电力载波通信远程路灯监控系统设计

施 阁，陈升辉，蒋亚露，胡青海，于乐堃

（中国计量学院 机电工程学院，浙江 杭州 310018）

近年来，具备远程监控的智能化路灯网络得到越来越广泛的应用，除了传统的高压钠灯、卤素灯外，新型的LED路灯更是需要采用远程监控接口，以达到实时控制的目的.有很多的研究者尝试使用电力载波技术，来实现路灯的远程监控，但由于国内电网的复杂性，比如当居民用电时，负载不断的接入与断开，在不同的时刻会对载波信号产生不同的衰减作用；而且载波信号极易受无线电广播和天线噪声干扰；当信号调制在电力线上时，在每个周期的峰值点极易丢失信号，因此载波信号在电力线上的传输准确度往往不是很好.为了解决上述的问题，我们采用290K的检波频率，窄带BPSK调制等方法来实现信号传递的稳健性，同时通过光耦检测过零时间点和调制输出电路，实现载波信号的过零通信，能较好的在国内电力线上实现信息交互.

同时，通过将电力载波芯片模块化（只有两个烟盒大小），使其具有体积小、节省布线的天然优势.由于载波线路与芯片之间通过磁环进行信号耦合，而磁环的饱和可以抑制能量导入芯片端，从而使载波芯片在防雷方面也具有较好的效果.另外，在路灯智能化改造中，载波模块可直接安装在灯杆底端的监控箱中，便于安装和维修.本文主要介绍的是载波模块硬件与程序算法的设计.

1 系统总体结构

1.1 系统网络组成

远程路灯监控系统是由操作台的主机监控系统，和设置在各个路灯的分机监控系统组成.操作台可以安装在配电室或值班室，分机监控器则安装在路灯的终端上.主机监控系统包括转换器（实现载波数据与RX485数据转换的功能）和上位机监控软件.通过主机监控系统发送与接收命令，电力线传输数据，分机监控器执行与反馈命令，以此组成整个信息交互网络.

图1 系统总体结构Figure 1 System architecture

电流载波通信即PLC（Power Line Communication），是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术.PLC的工作原理，即把自动化设施中的有效数据，通过解调器调制后，耦合到电力线上，经过电力线传输到终端的数据解调器上，再由终端的数据解调器把信号解调出来，传送给终端自动化设备.由此电力线不仅实现了供电的功能，还提供了一种信息通信的手段.

在传统有线传输技术中，每当需要采用新的通讯方式时，都要重新铺设通讯线路，但铺设新的线路会牵扯到方方面面的内容，比如与原有线路是否冲突，材料的性价比等，并且当以后需要修改线路的时候，又将带来大量成本和时间上的损失.在我们的系统中，只要有电力线就能实现信号传输，当需要使用的时候，只需将载波模块安装在路灯的监控终端即可，当发现需要修改线路时，改变载波模块的安装位置即可.而且本系统不仅抗干扰性强，同时传输距离远（有效传输距离在一千米左右），并且通过软件的修改，可以实现多级通信，从而大大增强通信距离.

2 载波模块硬件框架

该硬件主要利用高性能SENS－01电力载波通信模块（Powerline Transceiver）来进行信息传输，SENS－01嵌入式电力线载波模块，提供半双工通信功能，可以在220V／110V，50／60Hz电力线上实现局域通信.该款产品具有通信速率高，通讯可靠，抗杂波干扰能力强，通讯距离远等特点，是专门为适应中国国内电力线应用环境而研发的高性能电力线载波通讯产品.本电力线通信模块已内含各个外围复杂电路，在使用时，直接连接电力线即可.

图2 载波模块结构Figure 2 Carrier module structure

2.1 过零检测电路

在此模块中，主要是采用NPN三极管驱动发光二极管，同时在接收端加上拉电阻进行过零检测，以判断信号相位，与检波电路一起实现过零信号检测与接收功能.该电路采用了光耦过零技术，使后面电路不直接接触220V市电，最大程度保证了安全性.

图3 过零检测电路Figure 3 Zero crossing detector circuit

2.2 调制输出电路

在本电路中，采用互补推挽放大器来增强驱动能力，提供大电流.Q3管接入Q2管和Q4管的基极，以此作为推动信号.由于两只三极管的极性不同，基极上的输入信号电压对两管而言一个是正向偏置，一个是反向偏置.当输入信号为正半周时，两管基极同时电压升高，此时输入信号电压给Q4管加上正向偏置电压，所以该管进入导通和放大状态.由于基极电压升高，对Q2管来讲，等于加上反向偏置电压，所以该管处于截止状态.输入信号变化到负半周后，两管基极同时电压下降，给Q2管正向偏置，使该管进入导通和放大状态，而Q4管又进入截止状态.两只三极管输出的半周信号在放大器负载上合并后，得到一个完整周期的输出信号.再经过一个电容和限幅稳压管起到滤直流和稳定电压的作用，再通过变压器将信号耦合到电力线上，以实现数据的传输.

