基于互聯網+的電力載波路燈照明系統設計*

張玉杰,李 棟,郭向陽

(陜西科技大學電氣與信息工程學院,西安 710021)

基于互聯網+的電力載波路燈照明系統設計*

張玉杰*,李 棟,郭向陽

(陜西科技大學電氣與信息工程學院,西安 710021)

針對目前基于電力載波的路燈監控系統控制方式單一、采用移動通信網絡監控存在盲區以及建設成本高等問題,提出了一種基于互聯網+的電力載波智能照明監控系統。該系統結合智能硬件技術與云平臺技術,利用PC監測中心及手持設備APP通過云端服務遠程操控路燈照明系統,實現對路燈系統組網分區、設備管理以及實時監控等功能。不僅有效解決了上述問題,而且具備了云端信息存儲及分析、授權管理以及故障診斷等增值服務,使得路燈控制更具智能化、便捷化、網絡化。

互聯網+;電力載波技術;智能硬件;云技術

隨著社會的發展以及科技的進步,路燈控制系統的控制方式也在發生著變化,從早期的手動控制到定時控制,再到如今普遍采用的遠程控制,大大方便了管理者,降低了管理成本。目前市場上存在的遠程路燈管理系統普遍采用移動公網、自建無線網絡或鋪設光纜的通信方式[1-2]。然而,移動公網數據通信需要支付一定的數據流量費用,而且存在網絡覆蓋盲區[3];自建無線網絡與鋪設光纜投資成本高、維護難度大,嚴重阻礙了電力載波在遠程路燈控制中的應用及推廣。

針對以上問題,本文提出一種基于互聯網+的路燈照明系統設計方案。該系統以智能硬件技術與云平臺技術為核心,結合電力載波通信技術,實現路燈系統大規模擴展以及網絡化控制。使管理人員可以通過PC監控中心及手持設備APP端對系統進行遠程監控,從而有效降低路燈系統的建設成本和管理成本。同時,利用云端大數據處理的特點,為路燈照明系統提供信息存儲、故障分析、授權管理等增值服務。

1 總體設計方案

本系統主要由路燈節點、智能網關、云平臺、智能手機、PC機組成,系統結構如圖1所示。系統分為2級控制網絡,第1級為路段智能網關通過云平臺與監控PC機、智能手機的通信;第2級采用電力載波通信,實現路段現場智能網關與路燈的通信。通過兩級控制網絡,可實現大區域路燈的遠程實時監控。

圖1 總體結構框圖

由于電力載波通信的衰減特性限制了其控制范圍,無法滿足大區域路燈照明控制的需求。為了解決這一問題,提高系統的可擴展性。本系統提出了采用用智能硬件云平臺技術[4],實現系統的擴展,并且可對系統進行遠程操控。智能硬件是一種基于物聯網操作系統的可接入云端的硬件設備,通過接入云端與手機APP綁定之后,可通過手機終端與其進行遠程數據交互。在本系統中,通過實現多個智能網關與云端接入及與手機APP的綁定,使得智能網關、云端及手機APP端形成了一個1級控制網絡;特定的智能網關及其所接入的燈具節點組成了第2級控制網絡。

由于電力載波信號在理論上是可以貫穿同一個變壓器所屬所有市電線,不同的系統及同一個系統的不同子網絡的信號可能會發生串擾[5]。然而,在同一個變壓器下所屬的市電網絡上,可能存在不止一個本系統。為了解決上述問題,體現系統及子網絡之間的獨立性。通過地址分配,使每一個子網絡具有所屬系統網絡ID,以及系統中的子網絡地址。燈具節點設備地址由網絡ID、網絡地址、設備編號組成。從而解決了信號串擾問題,使每個燈具節點具有獨立的設備地址,實現了系統擴展及分區控制。

系統以PC機作為監控中心,管理員可以通過監控中心對系統進行實時遠程控制,并且可以授權對安裝有本系統App的手機實行管理授權,使授權后的手機同時具備監控中心的部分功能。監控中心與手機App可以完成對燈具節點、智能網關的參數配置及查詢。如網絡ID分配、網絡地址分配;燈具最大/最小功率等級、上電功率等級等參數配置;燈具故障、能耗信息的查詢[6]。

