基于電力載波技術的路燈監控系統設計分析

郭淑貞

（湖南水利水電職業技術學院電力工程系，湖南 長沙 410131）

0 引 言

路燈是城市的窗口，是城市形象的一個展示，是一個城市建設必不可少的公用基礎設施。它一方面關系城市、城鎮居民的切身利益；另一方面也是城市和城鎮建設水平和風貌的重要體現。現階段，路燈的管理和控制水平已經成為反映城鎮現代化程度的重要標志。農村中更是如此，它對于農村進行招商引資、促進本地經濟發展具有重要貢獻。

低壓電力載波通信技術無法實現跨變壓器的數據傳輸，且在同一個變壓器內低壓電力線載波技術在進行數據傳輸時會產生大幅度信號衰減的現象，因此本文建議采用其他方式，比如GSM無線移動網技術、GPRS通訊以及互聯網技術等。GSM無線移動網技術完全覆蓋農村區域，基本上沒有死角、盲區的問題，而且具有傳輸響應時間短、功耗低、建設費用小以及抗干擾能力強的特點，比較符合農村進行路燈監控系統的設計要求。本文對基于電力載波技術的路燈監控系統進行設計分析。

1 路燈監控系統方案的選用

（1）方案一

公共路燈監控系統一般是由上位機和下位機組成，上位機安裝在路燈管理總值班室內；下位機主機單元位于支路路燈管理辦公室，下位機從機單元一般安裝在路燈的控制箱內部。上位機選用一般PC機配置即可，配備GSM通信接口、寬帶網絡通信接口等；下位機則是聯合主機單元和從機單元組成。然而，低壓電力載波通信技術無法實現跨變壓器的數據傳輸，因此本文采用上位機、下位機主機單元采用GSM通信技術，而下位機和從機的主機單元均采用電力載波技術進行通信。基于電力載波和GSM通信的系統控制圖如圖1所示。

圖1 基于電力載波和GSM通信的系統控制圖

（2）方案二

本方案選用GPRS通信技術和電力載波技術進行路燈監控系統設計，主要是由路燈控制中心、信號集中器、中繼器以及終端控制裝置組成。路燈控制系統構成如圖2所示。

路燈控制中心屬于系統的上位機，采用電腦利用GPRS和集中器之間進行數據傳輸。控制中心發送控制命令，接收反饋信息和路燈的工作狀況信息，并及時作出響應動作，這一部分主要是完成了主機和終端的數據雙向傳輸，以及終端向電力網發射相關的控制信號，并且從電力網接收信號的問題。

圖2 路燈控制系統構成

信號中繼器主要是用來實現對路燈的控制信號、狀態信號的放大和再生，有同一變壓器內的中繼器，以及跨變壓器中繼器兩種；信號集中器由電力載波調制解調器PLC以及GPRS模塊組成，其結構圖如圖3所示，主要實現了路段中路燈信號接收、轉達等功能，是大規模路燈控制建網的必備器件。

圖3 信號集中器的結構

路燈終端控制器主要是用來對接收的信號進行控制，由集中器發來的指令進行分析，按照指令對路燈的工作狀態進行管理和控制，并及時把路燈工作狀態反饋給控制中心，按照天氣狀況對傳感器信號進行轉變，以控制路燈的亮度。

系統通訊方式是基于電力載波技術和GPRS通信相結合，控制中心和電力載波調制解調器均采用GPRS技術進行數據傳輸，電力載波調制解調器和路燈控制器是采用電力載波技術進行通訊，路燈控制終端也是采用電力載波技術實現通訊，以確保電力載波調制解調器和目標路燈控制終端器之間數據通信的可靠性，確保整個路燈監控系統實現數據通信。

綜上所述，結合農村實際和筆者多年工作經驗認為，農村的小規模路燈系統更加適合采取方案一，也就是采用電力載波技術和GSM網絡技術對路燈進行監控。

2 相關器件的選擇

在農村路燈供電線路主要是低壓電力線，其通信方式不外乎窄帶通信、擴頻通信以及正交頻分復用技術（OFDM）。這幾種技術各有其優缺點，在此就不一一陳述。本文主要選用OFDM通信方式的電力線載波模塊，并且和單片機進行硬件接口的相關設計。OFDM系統能夠在電力線比較惡劣的通信環境下，更加有效地排除各種干擾，以確保數據信號的傳輸更加穩定可靠，比較適合農村路燈監控系統的設計。

