基于電力載波的可尋址LED路燈智能監控系統設計

廖惜春，任敬哲，楊志高

(五邑大學 信息工程學院，廣東 江門 529020)

1 概況

目前，在城市景觀燈、街道照明燈、公路照明燈、隧道照明燈等大功率LED 燈具應用實踐方面，從社會反饋的意見來看，大功率LED 燈具應用還有一些常見的問題，如散熱、光衰、可靠性及監控等。首先，在節能方面，目前的大功率LED 燈具大都采用恒流驅動，燈具的發光強度與環境亮度、與照明時間段、人多、人少或車多少都無關，造成浪費[1]。

在智能監控方面，當路燈使用一段時間后，因燈具老化或其他某種原因，使得燈具“失明”(燈具損壞、被盜或供電線路被盜)，且無法及時掌握燈具“失明”信息，得不到及時更換。尤其是遠離服務中心的燈具損壞后，若不能及時有效地得到監控，將造成某路段路燈失去照明，影響交通甚至造成引發交通事故。

LED 照明產生的效益顯而易見，世界各國都在政府的大力資助下加快推進LED 照明取代傳統照明的步伐，日本、美國、歐盟、韓國、東南亞、我國政府和臺灣省都制定了相應的發展計劃。目前國內外LED 照明(含路燈)應用日益普及，隨著技術發展和工藝成熟，LED 每瓦特發光的流明數(lm/W)不斷提高，LED 燈具的成本及能耗在不斷降低，LED 路燈的智能驅動技術也在不斷提升，具有智能化驅動、監控與管理的LED 路燈，取代傳統照明路燈勢在必行。然而，現有傳統的節電措施僅僅靠夜晚間隔關燈、調整路燈開關時間、用電緊張時關閉景觀照明等舉措來實現，方法單純且收效甚微。近幾年來，研究人員給出了采用無線通信、電力載波、GPRS等技術的路燈管理系統方案[2]。

本文所設計的可尋址LED路燈智能監控系統，采用電力載波通信技術，結合傳感器檢測技術，可使LED 路燈能夠根據不同的時間、環境亮度等自動調節亮度、顏色、角度，還可以對每盞LED 路燈的使用狀況進行遠程實時監控，進而實現對LED路燈開關、調光、亮度反饋、狀態查詢、故障告警、分組控制等的智能化管理，達到了進一步節電和提高LED 燈使用壽命的目的，實現節能、環保、多功能、高可靠和智能化管理[3]。

2 系統組成及原理

2.1 系統總體設計

本系統主要由監控中心、網關和節點三部分組成。監控中心主要由一臺PC機作為服務器，供用戶實現遠程監控，實現用戶在任何時間任何地點只要能上網就能實時查看監控信息。網關主要由ARM S3C2440作為主控單元，網關既接收監控中心發來的指令傳給節點同時也接收節點發來的信息傳給監控中心。節點主要由STC12C5A60S2單片機作為主控單元，實現智能調光和電纜狀態監測。

系統組成框圖如圖1所示。本系統中，各節點之間以及節點與網關之間，采用電力載波通信，各節點主要實現以下功能：(1)通過傳感器監測環境亮度，結合系統定時功能，根據所需照明的時間和環境亮度，控制LED 路燈的亮度及其照明時間，實現LED 路燈功率和亮度的無級調節和驅動，減少耗電量；(2)利用LED 燈的余暉效應和人眼視覺殘留效應，采用自適應動態PWM 控制技術，減小燈具的驅動電流的平均值，降低燈具功耗；(3)根據路面情況以及是否有人車經過，自動控制LED 路燈的開關，調節亮度，從而延長LED 路燈的使用壽命并且節約能源。(4)采用電力載波通信技術，實現路燈智能化管理，如LED 路燈開關、調光、亮度反饋、狀態查詢、故障告警、分組控制等，實現節能、環保、多功能和高可靠。

圖1 系統組成框圖Fig.1 Block diagram of the system

2.2 系統硬件設計

2.2.1 節點硬件

節點硬件主要由STC12C5A60S2微處理器、環境照度檢測、紅外檢測、燈具溫度檢測、載波模塊和開關電源等幾部分組成，節點硬件電路組成框圖如圖2所示。

圖2 節點硬件電路組成框圖Fig.2 Block diagram of node circuit

利用光敏電阻的光電效應完成光照強度的檢測。由光敏傳感器檢測環境亮度信號，經過運算放大器并由STC12C5A60S2單片機處理。節點根據采集到的光強值并結合系統的定時功能，控制燈陣的開與關，節點模塊之間工作互不影響。每個節點可以根據自身周圍的環境自適應動態調整照明時間，從而實現智能調光，實現節點“獨立思考”。

由于LED燈具在照明過程中會發熱，一旦溫度過高，其光衰特性會指數增大，采用DS18B20 數字溫度傳感器檢測燈具內部的溫度，防止燈具因過熱而損壞[4]。開關電源模塊溫度過高，也會影響其輸出特性。針對路燈的連續照明需要，當檢測到LED燈具溫度超過系統預設閾值時，令驅動電源自動減小電流，降低LED亮度，并向管理中心發出告警信息，從而實現延長LED 陣列、開關電源乃至整個燈具的壽命。