2 系統硬件設計

2.1 LED路燈節點硬件設計

LED路燈節點由LED控制電路、LED驅動電路組成,如圖2所示。

圖2 LED節點硬件框圖

LED控制電路以微控制器SN32F248為核心,由電源模塊、復位電路、振蕩電路、調試接口以及溫度、電流、光照度傳感器組成。負責溫度、電流、光照值的采集,通過UART串口實現與電力載波模塊信息的交互。

LED驅動電路包括功率因數校正電路PFC、DC-DC轉換電路以及恒流驅動電路。PFC電路采用BOOST升壓拓撲結構,應用于AC 90 V～265 V的寬輸入電壓;DC-DC轉換電路采用具有隔離式變壓器的PWM 變換電路,支持可變占空比的PWM數字脈沖調光方式,因此輸出的恒定電流精度高,確保了LED光源的一致性;恒流驅動采用專用芯片LM346,其具有動態電壓調整,四路恒流輸出,每通道最高輸出電壓39 V,電流350 mA,四路LED輸出功率高達53.5 W。可通過改變LED控制芯片的PWM占空比來改變恒流源的電流輸出,實現亮度的平滑調節。

2.2 中繼路由器設計

電力線載波路燈監控系統,是充分利用原有路燈輸電線路作為通信線路,但在長距離傳輸中,電力載波通信過程中由于電力線通信信道不穩定,干擾多,衰減大造成通信距離受限,為了解決這一問題,必須引入中繼路由,通過中繼路由設備對信息進行轉發,從而實現信息傳輸的可靠性以及增加通信距離[7]。本系統采用了一種新的路由算法,可以在系統路由中繼發送故障時,重新確定路由途徑,這為實現系統擴展提供了保障。

利用中繼轉發功能可以很好的解決載波通信過程中由于電力線通信信道不穩定,干擾多,衰減大造成的通信距離受限問題。為了更加靈活方便的實現系統的中繼自組網,該系統中,每個路燈節點設備均帶有中繼轉發功能。由于智能網關之間相互獨立,以單個智能網關所對應的電力載波子網絡為例,子網絡中繼路由結構如圖3所示。

圖3 子網絡中繼路由結構圖

圖3中,為了方便尋址,按順序對路燈節點分配網絡地址。每一級路燈的節點個數是由電力載波的通信距離及路燈節點之間的距離決定的。本系統中,信息幀格式如表1所示。其中,標志符是為了區分不同的數據幀;網絡ID代表不同的網絡系統;中繼地址為數據幀轉發的下一個路由地址,通過當前中繼地址及中繼間隔可以計算出下一個中繼地址;中繼級數為電力載波信號發送到目的節點所需要轉發的次數(中繼深度)。

表1 信息幀格式

電力載波信息路由轉發過程如下:當監控中心下發一幀數據時,節點1(Device1)作為第1級中繼路由器,對數據幀中的中繼級數減1,若級數等于0,停止轉發,說明目的節點在本級中,目的節點只解析級數為0的數據幀;反之,修改中繼級數及中繼地址,按表1重新打包發送給下一個中繼路由設備,即第2級設備Device4作為下一個中繼路由器,依此類推,直到目的節點接收到數據。目的節點接收到監控中心的信息后,必須返回一幀數據。若監控中心發送一幀數據后,在發送到接收返回信息的最大時間后,還沒有接收到返回信息時,則重發原始數據幀,如重發三次依然沒有返回信息,則認為傳輸途中某個路由設備發生故障。這時,更換路由路徑。以Device2為新的起始中繼地址,由于中繼間隔不變,則下一個中繼地址為第2級設備Device5,那么中繼路徑發生改變,中繼路由設備地址依次后移一位。數據幀按照新的路徑重發,若監控中心依然沒有收到節點設備的恢復,按照上面方法,再此確定新的路徑,直到信息發送成功[8]。

