基于載波通信技術(shù)的城市道路照明防盜監(jiān)控管理器設(shè)計(jì)研究

伍東亮

摘?要：隨著城市現(xiàn)代化不斷的發(fā)展，城市道路亮化照明越來(lái)越重要，它是現(xiàn)代城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也是一個(gè)城市形象工程。城市路燈系統(tǒng)面臨線路長(zhǎng)、布局分散、路燈線纜偷盜發(fā)生頻繁、防盜監(jiān)控管理困難的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，傳統(tǒng)的鐘控、手控等城市照明系統(tǒng)管理方法已不能滿足要求，傳統(tǒng)的關(guān)一半的半夜燈傳統(tǒng)控制方式存在嚴(yán)重的安全隱患，嚴(yán)重影響道路照明。如何充分利用現(xiàn)代化高科技手段解決路燈控制矛盾也就成為當(dāng)前城市路燈照明控制領(lǐng)域一個(gè)新的課題。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)路燈監(jiān)控防盜管理器，利用單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、載波通訊技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)對(duì)城市道路照明實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的監(jiān)控和智能化的科學(xué)管理，同時(shí)提高了道路照明質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：路燈管理;防盜監(jiān)控;載波通信

隨著城市人口越來(lái)越多，城市科技化和舒適性的要求也越來(lái)越高。城市路燈照明系統(tǒng)，它不再局限于為市民提供生產(chǎn)、生活的照明便利，它對(duì)城市美化和亮化起到了重要的作用，智能化的城市道路照明管理監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是城市的一張名片，同時(shí)也是城市形象工程的重要組成部分。良好的城市道路照明將給城市帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。近年來(lái)隨著科技的發(fā)展，智能路燈已經(jīng)開(kāi)始推廣到全國(guó)各大城市，美化和亮化了城市，讓城市面貌煥然一新。但由于城市路燈布局分散，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、在進(jìn)行路燈智能化改造過(guò)程中需解決的問(wèn)題還有很多，比如路燈用電監(jiān)控、故障報(bào)修、路燈防盜等問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)路燈監(jiān)控防盜管理器，采用現(xiàn)代化電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)、OFDM載波通信技術(shù)，對(duì)城市道路路燈照明實(shí)現(xiàn)智能化的管理和自動(dòng)化的控制，提高了自動(dòng)化程度，提高設(shè)備維護(hù)、檢修效率，有效保證城市整體亮燈率和設(shè)備完好率。同時(shí)，通過(guò)智能化的控制，還降低路燈能耗、減低維護(hù)成本，同時(shí)避免路燈人力物力和電能的浪費(fèi)。

1 城市路燈照明防盜監(jiān)控管理器整體設(shè)計(jì)

城市路燈照明防盜監(jiān)控主要有以下兩個(gè)功能：一是對(duì)路燈用電狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，二是電纜防盜報(bào)警功能。系統(tǒng)包括防盜監(jiān)控末端和防盜監(jiān)控主機(jī)。防盜監(jiān)控主機(jī)和防盜監(jiān)控末端之間能夠進(jìn)行有效可靠的通信。通過(guò)調(diào)研分析，路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要求：

（1）帶后備電源，能自動(dòng)充放電。雙電源電路在斷電情況下自動(dòng)切換。

（2）帶GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程防盜報(bào)警和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能。

（3）帶4路數(shù)據(jù)采集控制功能。帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。能存儲(chǔ)終端單機(jī)自動(dòng)控制時(shí)刻表。

（4）帶時(shí)鐘功能。能接受遠(yuǎn)程校時(shí)。

（5）帶防盜報(bào)警載波通信模塊，實(shí)現(xiàn)報(bào)警數(shù)據(jù)傳輸。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

路燈監(jiān)控防盜主機(jī)負(fù)責(zé)路燈線路數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)通過(guò)電力線傳輸，其硬件框圖如圖1所示。路燈防盜監(jiān)控主機(jī)控制器主要包括以下幾個(gè)部分：電源模塊、GPRS通信模塊、電力載波收發(fā)模塊、MCU處理器模塊、時(shí)鐘模塊、電流采集電路、光照傳感器、繼電器模塊、防盜監(jiān)控模塊。

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

主電源采用開(kāi)關(guān)電源供電，后備電源采用鋰電池供電，采用二極管自動(dòng)切換式不間斷電源電路。

主電源：采用模塊電源，三相電源輸入，兩路5V、1A輸出。

后備電源：采用可充電鋰電池、帶充電器。

2.2 MCU處理器模塊

MCU處理器模塊選用市面上集成了基于OFDM載波通信技術(shù)的CR600控制芯片，CR600是一顆基于ARM CortexM0 CPU的高性能的寬帶載波芯片，具有高集成度與高可靠性的特性。CPU主頻125MHz，內(nèi)置256K片上RAM。使用OFDM調(diào)制技術(shù)，帶寬可達(dá)2～28MHz，物理層最高速率可達(dá)240Mbps，可內(nèi)嵌自動(dòng)中繼路由協(xié)議，最大支持10級(jí)中繼。利用芯片集成的載波通信接口，配合路燈防盜終端可實(shí)現(xiàn)路燈電纜防盜監(jiān)控。

