基于電力載波通訊的自組網路燈遠程監控

摘要：為了滿足當前路燈控制系統的智能控制要求，文中介紹了一種基于電力載波（Power Line Carrier）通訊的自組網路燈遠程監控系統。該系統以自組網的方式，利用現有的電力線作為通信通道，將每個路燈上的電力載波模塊終端連接起來，采用上位機軟件（PC software）接收與發送數據，組成路燈信息交互網絡（Information Exchange Network）。每個電力載波終端連接一個單燈控制器，可以根據上位機信號控制該路燈的運行情況。實驗表明，該系統穩定、可靠，有很強的的實用性。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/247465.htm

關鍵詞：電力載波；自組網；單燈控制器；上位機

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.011

引言

近年來，隨著城市建設的快速發展，道路照明設施的規模越來越大，這對照明質量和路燈節能提出了更高的要求。現有路燈系統存在著嚴重的資源浪費現象，需要進行優化[1]。電力載波技術近年來不斷發展和成熟，已經廣泛應用于城市照明系統、智能大樓控制系統和遠程抄表等眾多領域[2-3]。電力載波技術具有易施工、易維護、不受安裝環境限制等優點，但低壓電力線上通常存在強干擾且負載變化頻繁，導致電力線載波通信在應用上受到一定的限制[4-5]。路燈系統所用的電力線為專線，其負載單一，線路干擾較小，采用電力載波的通信方式具有可行性。本文主要介紹利用電力載波通信技術對路燈進行遠程監控。

1 系統總體結構

路燈遠程監控系統的網絡是由操作臺PC集中控制系統和分別安裝在各個路燈的節點控制系統組成。集中控制系統由載波集中器和PC組成，可以安置在路燈的控制室內，負責發送、收集和分析各節點的數據。

節點控制系統由載波終端和單燈控制器組成。載波終端接收來自集中器的命令，控制路燈信息，并將該信息發送給單燈控制器以及接收路燈狀態信息并上報該信息；單燈控制器接收載波終端的控制命令并執行，同時發送路燈狀態信息給載波終端。載波集中器和載波終端可以通過上位機控制軟件顯示控制信息及路燈狀態。

基于電力載波方案的路燈遠程監控系統架構如圖1所示。每個集中控制器控制兩條線路（道路兩側各一條），此兩條線路就是一個控制子網，通過電力線連接各個節點控制器，集中控制器再通過無線（如GPRS）或有線（如以太網）方式與遠程監控中心連接。集中控制器作為本地監控主機，負責解析遠程控制中心的控制命令，監測本地路燈的運行狀態，發現異常及時上報給監控中心。每個單燈節點都有獨立的編號，在邏輯上構成一個樹形網絡。

2 自組網協議

自組網協議采用集中式主從控制方式，可應用于相對封閉，其負載數量、負載類型以及線路拓撲結構相對穩定的系統。該協議分成兩個基本工作階段，即網絡初始化配置階段和端到端數據傳輸階段。

2.1 網絡初始化階段

網絡初始化配置階段在硬件安裝完成后進行，通過一種優化的路徑搜索算法（如圖2所示），搜索網絡中所有節點，每搜到一個節點，即存儲該節點路由信息，并把該節點的網絡狀態標志為“聯網”，同時路由信息也會以特定的幀格式發送給主機。整個搜索過程在遍歷過網絡中所有節點后結束，如果在此過程中由于某種原因未找到某個節點，該節點狀態保持為“斷網”，可在查找原因后用人工添加的方法把該節點加入網絡。

2.2 端到端數據傳輸階段

網絡初始化完成后，路由已經建立，便進入端到端數據傳輸階段。此階段PC 可以點名方式把控制命令發送給單燈控制器，后者也可把報警信息上報給PC。載波集中器與載波終端之間進行的是無確認的傳輸，控制命令的確認由PC層面完成。

在理論上載波路燈監控系統中，PC每發送一條Command給單燈控制器，后者返回一條Response給PC，Response 中會帶回控制與查詢結果。Command 與Response 各有 3 次重傳機會（可更改），即在規定時間內未接收到返回命令即重發該命令。 控制命令包根據應用不同其數據長度不同，而載波是采用固定長度的突發數據幀方式，必然存在一條控制命令包被分成多個載波數據幀的情況（稱為多個分包），在自組網協議中，對每個分包會進行編號，并進行無確認的傳輸，如果有分包丟失或誤碼，則所有分包全部丟棄，由PC繼續對數據包重傳。 單燈控制器的主動報警也屬于數據傳輸。當在控制過程中有節點報警，或者多個節點同時報警，信道上必然出現載波沖突，此時通過載波偵聽-沖突退避（CSMA / CA）機制進行避讓，實現各個節點按序上報，自組網協議采用CSMA 算法，采用標準的二進制指數退避。