2.3 智能網關硬件設計

智能網關采用以Cortex-M4為內核的微控制器STM32F411,其主要功能特性有:①512 kbyte的內置Flash可編程存儲器,SRAM多達128 kbyte,最高頻率可達100 MHz;②6個16位和2個32位通用定時器;③3個USART控制器和5個SPI控制器。

智能硬件主要包括:MCU處理器模塊、WiFi通信模塊、電源模塊、USART接口,其硬件框圖如圖4所示。WiFi模塊采用上海慶科公司EMW3165芯片,通過SDIO與STM32F411進行交互。支持IEEE 802.11 b/g/n,2.4 GHz頻段1通道～13通道,并支持WEP、WPA/WPA2、PSK加密方式。智能網關的電源同樣由LED路燈電源接入,經過電源模塊,產生各個硬件模塊所需的供電電壓。智能網關負責所轄網絡的管理(包括自動注冊、拓撲維護)、與監控中心之間的數據交互以及通信協議的轉換。WiFi模塊負責將智能網關與云端建立連接,實現載波網絡信息與云端通信。

圖4 智能網關硬件結構圖

2.4 電力載波模塊電路設計

如圖5所示,電力載波模塊電路主要包括:電力載波核心處理器KQ300、電源電路、電力線耦合電路、發送濾波電路、接收濾波電路、UART接口電路、晶振電路和過零電路。KQ330是專為遠程監控系統設計的電力載波調制解調模塊,最大傳輸距離可達1 km,最高速率可達9 600 bit/s。電力載波調制解調模塊的主要功能是通過UART把LED控制器輸出數據轉換為載波信號,加載到電力線上,同時把電力線上的載波信號轉換成串口數據傳輸給LED控制器,完成信號的轉換與數據的交互。

圖5 電力載波模塊電路結構圖

3 系統軟件設計

3.1 LED路燈節點軟件設計

LED路燈節點軟件設計采用模塊化程序設計的編程思想,使各個功能相互獨立,應用程序通過調用不同的接口函數,完成各個任務調度。LED路燈節點軟件部分主要分為3個任務:

(1)數據采集:定時采集燈具基板的溫度、電流、環境照度值,保存信息,以供監控中心或App查詢;

(2)PWM調光:路燈節點控制器接收監控中心發送的調光指令,更新PWM占空比寄存器,完成燈具的亮度調節;

(3)通信任務:完成電力線上載波信號的中繼路由轉發任務。

3.2 智能網關軟件設計

智能網關主要是實現云端與電力載波之間通信協議的轉換及數據的交互,是電力載波實現遠程控制的關鍵[9]。智能網關可通過多元網絡(包括WLAN、WiFi、3G/4G)接入云端并自動完成一系列網絡通信的建立,為智能網關的業務功能提供互聯網基礎。在此之上,應對不同的功能需求,完成網關的具體設計。

智能網關軟件的開發包括物聯網操作系統的設計和應用程序的設計。在嵌入式操作系統的基礎上,開發一種適應互聯網快速接入和可靠通信的物聯網開發系統。針對嵌入式設備網絡接入的需求,開發了具有高效的功耗管理,標準的網絡協議和安全,可重用的中間件,靈活可靠的云端接口等多種軟件包。其中包括:TCP/IP、BLE、6LowPan、WiFi,MQTT、HTTP、Bonjour以及完整的網絡安全算法和TLS協議棧,支持遠程系統升級的OTA協議。如圖6所示,物聯網操作系統采用分層設計,至上而下依次為:應用層,Framework層,網絡連接層,系統基礎接口(OSAL+HAL),硬件層MCU。

軟件設計主要任務有以下4點:

(1)操作系統的移植,移植主要的工作就是HAL層的接口實現(HAL接口到MCU驅動庫的轉接);

(2)TCP/IP輕量級協議棧Lwip的移植;

(3)實現HTTP、MQTT通信,實現云接入和云通信;

(4)MQTT通信接口、上位機調試接口的設計。

圖6 智能網關軟件架構圖

3.3 監控中心軟件設計

監控中心軟件旨在提高路燈系統管理的自動化、智能化程度,減少人員的工作量,提高工作效率。監測中心采用B/S架構,通過html+css進行web網頁的設計與編程,其與云端和智能網關的通信方式與用戶APP相同。監控中心功能如圖7所示,劃分為4個功能界面,主要包括用戶管理、監控管理、數據查詢與分析以及系統維護等功能界面[10]。