2.3 用電監(jiān)控電路

路燈用電監(jiān)控采用專用計(jì)量芯片ATT7022A，監(jiān)控線路的電壓、電流通過(guò)傳感器線路輸入給ATT7022，3路模擬量通過(guò)三個(gè)雙四路模擬開(kāi)關(guān)CD4052進(jìn)行信號(hào)切換。

2.4 數(shù)字量輸入輸出電路

數(shù)字量輸入（開(kāi)關(guān)狀態(tài)量）采用光耦隔離電路，數(shù)字量輸出（遙控輸出）電路采用光耦隔離，繼電器輸出。

2.5 存儲(chǔ)模塊

終端需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)有：?jiǎn)螜C(jī)模式下的開(kāi)關(guān)燈控制時(shí)間，電壓電流傳感器變比。存儲(chǔ)量較小，數(shù)據(jù)讀寫次數(shù)少，選用24C02夠用。

2.6 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊主要是在系統(tǒng)單機(jī)模式下或者是系統(tǒng)掉電重啟后給終端提供精準(zhǔn)時(shí)鐘，時(shí)鐘芯片選用ISL1208。

2.7 GPRS模塊

GPRS模塊選用宏電H7709嵌入式GPRS DTU。可選擇232通信方式。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

路燈防盜監(jiān)控軟件任務(wù)主要包括：路燈線路的數(shù)據(jù)和狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集、對(duì)路燈管理上位機(jī)軟件命令的響應(yīng)、對(duì)異常情況的主動(dòng)上報(bào)、斷網(wǎng)情況下的單機(jī)自動(dòng)控制，對(duì)路燈防盜的監(jiān)控與報(bào)警。

路燈防盜監(jiān)控軟件由主程序及各種外圍硬件的驅(qū)動(dòng)子程序構(gòu)成。

路燈防盜監(jiān)控主程序主要執(zhí)行實(shí)時(shí)采集各條線路的電壓電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)等電參數(shù)、脫網(wǎng)模式下，單機(jī)智能控制開(kāi)關(guān)燈及主動(dòng)上報(bào)的任務(wù)。

外圍硬件的驅(qū)動(dòng)子程序包括：24C02子程序、ISL1208時(shí)鐘芯片子程序，ATT7022應(yīng)用子程序、繼電器輸出子程序、開(kāi)關(guān)量讀入子程序、防盜監(jiān)控串口中斷子程序。各子函數(shù)主要功能介紹如下：

（1）24C02子程序主要完成數(shù)據(jù)的讀寫。讀寫數(shù)據(jù)包括：開(kāi)關(guān)燈時(shí)間，電參數(shù)存儲(chǔ)。

（2）ISL1208時(shí)鐘子程序主要完成對(duì)ISL1208時(shí)鐘芯片的讀取及時(shí)鐘校時(shí)。

（3）ATT7022子程序主要完成對(duì)電參數(shù)電壓電流的讀取，不包括軟件校表。

（4）繼電器輸出子程序主要完成對(duì)四路繼電器輸出的分路獨(dú)立控制。

（5）開(kāi)關(guān)量讀入子程序主要完成對(duì)四路開(kāi)關(guān)量輸入的讀取。

（6）GPFS通信子程序主要完成上位機(jī)開(kāi)關(guān)燈命令及校時(shí)命令執(zhí)行。

（7）防盜報(bào)警串口通信子程序主要完成心跳包的收發(fā)和防盜報(bào)警的監(jiān)控。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，基于電力載波技術(shù)的城市路燈監(jiān)控管理器通過(guò)采用現(xiàn)代化電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)、OFDM載波通信技術(shù)，對(duì)日益快速發(fā)展的城市道路照明實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控和智能化的科學(xué)管理，提高了道路照明質(zhì)量，保證了路燈電纜的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]周游，朱世磊，胡捍英.一種新的恒模信號(hào)OFDM系統(tǒng)的盲頻偏估計(jì)算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2014（5）：1512-1516.

[2]楊碩.基于OFDM的電力線窄帶通信關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].浙江大學(xué)，2012，（8）：65-66.

[3]楊朝陽(yáng)，楊霄鵬，李騰等.新的基于粒子群優(yōu)化的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)盲頻偏估計(jì)算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014，34（10）：2787-2790.

[4]李偉，江楠.OFDM技術(shù)在電力線通信中的應(yīng)用[J].電子測(cè)試，2013（09）.

[5]郭禧斌，左明鑫，吳伯彪.OFDM技術(shù)在低壓電力線載波通信中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].信息通信，2015（08）.

基金：湖南省教育廳教育科學(xué)研究項(xiàng)目：基于OFDM技術(shù)的電力載波路燈電纜防盜系統(tǒng)研究.（項(xiàng)目編號(hào)：17C0579）