路燈監(jiān)控系統(tǒng)中的通信技術(shù)應(yīng)用及探討

劉曙光,朱祖港

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009；2.杭州瑞琦信息技術(shù)有限公司，杭州 310012）

隨著社會的快速發(fā)展、城市建設(shè)進(jìn)程的加快，城市的地域面積也不斷擴(kuò)大，使路燈維護(hù)管理工作量大大增加，從而要求路燈的監(jiān)控手段更加先進(jìn)，成本更加低廉。要對每盞路燈都能精確管理，達(dá)到遠(yuǎn)程化、智能化、自動化，實(shí)現(xiàn)更節(jié)能、更高效的路燈照明控制的要求。因此，建立路燈監(jiān)控系統(tǒng)是當(dāng)前路燈控制領(lǐng)域的迫切需求，選擇合適的通信方式則是系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

1 路燈監(jiān)控系統(tǒng)

路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用電力電子、無線報(bào)警、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理、多媒體、單燈控制和節(jié)能等技術(shù)，既具有遠(yuǎn)程照明節(jié)點(diǎn)單燈狀態(tài)檢測控制功能，又具有按需節(jié)能功能，節(jié)能效果顯著，同時(shí)又增加了安全防護(hù)報(bào)警的功能。

系統(tǒng)分為監(jiān)測前端、監(jiān)控中心和通信網(wǎng)絡(luò)3個(gè)層面。監(jiān)測前端部分主要通過單燈控制器實(shí)時(shí)采集相關(guān)的電氣參數(shù)，如電壓、電流、功率、功率因數(shù)等，控制路燈的開關(guān)信號，再經(jīng)集中控制器通信傳輸至監(jiān)控中心服務(wù)器。監(jiān)控中心主要由通信處理前置機(jī)、計(jì)算機(jī)主機(jī)和相關(guān)軟件構(gòu)成；通信網(wǎng)絡(luò)的上層網(wǎng)絡(luò)利用運(yùn)營商的成熟通信網(wǎng)絡(luò)（GPRS/CDMA/3G）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸，現(xiàn)場的基層網(wǎng)絡(luò)通過自有的電力載波或無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信。中心軟件通過大量的歷史路燈數(shù)據(jù)和即時(shí)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確而有效地建立路燈信息模型，這些數(shù)據(jù)可以為以后的數(shù)據(jù)分析提供幫助，構(gòu)造路燈特征庫，成功實(shí)現(xiàn)特征分析處理，有效提高報(bào)警的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，使管理更加規(guī)范，管理水平大大提高。

在單燈控制器與集中控制器的通信方式選擇時(shí)，電力載波通信（Power Line Communication）和RF無線射頻通信（包含ZigBee、無線450 MHz等技術(shù)）都是可以選擇的方案，尤其是RF無線射頻通信技術(shù)，近年來發(fā)展很快，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

2 路燈監(jiān)控系統(tǒng)的通信方式

2.1 電力載波通信方式

電力載波技術(shù)是利用220 V電力線路將發(fā)射器發(fā)出的高頻信號傳送給接收器，從而實(shí)現(xiàn)智能化的控制。高頻信號傳送技術(shù)將120 kHz的編碼信號加載到50 Hz的電力線上，由發(fā)射設(shè)備將信號送給接收器，而每個(gè)接收設(shè)備都預(yù)先設(shè)定了1個(gè)地址碼。由于利用了原有的電力線路，因此采用電力載波通信系統(tǒng)不需要額外布線，這是電力載波通信的最大優(yōu)勢。

電力載波通信技術(shù)利用已有的電力線作為通信介質(zhì)，具有免布線、工程實(shí)施速度快等特點(diǎn)。但通信速度慢（在50 Hz供電系統(tǒng)中，傳送1個(gè)指令需時(shí)0.62 s）、抗干擾性能差，容性負(fù)載容易吸收高頻信號。因?yàn)槁窡綦娎|上補(bǔ)償電容比較多，容易吸收載波信號，測試結(jié)果表明：一般情況下，在超過500 m的路燈電纜上，無論是專用變壓器還是公用變壓器線路，只要不是在補(bǔ)償柜對電容集中補(bǔ)償?shù)穆窡艟€路，載波信號基本都會衰竭到無法通信?？梢哉J(rèn)為：常規(guī)的電力載波通信技術(shù)在路燈單燈控制且路燈線路距離小于500 m時(shí)應(yīng)用較成熟，超出范圍需要采用特殊的處理技術(shù)。