選用intellon公司的NT5X1芯片，是性能比較穩定的OFDM處理芯片，傳輸效率高達14Mbps，并且集成USB、互聯網、GPS借口以及DAC和AGG控制單元，因此使用較為便捷，是進行電力載波通信裝置的理想方案。

選用ATMEL公司的Atmega單片機，是基于AVR的RISC結構的單片機，運用先進控制指令，數據吞吐量高達1M／MHz，支持16MHz和8MHz的時鐘頻率，其FLASH程序存儲器為16Kbyte，RAM為1Kbyte＋32字節，ROM為512字節，支持相關標準的兼容接口，具有C語言編程、宏匯編、仿真器以及評估板等編程和系統相關開發工具。

3 方案實施

基于電力載波技術的路燈監控系統運用單片機Atmega16和NT51X1芯片，并且通過IC總線進行數據信號的傳輸。IC總線是一種兩線雙向的接口協議，具有簡化電路、地址唯一、沖突檢測、仲裁機制、傳輸數據較快以及傳輸數據完整可靠等優點。

（1）耦合電路

基于電力載波技術的路燈監控系統，其信號耦合方式主要有兩種:電容耦合和電感耦合。具體作用是用來隔離強電，確保低壓電力線安全可靠的同時，保證耦合效果符合相關規范。除此之外，還要能夠保證高頻信號傳輸要求，帶寬的穩定可靠，頻率、相位以及阻抗等符合設計要求。

本文采用的耦合電路如圖4所示，其中TX＿N、TX＿P、RX＿N、RX＿P是指各個輸入輸出端口，變壓器主要用來強電隔離，0.0047μF的耦合電容和另外一個變壓器共同組成高通濾波器，以防止50Hz工頻電流輸入，而且對于衰減低頻信號和干擾信號有很大幫助，而不去衰減高頻信號。圖4中央兩個電阻，主要是用來在斷電時能夠消耗耦合電容處的剩余電荷。7D471是壓敏電阻，由于本系統耦合電路和電力線是直接相連的，需要對其安全和絕緣進行考慮，以避免出現電網強干擾以及雷擊、開挖操作沖擊等過壓現象的發生。

圖4 耦合電路

（2）保護電路

基于電力載波技術的路燈監控系統的保護電路主要是確保調制解調器芯片INT51X1不受電網過壓沖擊，電力線信號經過耦合電路和保護電路，然后傳輸到NT51X1處引腳。NT51X1內部裝有3.3V供電CMOS線性驅動器，其電壓范圍最小為－0.3V，最大為＋3.6V，利用相關的肖特基二極管將電壓控制在這個范圍之內，如果瞬間電流過大，則能夠保證二極管導通。

4 基于電力載波技術的路燈監控系統的優點

基于電力載波技術的路燈監控系統是一個比較復雜的解決方案，具有節約能源、節約維修成本的優點。同時構建一個路燈監控系統，并且利用GSM通信技術進行路燈狀況的監控，完成對路燈系統的管理和控制，比較適合于城鎮小規模路燈監控系統的設計。具體而言，基于電力載波技術的路燈監控系統的優點如下:

（1）節約能源約50%，減少CO2排放。

（2）實現了路燈的自動監控，以及單燈報警、故障進行自動識別，不必再安排專人進行夜間巡邏。

（3）對各個路燈的狀況進行監控，如有故障及時進行維修，確保路燈每時每刻都處于最佳工作狀態。

（4）安全防范是非常必要的，對單個路燈的狀況進行監控可以有效處理路燈故障，遠程控制路燈亮度。

（5）按照道路車流量的數據，對路燈亮度進行遠程調節，實現節能減排的目的。

（6）順次點亮路燈或者熄滅路燈，對路燈的點亮或者熄滅進行遠程控制。

（7）按照當地天氣狀況對路燈進行控制。

（8）可以提供路燈每一天運行狀況的相關數據，以便于進行責任問題分析。

5 結束語

總而言之，采用基于電力載波技術的路燈監控系統是未來發展的趨勢，具有良好的發展前景。本文結合農村實際情況，對基于電力載波技術的路燈監控系統設計進行分析，以期對于農村城鎮基礎建設水平的提高，起到一定的促進作用。

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