由于路燈遠程控制系統傳輸信號較為簡單，可采用單包形式（如圖3所示）。下面給出單包情況下PC與單燈控制器之間的數據傳輸過程，假設應用層協議設計為PC每下發一條command message，單燈控制器即返回一條 response message。

3 系統軟件設計

3.1 軟件系統框架設計

本系統由上位機軟件系統、集中控制系統與節點控制系統（包括載波終端和單燈控制）構成，其中以上位機軟件系統為核心。多個節點控制器通過電力線與上位機系統進行數據間交互傳輸。發送的每個數據均為十六進制代碼，每次發送與接收都需要軟件自行分析與編譯。在每條語句的最后，都要加上兩個8位CRC校驗碼，將低位放在前面，高位放在后面。CRC校驗碼的計算由Modbus的定義編寫C子函數和VB子函數，每次需要進行CRC校驗或計算的時候，直接調用子函數，非常方便。每次發送數據前都要重新進行CRC校驗，以保證每次數據的正確性。各個分機都會接收來自電力線上所有的載波信號，但只會處理跟自己域名相同的命令。載波集中器會接收電力線上所有的載波信號，經過CRC校驗后，直接發送給上位機軟件系統，由上位機對各個節點控制器的狀態信息進行綜合分析，處理和顯示等工作。工作原理如圖4所示。

3.2 上位機設計

集中控制器的上位機軟件既要完成網絡初始化配置，以樹狀圖顯示網絡拓撲結構和人工修改路由配置或添加新節點的功能，同時可發送命令控制節點，并接受節點反饋信息做出相應的響應。

上位機主界面分成上下兩個功能區（如圖5所示），上部分為操作區，包括串口配置（COM Config），網絡初始化（Networking Initializing），數據傳輸壓力測試（Polling Test），人工添加節點（Add Node），報警及關控制（Alarm，All Light）。下部分為顯示區，包括主顯示區，串口發送與接收數據顯示，網絡拓撲圖顯示（Network Topology），自定義控制命令區。

4 硬件設計

4.1 電力載波模塊

該模塊主要利用高性能SENS-01電力載波通信模塊（Powerline Transceiver）來進行信息間傳輸，SENS-01嵌入式電力線載波模塊提供半雙工通信功能，可以在220V/110V，50/60Hz電力線上實現局域通信。該款產品具有通信速率高，通訊可靠，抗雜波干擾能力強，通訊距離遠等特點，是專門為適應中國國內電力線應用環境而研發的高性能電力線載波通訊產品。本電力線通信模塊內含各個外圍復雜電路，只需連接電力線即可。

4.2 單燈控制器

單燈控制器（如圖6所示）是路燈控制系統中的一個組成部分，其核心芯片SH79F642采用自主研發的硬件和軟件設計，使其具有易實施，免布線，工作可靠，易于維護等優點。

單燈控制器是以8位微控制器為核心的智能型路燈控制器，微處理器處理整個單燈控制器的數據，并接受載波終端發出的工作指令，執行開燈，關燈，調光，過載保護，信號上傳，自動報警等任務。內部負責開關的是一只磁繼電器；內含有光敏電路，通過光強度調節PWM來控制路燈的亮度；內部負責電壓/電流數據采集的專用集成電路能夠實時提供路燈工作情況；過載設計是用來保護單燈控制器，一旦電流超過規定的閾值，微控制器就會切斷繼電器；可將采集到的電壓、電流、光強度、報警等信號由串口反饋給載波終端，同時這些信號可通過液晶顯示達到實時監控的目的。

5 試驗

根據上述設計，我們在一條道路上安裝了一個集中控制器與20個節點控制器（20個節點為測試節點，可根據實際需求增加節點數量），每一個分機控制器皆相差50米左右。系統設計通信成功率為95%以上，在實際電網中測量了一周，通過上位機與每一個節點通信來測驗成功率。在測試過程中，電壓、電流以及開關功能均正常工作。由表1的數據可知，平均的通信成功率為96%以上，且每次通信時間都少于3秒，符合設計要求。

目前系統處于測試階段，由于硬件設備的原因，通信成功率還不能達到100%，因此本系統還需進一步完善。

6 結束語

本文根據實際需求，設計出了一套基于電力載波通訊自組網的路燈遠程控制系統。可靠的硬件設計和軟件設計使系統的通信質量和通信速度均符合設計要求，該系統利用現有的電力線作為通信通道，成本低，安裝方便，系統穩定、可靠，既能滿足路燈照明需求，又能節約大量電能，有很大的推廣價值。

參考文獻：

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