為此，通過采用專門的通信協(xié)議的電力載波算法進(jìn)行電力載波，在電力載波解調(diào)算法中使用多種插值算法，以緩解誤碼的出現(xiàn)，解決了大容量電容吸收載波信號的問題，并獲得成功應(yīng)用。研發(fā)了低功率發(fā)送強(qiáng)載波信號的技術(shù)和從無功電流中解調(diào)出信息的技術(shù)。使用樹型路由算法，解決了大容量補(bǔ)償電容吸收載波信號的問題，實(shí)現(xiàn)了亮燈狀態(tài)下長距離電纜的信號檢測。

解調(diào)電力載波信號時(shí)必須先進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，然后對數(shù)字信號進(jìn)行處理。經(jīng)過對總電流、有功電流、無功電流、基頻電流、諧波電流的分析，最終采用從無功電流中分離出脈沖信號的方法，得到了清晰的發(fā)送信號。脈沖信號發(fā)送示意如圖1所示。

這種電流載波通信方式有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能夠克服路燈電纜上數(shù)千微法補(bǔ)償電容的影響。因?yàn)殡娎|的電壓不變，因此補(bǔ)償電容不會吸收來自“末端”的電流通信信號。

圖1 脈沖信號發(fā)送示意

（2）通信距離幾乎與電纜長度無關(guān)，而是與負(fù)載穩(wěn)定度有關(guān)，因此特別適用于負(fù)載穩(wěn)定的照明電纜。

（3）接收方經(jīng)過數(shù)字信號處理后得到清晰的發(fā)送波形，能計(jì)算出信噪比、信號幅度等。

（4）發(fā)送信息的電源直接取自電網(wǎng)而不是直流激勵(lì)，發(fā)送側(cè)發(fā)送功耗小，幾乎無溫升；需要不間斷地發(fā)送路燈防盜信息時(shí)，穩(wěn)定可靠的電源提供了重要保證。

（5）使用微型電流互感器接收信號，因而電氣上是隔離的，安全可靠。

2.2 無線通信方式

目前路燈單燈應(yīng)用中常見的無線應(yīng)用技術(shù)有ZigBee技術(shù)和約450 MHz的無線遠(yuǎn)程通信技術(shù)。其中，ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率的雙向無線通信技術(shù)，主要應(yīng)用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間的傳輸數(shù)據(jù)，以及典型的周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)作為其PHY層和MAC層協(xié)議。相比ZigBee技術(shù)，450 MHz的無線遠(yuǎn)程通信技術(shù)的優(yōu)勢是通信距離更長，成本較低，可采用現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)。

無線通信技術(shù)雖然通信速度快，但成本較高、覆蓋距離短、易受干擾，特別是同頻干擾嚴(yán)重，對上下行通信時(shí)序的處理要求很高，若處理不好也會對通信效果產(chǎn)生很大的影響，導(dǎo)致通信不穩(wěn)定。用于路燈控制時(shí)，由于路燈燈桿是金屬密閉的，無線信號的屏蔽效果會比較嚴(yán)重。另外，燈頭是廠家提供的，沒有安裝無線模塊的位置，還需要對燈桿或燈頭設(shè)備進(jìn)行改造以便天線伸出，所以應(yīng)用場合會受到一定限制。

2.3 二種通信方式的比較

2.3.1 技術(shù)成熟度

電力載波通信技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于電表集抄等民用領(lǐng)域，芯片種類很多，在限定距離的電力線上通信，技術(shù)較成熟，應(yīng)用于路燈時(shí)也不存在變壓器通信的問題。所以，在標(biāo)準(zhǔn)供電半徑為500 m的路燈電力線上，應(yīng)用電力載波技術(shù)是完全可行的。

對于廣播開關(guān)燈和分組策略的實(shí)施，功能上兩種通信方式都能實(shí)現(xiàn)，但是本質(zhì)上，電力載波是基于信號廣播，這種常用的通信處理需要的指令少，能迅速實(shí)現(xiàn)，而無線方式基于路由工作，所以指令需要重復(fù)發(fā)出，盡管通信速率高，但是效率卻低得多。

2.3.2 通信效果

電力載波通信的速率較慢，但是較穩(wěn)定。150 m內(nèi)，無線應(yīng)用的通信成功率和速率均遠(yuǎn)高于電力載波通信。300 m內(nèi)，隨著距離的增加或阻擋物的出現(xiàn)，無線應(yīng)用的通信速率和成功率都有所下降，而電力載波的通信情況改變不大，但總體上無線通信的速率和成功率仍有優(yōu)勢，所以在試點(diǎn)情況下，一般的無線技術(shù)都有較好的表現(xiàn)。

