基于電力載波技術的智能路燈監控系統設計

劉為芹+于會山+田存偉+王文旭+任爽

【摘 要】目前我國大部分的路燈控制系統還是采用人工手動的方式，增加了管理和使用單位的經濟負擔。基于此，本文設計了一種基于電力載波通信的智能路燈監控系統，該系統實現了對路燈的遠程智能監控，具有成本低、節約能量、易于管理和維護等優勢。詳細介紹了智能路燈系統總體設計和單燈控制器的設計。

【關鍵詞】智能路燈；電力載波；單燈控制

【Abstract】Currently， most of the streetlight monitoring systems in our country are in manual control， the management cost of many companies were increased. Therefore，this paper designs a kind of intelligent streetlight monitoring system based on power line carrier communication， which realizes remote intelligent monitoring ，and has the advantages of low cost， energy-saving， management and maintenance easily and so on. The overall design of the intelligent street lighting system and the design of the single lamp controller are introduced in detail.

【Key words】Intelligent lights； Power line carrier； Single lamp control

0 引言

隨著城市建設的快速發展，特別是道路照明及景觀照明等城市亮化工程的廣泛實施，城市照明系統規模越來越大，各類照明設施、設備數量也越來越多，提高路燈系統的統一化管理是迫切需要的[1]。

本文詳細介紹了智能路燈系統總體設計，可以實現路燈的智能控制，從而更好地達到“網絡化、智能化、節能化”的目的，本設計以物聯網為中心，以低壓電力載波為主要信道，實現了單燈的控制監測與電纜被盜監測。

1 電力載波通信技術

電力載波通信技術是通過電力線網絡進行信號傳輸的通信技術[2]。電力線載波通信速率受到多種因素的影響，如具體設備和調制方法等[3]。通過采用擴頻、選頻、自適應調制和中繼等技術，基本解決了電力載波在傳輸過程中的噪聲干擾和信號衰減嚴重等問題。

低壓電力載波通信技術與其他的通信方式相比有以下幾個優勢：1）價格上的優勢。電力線載波通信采用電力線作為載體，無需再鋪設額外的寬帶和光纜線路，成本低，建設周期短。2）使用上的優勢。當設備接通電源的時候，設備就接入到了電力載波通信網絡。3）電力網絡覆蓋度極高，可不受布線的困擾和無線環境的影響。此外，將電力線載波通信應用于路燈監控系統中，抗干擾能力和通信速率也能滿足路燈監控的需求。

2 系統整體結構設計

系統主要由三個部分構成，即單燈控制器與電纜被盜監測終端、控制箱和上位機。單燈控制器通過微處理器控制各傳感器模塊，實時監測環境中的光照強度和聲音大小，然后將這些數據通過電力載波網絡發送給路燈集中控制器；電纜被盜報警監測終端可實現全天候電纜被盜報警，線路在工作狀態下或非工作狀態下均可進行24小時不間斷監測。控制箱包括集中控制器和電纜被盜監測主機，路燈集中控制器由載波通信模塊和以太網接口組成，一方面負責電力載波網絡的構建；另一方面負責數據的轉發；電纜被盜監測主機有電防盜、無電防盜、停電防盜三種防盜功能。遠程監控中心的上位機通過以太網接口將接收到的數據進行處理、存儲和分析等操作，并最終制定出合理的路燈調度方案[4]。

上位機是指在計算機操作系統平臺下運行的路燈照明智能軟件，主要用于進行組件的配置和管理，配置主要表現為系統平臺及數據庫的初始化、設備列表的導入等；管理主要表現為用戶對路燈執行操作，查看路燈狀態及執行生成列表和報警等功能，在整個系統中屬于應用層面[5]。為保證上位機軟件穩定可靠運行，在設計時對軟件進行自動測試，同時模擬十萬盞以上路燈運行環境，充分測試系統的負載能力，長期運行不會導致監控計算機效能降低或系統運行崩潰。可根據需要對設備進行分區管理，用戶界面上需要顯示相應的系統結構樹形圖；需要具有制定分區或全部分區進行分組或全局遙控功能；可對設備單個節點控制器的輸出電壓、輸出電流、開關工作狀態等數據或狀態進行檢測；具有系統檔案管理功能，既能進行終端設備的添加、刪除、編輯和參數設置等，同時也可以多用戶同時進行操作。

集中控制器是指路燈照明監控系統中電量信息采集和遠程控制數據傳輸的關鍵設備，安裝在路燈箱變中低壓配電變壓器的低壓側，屬于系統的網絡層面。集中控制器帶有獨立操作系統，可脫離監控中心獨立執行命令以及數據保存。在監控中心發生停電或者其他系統故障以及移動網絡臨時故障時，集中器可獨立執行預設各種定時任務，系統設備設計兼容TCP/IP、GPRS、EIA-709.1、EIA-709.2、EN50065-1國際標準，并且提供與其它工控標準（如Modbus等）通信的接口，可為二次開發、產品升級開放接口；系統采用Lonworks總線式結構，網絡內任一節點發生故障不會影響系統運行；電力線通訊帶有自動路由以及載波監聽協議，有效的保障了系統的穩定性，降低了誤報率。

電纜被盜監測主機接收來自終端的載波信號，在規定的時間內沒有收到信號，主機判定為某路電纜斷線，并發出報警指示，也屬于系統的網絡層面。電纜被盜監測主機有電防盜、無電防盜、停電防盜三種防盜功能。有電防盜采用的是電力載波的通信方式，由于電波干擾大，有電防盜的距離也相對較短能達到300m-1000m；無電防盜采用的是無源技術，干擾相對較小，防盜距離能達到10km，準確率達100%；在停電狀態下進入停電防盜模式，如出現斷線或被盜割，由于中途電線已斷，電力線載波通信信道不通，收不到載波信號，從而發出報警信號[6]。

