基于電力線載波通信的城市燈飾控制系統

易平波，劉志英，朱良學，葉運輝

(1.中國人民解放軍96421部隊 司令部，陜西 寶雞 721012;2.南京工業大學城市建設與安全環境學院，江蘇 南京 210009;3.解放軍電子工程學院新技術應用中心，安徽合肥 230037)

電力線載波通信是利用輸電線進行載波通信，即以電力網作為信道，實現數據傳遞和信息交換[1]。目前，路燈、景區燈飾、排水設施以及各種探測器等用電設施在城市生活中得到大量使用，實現其智能化的開關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域帶來了極大的機遇和挑戰。

20世紀20年代，有關研究開始通過電力線載波方式來傳播網絡信息，隨著技術的不斷進步和實際需求，20世紀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，無法實現大規模應用。基于無線接力和電力線載波通信的城市燈飾控制系統較好地解決了這些問題，大量的實驗測試數據表明:系統工作穩定、安全可靠、操作性強、適用性廣，已經在小范圍內成功試運行。

1 系統組成

系統由兩大部分組成:監控中心和監控群。監控中心和監控群通過無線通信模塊構成一個有中心的監控網絡，如圖1所示。

圖1 系統組成

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

圖2 監控中心組成

監控主機為一PC機，加載專門開發的監控軟件系統。軟件系統包含監控界面和數據庫等。操作人員通過監控界面可錄入、察看、修改燈具的位置、類型、狀態、編號等信息。監控軟件系統控制界面，如圖3所示。

圖3 監控軟件系統控制界面

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

監控群以供電柜為中心，包含一個群控中心和若干個監控鏈路構成。群控中心包含一個群控制器和一個無線調制解調器。群控制器通過無線調制解調器和監控中心通信，獲得監控指令，報告監控結果。

每個監控鏈路包含一個主檢測節點和若干從檢測節點。主檢測節點安裝于控制柜供電支路上，負責支路上各個從檢測節點狀態信息收集。

從檢測節點負責監控出口處燈具的電壓、電流、通聯等信息的采集。

主檢測節點和從檢測節點之間采用電力線作為通信介質，采用低速BFSK調制和前向糾錯技術，通信可靠。無需改動原線路，即可實現監控功能，施工方便且成本低。

監控群的組成，如圖4所示。

檢測節點是監控功能的執行單元，它通過專用監測電路完成負載燈具的電壓、電流、通聯等信息的采集。從檢測節點安裝于燈具內，當存在工作電壓，沒有工作電流或電流過大時，即可判斷負載開路或短路，即燈具損壞。

圖4 系統單群組成示意圖

當主監測節點和從監測節點失去通信聯絡，說明燈具連接開路，即被盜或線路損壞。從檢測節點可立即打開內置的蜂鳴器報警。主檢測節點則將信息通過群控中心報告給監控中心。

檢測節點采用標準化設計，在硬件上不區分主、從檢測節點，通過編程在功能上來區分。這樣設計可降低生產、使用、連接和日常維護成本，也更靈活方便，其組成如圖5所示。

2 系統工作原理

圖5 檢測節點組成

系統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。其系統工作原理，如圖6所示，控制中心的主機通過無線網絡與監控節點進行組網，結合接力技術實現較遠距離通信，監控節點通過現有電力線路實現電力線載波通信控制燈飾等設施并及時反饋檢測信息。

圖6 系統工作示意圖

2.1 無線通信及接力模塊

無線通信中，無線調制解調器工作在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，但還存在局限性，結合該系統的一個中心站和多個監控群結構，采用無線接力技術，提升了傳輸距離和可靠性。監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。中心站給某一監控群發信息，可能該用戶不在中心站的功率覆蓋范圍，其他監控群收到此信息，發現不是發給自己的，于是就轉發該信息。經過一些監控群的接力，最后該監控群收到中心站的信息。信息的主要內容有:信息識別號、接力信息、數據和一些地址信息等。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，當信息首次由中心站或用戶站發出時，其接力號為零。其他用戶站收到該信息后發現不是發給自己的，對接力號加1后再轉發出去。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。當用戶站第一次收到該信息時，對其進行處理、回應或轉發等。在給定的時間內，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行處理，只是簡單地放棄[2]。

2.2 電力線載波通信模塊

本設計采用意法半導體(ST)設計生產的新型電力線收發芯片ST7540，ST7540采用半雙工同步/異步FSK通信方式，專為低壓電力線數據傳輸而設計，較好地克服了低壓電力線載波傳輸中的技術問題[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，作為可調諧有源濾波器的一部分，提供優異的線性功率性能，提供了更大的設計靈活性，降低應用的元件數量和成本。ST7540內部集成了發送數據和接收數據的所有功能，通過串口通信，可以方便與微處理器相連接。內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、經濟實惠。圖7為ST7540應用電路圖。

圖7 ST7540應用電路圖

3 關鍵技術

3.1 低壓電力線通信技術

電力線載波通信(PLC，Power Line Communication)是指利用輸電線路進行信息傳輸的一項技術。電力線雖然不是一種理想的通信介質，但隨著技術的不斷進步，特別是調制技術及微電子技術的發展，使得PLC走向實用化。本系統采用的載波通信基于一種低速的BFSK(二進制頻移鍵控)技術，是目前電力線通信系統中最可靠的通信技術之一。

3.2 ISM頻段無線通信及接力技術

本系統采用的無線調制解調器工作在ISM頻段中433 MHz附近的免費頻段內，采用窄帶技術和GFSK(二進制最小相移頻移鍵控)調制，無需申請執照，同時結合無線接力技術又進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

差分總線技術是一種抗干擾能力很強的有線通信技術，抗干擾能力強，傳輸距離遠。

3.4 擴頻編碼和前向糾錯技術

為了進一步提高系統可靠性，本系統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，可使傳輸可靠性提高10～100倍。

4 本系統的優勢及應用前景

電力線載波通信是用電力線作傳輸媒介的載波通信，不需另外架設通信線路，電力線結構堅固，作為通信媒介使用可靠性高。同時，本系統與其他目前市場存在的類似產品相比，具有明顯的優勢。目前市場存在的其他類似產品，大都采用GPRS無線技術，報警方式為:通過公共電信系統發送短信，不但成本高，而且通信費用昂貴，難以實現普遍應用。

本系統應用前景廣闊，由于可通過遠程無線接力，實現遠程控制和報警管理，通過組網和數據庫建設，實現大面積大批量用電設備的控制管理，且隨著技術的不斷成熟和社會信息化建設的總體發展需求和趨勢，可進行廣泛組網，大規模推廣應用。本系統在其它相關研究成果的基礎上，有效解決了通信干擾大、可靠性不強等問題，為實現城市路燈等電力設施的統一自動化控制管理提供了解決方案。

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

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

[3] 王作東.新型FSK電力線收發器ST7540及其應用[J].現代電子技術，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的城市路燈監控終端設計[J].自動化技術與應用，2007，26(1):111-121.