當電纜出現故障或被損壞，將導致電力載波通信中斷，此時，上一個節點收不到后續節點發回的令牌信令，立即向管理中心發出相關告警信息和電纜受損的具體位置。

系統實時時鐘采用DS1302芯片作為外部數字時鐘，為系統提供基準時間和記錄重要時刻，如告警時間和出故障時間。同時方便系統查詢所需數據。

本系統采用SENS-01模塊[5]作為電力線載波模塊。該模塊可以在220V/110V，50/60Hz電力線上實現局域性半雙工通信。模塊的接口為TTL電平串行接口RXD、TXD，因此，十分方便與STC12C5A60S2單片機連接，本系統的通信速率選用4800bps，電力線載波頻率采用125kHz，數據幀長度為16Byte。該模塊為用戶提供了透明的數據傳輸通道，數據傳輸與用戶協議無關，由用戶數據傳輸協議驗證數據傳輸的正確性和可靠性。在同一臺變壓器下，多個SENS-01嵌入式電力線載波模塊可以連接在同一條電力線上，在主從通信模式下，模塊分別單獨工作，不會相互影響，這就給系統的可尋址操作提供了方便。STC12C5A60S2單片機與SENS-01模塊的硬件接口電路如圖3所示。多個SENS-01模塊進行通信組網的網絡拓撲如圖4所示。

圖3 單片機與SENS-01接口電路Fig.3 MCU interface circuit with SENS-01

圖4 基于SENS-01的通信組網拓撲圖Fig.4 Network topology based on SENS-01

2.2.2 監控中心和網關

監控中心實現遠程用戶通過因特網隨時隨地查看各節點工作狀態，用戶通過訪問服務器中的數據庫來獲取相應節點的信息。它的兩個網口分別與Internet和無線路由器相連，組成框圖如圖5所示。網關實現服務器和節點之間數據的互傳，既可以將服務器發來的開、關、亮度控制等指令傳到節點也可以將節點的工作狀態、故障代碼等傳回服務器，通過電力載波模塊完成和各節點之間的通信，組成框圖如圖6所示。

圖5 監控中心組成框圖Fig.5 Block diagram of control center

圖6 網關硬件電路組成框圖Fig.6 Block diagram of gateway

3 系統方案

3.1 系統組網

針對道路路燈的實際分布情況，本系統各個節點之間使用接力通信形式，構成鏈狀網絡，可以實現較遠距離通信，由于線桿的距離固定且位置不變，還可以簡化通信協議的設計。網絡具體實現：首先是系統初始化，規定離變壓器最近的路燈ID號為0，之后通過接力形式，實現ID號依次加1，如圖4所示。初始化成功后，所有節點構成鏈狀網絡，系統進入工作狀態，正常工作時，活動節點處于工作狀態，其他節點則處于休眠狀態。

3.2 可尋址技術實現電纜監測及燈具故障精確定位

引起通信中斷的原因有斷纜或燈具本身故障?？蓪ぶ芳夹g實現電纜監測及燈具故障精確定位的具體過程是當發送方收不到對方回復時，再詢問兩次，若仍然收不到回復信號，則判斷為通信中斷，電纜被盜。三個節點之間如果兩個都不能與另外一個通信，則判斷為該節點燈具本身故障。發信息的節點立即通過網關向監控中心發送相應告警信息，并記錄發生時刻和相關節點ID號。監控中心收到告警后及時做出相應處理，如派人巡查故障節點等。同時網關周期性向所有節點發送“令牌”指令，根據收到的回復信號判斷電纜或燈具狀態。

3.3 系統節能思想

系統組網方案是實現本系統高效節能的主要手段。本系統采用被動和主動兩種方式通信。被動是指網關向節點發送信息，節點被動接收信息；主動是指節點主動向網關發送信息。正常情況下，系統周期性主動查詢一次，其他時間系統則處于休眠狀態。當節點人體紅外檢測到有人靠近或發現載波通信故障時主動向網關發送警告信息，激活系統。通過改變以往的實時檢測[6]來大大降低功耗，實現高效節能。

經實驗，當達到100Hz以上頻率時，人眼就看不到LED 燈閃爍，本系統設定頻率為150Hz，根據采集回的光照值自適應動態改變占空比來控制燈具的驅動電流，減小電流的平均值，降低燈具的功耗，實現系統節能。

電源部分使用開關電源供電，因為晚上到后半夜電網電壓可能升高，通過開關電源能夠保證電壓輸出平穩，從而也能實現有效節電。

4 驅動程序設計

4.1 節點驅動SENS-01模塊

SENS-01載波模塊主要實現數據正確可靠傳輸。節點模塊一直偵聽載波信號，當偵聽到有數據傳來，主要完成數據的讀取和回復，并將下一個節點的工作狀態返回給上一個節點。依次循環，實現接力通信，構成鏈狀網絡，其拓撲結構如圖4所示。數據按照預先約定好的幀結構進行傳輸。節點驅動SENS-01載波模塊的程序流程圖如圖7所示。