單燈控制器指進行控制和檢測路燈的工作狀態的設備，安裝于每盞路燈上，屬于系統中的感知層。具有電力線載波通信的功能，通過供電電力線與集中器保持互通，接受和執行各種指令，并將執行結果和數據送回集中器。

電纜被盜報警監測終端監測受保護的電力電纜，不需另外布設線路，實現全天候24小時連續監測。終端定時通過電纜向監測主機發送載波信號，載波信號的包絡為數字方波。

3 單燈控制器硬件設計

單燈控制器負責板上傳感數據的采集，數據通過電力線傳輸，其硬件框圖如圖2所示。采用STM32F103VCT6作為微處理器，STM32是意法半導體基于ARM Codex-M3的32位嵌入式處理器。STM32F103VCT6有11個定時器、13個通信接口和112個快速I/O端口，通過這些接口與控制電路、傳感器和電力載波通信模塊連接。

外圍電路主要有傳感器模塊、電源模塊、繼電器和電力載波通信模塊、電纜被盜監測模塊幾個部分組成，另外還包括有RS232通信接口、傳感器接口、程序下載調試接口等。傳感器負責采集環境的信息，經過信號處理電路處理以后送入到STM32F103VCT6中進行分析處理。單燈控制器的電源由LED路燈電源接入，輸入為48V，經過路燈控制器電源模塊，產生各個硬件模塊所需的供電電壓。電力載波調制解調模塊負責數據通信，實現各路燈控制終端的通信，并結合相應通信協議實現網絡多跳傳輸[7]。

電力載波模塊完成調制解調功能除了需要芯片之外，還需要相應的外圍電路完成信號耦合，供電，信號濾波等功能。圖3是電力載波調制解調器的硬件框圖。本設計使用的電力載波通信模塊為M1200E。M1200E的外圍電路可分為電源電路、電力線耦合電路、發送濾波電路、接收濾波電路、SPI接口電路、晶振電路和過零電路。由于M1200E具有較高的接收靈敏度，因此在電源的設計時要盡可能地降低電源紋波幅度[8]。M1200E與主控端的數據交換通過SPI（Serial Peripheral Interface）實現。在點對點的通信中，SPI接口不需要進行尋址操作，且為全雙工通信，簡單高效，最高速率可達幾Mbps，并且能夠與MCU實現簡單良好的聯接。

4 軟件設計

本文采用目前應用最廣泛的單片機軟件系統開發工具keil uVision4，該軟件具有強大的仿真功能，支持匯編及C語言編程。以下為系統完整的通訊過程：

上位機通過定時掃描的方式，每隔一段時間給控制箱發送指令數據，控制箱在收到數據后，根據監控中心所要獲得的信息，給單燈控制終端和電纜被盜監測終端發送包含特定功能碼的消息；單燈控制終端和電纜被盜監測終端收到控制箱的消息后對其進行解碼，并執行功能碼對應的函數，完成相應的操作；最后將數據通過應答的方式返回給控制箱，控制箱接著將數據轉發上位機。

單燈控制器通過掃描的方式不斷地檢測相關子程序的中斷，當檢測到中斷發生時，則立即跳轉到相應的子程序執行，并在子程序執行完成后繼續返回主程序運行。其中，對各個中斷根據中斷嵌套來進行優先級的設置，保證了系統運行的實時性和穩定性[9]。下圖為單燈控制器主程序流程圖。

5 系統測試

為了保證系統能夠正常工作，在使用之前進行了測試。首先檢查電路板焊接以及電路連線的正確性，逐模塊進行檢測。在完成這個工作之后，進行系統的功能測試，在實驗室環境下，PC機相當于上位機，將電力載波通信模塊與兩臺PC機相連，測試通信功能，再將控制箱與PC機通過串口RS-232相連，進行PC機通過電力載波與路燈控制終端的通信。表1為電力載波通信測試結果。

6 結論

本文設計了一種基于電力載波通信技術的路燈監控系統，并制作了開發板，完成了一套完整的系統模型的開發。該開發系統設計十分靈活，經過多次的反復實驗，該單燈控制器工作穩定，通信距離遠，能夠完成基本的遠程控制功能。目前由于電網質量問題的限制，通信距離在幾百米到2、3千米之間，如果加入路由算法以及采取中繼等方式，該單燈控制器將可以運用于實際道路路燈檢測系統中。

【參考文獻】

[1]袁舟.基于電力載波通信的路燈監控系統設計[D].成都：電子科技大學，2014.

[2]田亞輝.基于ZigBee的城市路燈無線監控系統研究[D].大連：大連理工大學，2013：1-5.

[3]許文香.基于電力載波的教室電器智能節能系統設計[J].現代電子技術，2008（19）：29-32.

[4]高偉.基于電力載波技術的LED路燈監控系統研制[D].浙江大學，2012.

[5]高云紅，梁小廷，張慶新.基于ZigBee的智能路燈控制系統設計[J].現代電子技術，2013，36（4）：194.

[6]http：//wenku.baidu.com /view/d6daec8402d276a200292eeb.html

[7]Majumder A. Power line communications[J]. Potentials， IEEE， 2004，23（4）：4-8.

[8]郭淑貞.基于電力載波技術的路燈監控系統設計分析[J].通信電源技術，2013，30（6）：73-77.

[9]田洪現，郭威.基于Ad Hoc網絡的智能路燈路由協議研究[J].測控技術，2015，34（3）：93-96.

[責任編輯：湯靜]