影響系統(tǒng)運行；電力線通訊帶有自動路由以及載波監(jiān)聽協(xié)議，有效的保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了誤報率。

電纜被盜監(jiān)測主機接收來自終端的載波信號，在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到信號，主機判定為某路電纜斷線，并發(fā)出報警指示，也屬于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層面。電纜被盜監(jiān)測主機有電防盜、無電防盜、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較短能達(dá)到300m-1000m；無電防盜采用的是無源技術(shù)，干擾相對較小，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，從而發(fā)出報警信號[6]。

單燈控制器指進行控制和檢測路燈的工作狀態(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。

電纜被盜報警監(jiān)測終端監(jiān)測受保護的電力電纜，不需另外布設(shè)線路，實現(xiàn)全天候24小時連續(xù)監(jiān)測。終端定時通過電纜向監(jiān)測主機發(fā)送載波信號，載波信號的包絡(luò)為數(shù)字方波。

3 單燈控制器硬件設(shè)計

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個定時器、13個通信接口和112個快速I/O端口，通過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)測模塊幾個部分組成，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)過信號處理電路處理以后送入到STM32F103VCT6中進行分析處理。單燈控制器的電源由LED路燈電源接入，輸入為48V，經(jīng)過路燈控制器電源模塊，產(chǎn)生各個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耦合，供電，信號濾波等功能。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)計時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SPI（Serial Peripheral Interface）實現(xiàn)。在點對點的通信中，SPI接口不需要進行尋址操作，且為全雙工通信，簡單高效，最高速率可達(dá)幾Mbps，并且能夠與MCU實現(xiàn)簡單良好的聯(lián)接。

4 軟件設(shè)計

本文采用目前應(yīng)用最廣泛的單片機軟件系統(tǒng)開發(fā)工具keil uVision4，該軟件具有強大的仿真功能，支持匯編及C語言編程。以下為系統(tǒng)完整的通訊過程：

上位機通過定時掃描的方式，每隔一段時間給控制箱發(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)測終端收到控制箱的消息后對其進行解碼，并執(zhí)行功能碼對應(yīng)的函數(shù)，完成相應(yīng)的操作；最后將數(shù)據(jù)通過應(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。

單燈控制器通過掃描的方式不斷地檢測相關(guān)子程序的中斷，當(dāng)檢測到中斷發(fā)生時，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)返回主程序運行。其中，對各個中斷根據(jù)中斷嵌套來進行優(yōu)先級的設(shè)置，保證了系統(tǒng)運行的實時性和穩(wěn)定性[9]。下圖為單燈控制器主程序流程圖。

5 系統(tǒng)測試

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

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于電力載波通信技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，并制作了開發(fā)板，完成了一套完整的系統(tǒng)模型的開發(fā)。該開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計十分靈活，經(jīng)過多次的反復(fù)實驗，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用于實際道路路燈檢測系統(tǒng)中。

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[責(zé)任編輯：湯靜]