監控中心具有授權管理功能,手持設備端APP掃描智能硬件信息的二維碼后,便將其賬號信息推送給管理員,管理員點擊推送信息便可對該用戶授權管理,手持設備端APP在完成云端的注冊及綁定后,可以通過云端服務器與路燈控制系統進行數據交互。

圖7 監控中心功能圖

3.4 App客戶端軟件設計

用戶APP采用原生Android操作系統為開發平臺,主要包括UI界面設計、云端數據庫的操作,以及與云端和智能網關的通信[11]。其中,用戶APP與云端通信采用http協議,用戶APP與智能網關的通信采用mqtt通信。

APP軟件開發任務有以下幾點:

(1)UI界面設計:Android系統為開發者提供了豐富的類庫,整個平臺具有良好的開放性和可擴展性,使人機互動界面更加友好;

(2)通信設計:軟件通信采用Socket通信方式,即客戶端與服務器雙方建立起連接后直接進行數據的傳輸,在連接的同時實現信息的主動推送,而不需要每次由客戶端服務器發送請求。并且Socket通信具有數據丟失率低,使用簡單且易于移植等特點。

(3)數據庫設計:數據存儲采用SQLite數據庫,SQLite支持NULL、INTEGER、REAL、TEXT等數據類型,通過SQLiteDatabase類和SQLiteOpenHelper類實現數據的增加、刪除、修改以及查詢等操作。

4 應用測試

為了測試開發的電力載波系統的功能,設計了一個簡單地測試系統,系統主要包括待測智能網關、4個燈具調光節點、電源供應、一部手機組成。智能網關與燈具節點均掛在電力線上,通過電力載波總線實現通信。該系統為主從式結構,每一次通信都由主機發起。

通過手機與智能網關與云端建立通信連接,使智能網關接入云端并且與手機完成注冊于綁定。利用手機客戶端的地址配置工具,配置智能網關的網絡ID以及燈具節點的網絡地址。經過反復測試,手機在異地發送控制指令時,智能網關能夠正確的完成對手機客戶端下發的開關或調光指令的轉發,以及對路燈節點通過電線發送的反饋信息的轉發;電力載波通信穩定可靠,路燈節點能夠快速、準確地解析載波信號,并響應調光指令。實驗結果表明,該系統能夠解決傳統路燈控制系統管理不變、布線復雜、智能化程度低等問題,具有廣闊的應用前景。

5 結束語

本文設計了一種基于互聯網+的路燈監測控制系統,該系統能夠有效解決傳統傳統路燈控制系統解決了通信費用高、維護難度大、通信距離短等問題。同時系統具備各類數據的存儲,實時數據、歷史數據分析等功能。為企業在今后的系統優化、技術改進提供支持。實驗結果表明,該系網絡通信穩定可靠,實時性高,抗干擾能力強,具有一定的推廣價值。

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Design of the Street Lamp Lighting System of the Power Carrier Based on the Internet+*

ZHANGYujie*,LIDong,GUOXiangyang

(College of Electrical and information Engineering,Shaanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,China)

Aiming at the problems of street lamp lighting system based on electric power carrier,that control mode is simple,single function,high maintenance costs and mobile communication network monitoring exists blind spots,a web-based power carrier intelligent lighting control and monitoring scheme is proposed. The system with smart hardware technology and cloud technology as the core combines with electric power carrier wave technology in the application of street lamp control system. By mobile phone or tablet App client monitoring system, the real-time control is realized. And the system not only solves the mobile communication network communication blind area, expensive base station construction problems,but provides a cloud storage and information analysis,management,and troubleshooting,and authorized value-added services to make the street light control more intelligent,convenience and network.

Internet+;power carrier;cloud technology;smarthardware

項目來源:陜西省科技計劃項目(2014K07-17);西安市科技計劃項目(CXY1436(1))

2016-06-08 修改日期:2016-06-13

TN915

A

1005-9490(2017)03-0651-05

C:8530

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.027