圖7 節點驅動SENS-01程序流程圖Fig.7 Flow chart of SENS-01 driver

為實現電力線載波通信的順利進行，通信傳輸協議的數據幀結構如圖8所示。由于本系統采用令牌檢測的方式，所以各節點發送命令時要附上目標地址和自身的地址，前端接受信息時要與本機地址進行核對，以備前端判別是否要回送數據，節點接收前端返回檢測信息時，也要與發送出去的目標地址進行核對。節點的數據幀由16Byte組成。其中，FF表示幀頭，1Byte；EE表示幀尾，1Byte；Key表示密鑰，2Byte；ID表示節點地址，由網號和節點號構成，2Byte；D1、D2為發送的數據，4至6Byte；D3為令牌信令，1Byte；CHK表示校驗，提供傳輸可靠性，2Byte；XX為預留，1Byte。

圖8 節點數據幀Fig.8 Node data frame

4.2 路由算法簡述

路由協議算法也是通過軟件方法實現路由的功能。本系統組成的是鏈狀網絡，各節點需要充當路由器的作用。路由算法的工作原理及操作過程如下：

①接收數據包，并將數據包按照幀結構進行分解，驗證其合法性, 然后判斷ID數據包的類型(是廣播通信還是單節點通信)，根據不同的數據,選擇不同的操作。

②數據處理。當節點接收到有效數據時，必須判斷該數據是本地提交還是向前轉發。如果目的地址或其非轉發多播地址中的某一個地址與路由器的端口地址相符時，則進行本地提交，否則向前轉發數據包；當目的地址是一個廣播地址，或者是個既要轉發又要本地提交的多播地址時，則需要同時進行兩種操作。

③轉發尋址。為了能準確傳遞“令牌”及相關數據，當路由器決定要轉發一個數據包時,先要確定下一個路由器的地址。如果數據包中包括路由器選項，且驗證其合法后，下一個路由器地址可取本節點列表中的一項,源地址寫成廣播源的地址。

④轉發驗證。在進行轉發尋址之前,必須對數據包進行校驗, 本系統采用CRC校驗方式，當數據驗證無誤的時候才進行轉發,否則將數據包拋棄，請求數據包的廣播源重發。

4.3 串口通信設置

串口通信一般有異步通信與同步通信兩種基本通信方式，在這里使用的是異步通信方式。串口通信首先要確定串口的波特率，一般地，T1選用工作方式2，所得的波特率比較精確，初始值也較方便。本系統采用SENS-01電力線載波傳輸模塊，載波中心頻率選用125kHz，通信速率選用4800bps。串口接收電力線載波信號的軟件流程圖如圖9所示。幀格式設置為數據位8，停止位1，校驗位NONE，流控制NONE。

圖9 串口通信子流程圖Fig.9 Flow chart of serial communication

SENS-01模塊接口如圖10所示。其中，A B C不同設置對應的波特率如表1所示。

圖10 SENS-01模塊接口說明Fig.10 Interface description of SENS-01

表1 A B C不同設置對應的波特率(單位：bps)Table 1 Baud rate settings of SENS-01(unit: bps)

5 結論

本文在研究了國內外LED發展和應用的基礎上，設計了基于SENS-01電力載波模塊的可尋址LED路燈智能監控系統，實現了節點的智能調光及系統可尋址查詢、故障檢測等智能化監控，朝著“按需照明”理念邁進了一步；詳細敘述了節點的硬件組成、組網與通信及系統監控實現，并對路由協議做了簡要敘述。本系統的特色是，在鏈狀路燈網絡中，利用可尋址技術和令牌通信協議，實現LED 路燈能在不同時間、環境亮度情況下自動調節亮度，燈具工作狀態的遠程實時監控，如對LED路燈開關、調光、亮度反饋、狀態查詢、故障告警、分組控制等的智能化管理，以及電纜故障精確定位等。

[1] 楊奇勇，張劍平，趙燕華. LED照明產品及燈具的光學性能測試研究[J]. 照明工程學報，2009，20(1)：69～77.

[2] 宋紹劍，薛春偉. 基于ZigBee的城市路燈智能監控終端控制器設計[J]. 照明工程學報，2011，22(4)：26～29.

[3] 朱旭，唐顯錠，蔣紫東,等. 基于電力線載波通信技術的LED路燈控制系統設計[J]. 照明工程學報，2012，23(2)：66～70.

[4] 馬環宇. 基于電力載波通信的溫度采集系統的研究[D]. 北京交通大學,2008.

[5] 杭州新實科技有限公司.SENS-01嵌入式電力線載波模塊V1.3[Z].2012.

[6] 詹圣紅. 電力載波技術在設施監測系統中的應用[D]. 上海交通大學,2007.