對于超過300 m的長距離應(yīng)用，由于ZigBee等無線技術(shù)都需要采用路由的方式進(jìn)行信號傳輸，由于路燈道路多為直線情況，因而使得Zig-Bee技術(shù)的組網(wǎng)優(yōu)勢不明顯，而且需要不斷的中繼，導(dǎo)致無線激活時(shí)間加長，路由變復(fù)雜，從開關(guān)箱到最后一根桿的通信速率會很慢。處理中途發(fā)生故障時(shí)，需要事先有雙路由的設(shè)置功能，如果故障范圍較大，則必須人為趕到現(xiàn)場更改路由設(shè)置，從而使其應(yīng)用變得更為不利。相比較而言，由于電力載波為電力線上的廣播傳輸，所以相對優(yōu)勢較大。超過500 m之后，目前電力載波技術(shù)還有一些特殊的專利技術(shù)，可以利用類似跳頻、信號復(fù)用等手段實(shí)現(xiàn)信號中繼，所以能解決長距離的通信。因此，對長期的長距離通信，電力載波要優(yōu)于無線通信。

另外，如果在路燈系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)，需要采用間歇通信的方式，如果始終處于激活狀態(tài)，頻繁通信，在雷雨季節(jié)容易引發(fā)感應(yīng)雷等情況，應(yīng)用可靠性就不如電力載波。

2.3.3 施工與維護(hù)

安裝路燈無線通信模塊時(shí)需要在燈桿中額外穿線，并在燈頭位置安裝無線天線，這對于新安裝路燈可能比較合適，但是對于已經(jīng)安裝好的路燈燈桿，重新穿線和安裝天線的工作量巨大而且很不方便。相比之下，采用電力載波通信可以盡可能多地應(yīng)用已有的資源，所以更加可靠和具有可實(shí)施性。

無線通信技術(shù)在維護(hù)中需要考慮天線，以及信號衰減、阻擋物、雷擊等一系列問題，維護(hù)方式較電力載波復(fù)雜，維護(hù)人員較難學(xué)會。無線天線的安裝和維護(hù)也需要專業(yè)人員的指導(dǎo)。

3 路燈監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

目前，路燈監(jiān)控系統(tǒng)中的單燈控制器同時(shí)具備無線通信和有線通信模塊，并編制切換條件，采用以電力載波通信為主、無線方式為輔的混合通信處理機(jī)制，當(dāng)線路情況復(fù)雜、無法進(jìn)行電力載波通信時(shí)（檢測到信號強(qiáng)度低于某個(gè)門檻），通過單燈終端的自動切換可以自動將單燈的通信從載波方式切換到無線方式。

路燈監(jiān)控系統(tǒng)已在杭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)試點(diǎn)運(yùn)行，于2013年4月底完成了所有硬件和軟件的調(diào)試安裝工作。項(xiàng)目包括5個(gè)路燈開關(guān)箱的改造及終端設(shè)備安裝調(diào)試，部分電纜防盜點(diǎn)接入，487個(gè)燈光監(jiān)控點(diǎn)的單燈控制器采用電力載波通信方式進(jìn)行燈光節(jié)能監(jiān)控，對監(jiān)控中心的軟件也進(jìn)行了更新。路燈監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 路燈監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，項(xiàng)目試點(diǎn)部分實(shí)現(xiàn)了與前期電纜防盜系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，在擴(kuò)大監(jiān)控范圍和提高監(jiān)控力度的同時(shí)，進(jìn)一步緩解了日趨嚴(yán)重的燈多人少的管理矛盾。項(xiàng)目從信息化、經(jīng)濟(jì)化、安全化角度出發(fā)，以實(shí)現(xiàn)智能化城市照明管理為目的，采用的技術(shù)對“綠色照明”的推廣實(shí)施至關(guān)重要?；陔娏d波通信技術(shù)的單燈監(jiān)控形式為路燈的安裝維護(hù)管理提供了更有力的手段，提升了管理效率，提供了管理的評定依據(jù)。路燈監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際使用效果良好，大大提升了路燈監(jiān)控中心的管理水平，使城市照明數(shù)字化程度有了進(jìn)一步的提高，在節(jié)能、設(shè)備故障報(bào)警（防盜）等方面均取得了較好的效果。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)實(shí)測路燈照明的節(jié)能率達(dá)30%。

6 結(jié)語

通過對路燈監(jiān)控系統(tǒng)通信方式的分析比較，最終采用電力載波通信和無線遠(yuǎn)程通訊為主的通信方式，而ZigBee技術(shù)則作為短距離通信的補(bǔ)充手段。雖然單燈模塊的成本會增加，但路燈監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性也大大提高，使城市路燈照明管理和節(jié)能水平達(dá)到了更高的水平。

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