图4 调制输出电路Figure 4 Modulation output circuit

2.3 检波输入电路

在本模块中，主要采取290K检波电路，来实现从电力线上不失真的得到调制信号.当信号经过变压器降压后，接入检波电路，使信号解调，再经过两个稳压二极管来限幅，防止过电压通入载波模块的I＼0口.在图6中可看到当接入信号源后，在输出端口，获得了290kHz的检波频率.

图5 检波输入电路Figure 5 Detector input circuit

图6 290K检波信号Figure 6 290Kdetector signal

2.4 电压电流测量电路

在本模块中，直接从变压器的二次端一侧引出二次电压，经过滤波后得到测量电压，再1／2分压后接入本模块的AD端口，通过10位AD采集以及转换计算，就能得到准确的外接电压大小.

电流测量的原理如下图7，是在接入路灯电源的火线上串联一个交流互感器，经过桥式整流以及滤波电路之后，由R1作为采样电阻，在它上面反映出电流信号.在电流检测实验中，载波模块与220V／300W的电器串联运行，测得电流互感器上电压V＝1.05V，转换后，该电器的电流有效值为1.48A，由电流表测得实际电流有效值为1.50A.

图7 电流测量电路Figure 7 Current measuring circuit

3 系统软件框架

3.1 软件系统框架设计

本系统由上位机软件、转换器软件与分机软件构成.其中以上位机软件为核心，多个分机监控器通过电力线，与上位机软件进行数据交互.在每次命令的最后，都要加上两个8位CRC校验码.由Modbus的CRC定义编写C子函数和VB子函数，每次需要进行CRC计算或校验时，直接调用子函数，非常的方便.每次收发数据都要重新进行CRC校验，以保证每次数据的正确性.

各个分机都会接收来自电力线上所有的载波信号，但只会处理跟自己域名（每一台的机号）相同的命令.处理完后，将反馈数据发送给上位机软件系统，由上位机对各个分机监控器的状态信息进行综合分析，并显示处理后的结果.工作原理如图8：

图8 系统工作原理图Figure 8 System diagram

3.2 上位机软件

此软件采用VB编写，内嵌Modbus传输协议，自行编写人机交互软件，在确保系统稳定的前提下，精简代码，设定算法，从而大大提高了系统的安全性.

在本系统中，主要使用了01（读线圈），03（读保持寄存器）和05（写单个线圈）功能码，每一次数据包将以20个字节发送，数据不足20，软件自动补零0.

例如：

1）读取05号分机的继电器01的状态，假设为关（ON＝1，OFF＝0）.发送命令后，当对应分机收到数据后，查询本机的继电器状态，再将信息处理后发还给主机，完成这次主机的请求命令.当需要读取分机上多个继电器状态时，只需修改起始地址与输出数量即可.

表1 功能码01的请求例子Table 1 Function code 01examples of request

表2 功能码01的响应例子Table 2 Function code 01response example

2）读取05号分机的01－02号寄存器（即流过的电压电流大小），假设分别为220V，150mA.分机监控器软件会将测得的电压值除以100，将其商转换为十六进制后，放在寄存器高位；将其余数转换为十六进制后，放在寄存器低位.对电流也是同样的操作.当主机接收到数据后，即对其进行反操作，即能获得测量值，在整个系统中电压的单位是伏特，电流的单位是毫安.

表3 功能码03的请求例子Table 3 Function code 03examples of request

表4 功能码03的响应例子Table 4 Function code 03response example

3）命令05号分机打开继电器01（以0xFF00代表ON，0x0000代表OFF）.

表5 功能码05的请求例子Table 5 Function Code 05examples of request

表6 功能码05的响应例子Table 6 Function code 05response example

上位机软件包含对数据的收发处理.其功能主要是两路单独的电力载波查询，以及一路可设定轮询时间的自动分机状态查询.当发送一次命令后，在800ms内没有收到回复命令，则软件将自动重新再发送一次命令；如果还是没有回复，则在用户界面上提示与该路灯通信出现故障.当命令打开路灯时，电流检测却接近零，则在用户界面上提示该路灯运行出现故障.

软件工作流程：

1）启动上位机软件系统

2）用户对串口与波特率进行一些初始化设置（或者选择默认设置）

3）选择手动查询或自动查询模式

4）输入用户想查询的分机号时，点击查询（当选择自动查询模式时，还需设置轮询时间）

5）上位机发送命令，并等待接收命令

6）上位机处理命令，并显示对应的内容（若是两次发送命令皆无响应命令，则界面提示该分机出现故障）

用户界面如图9.

图9 上位机软件用户界面图Figure 9 PC software user interface diagram

3.3 转换器，分机监控器软件设计

转换器的主要功能为通过RX485实现与上位机通信，当接收到数据后，先按照Modbus协议校验CRC，以防止数据接收错误，当校验结束后，将数据传输到电力线上.同时也将接收来自电力线上的数据，校验完毕后，通过RX485传输给上位机，进行数据的综合处理.

分机监控器的主要功能为监控路灯的使用状况，并响应主机的各项命令，同时执行完相应命令后，将响应数据传输给转换机.同时它也负责对当前路灯电压、电流的实时测量，以便随时响应主机的查询命令，使主机能快速了解分机的运行状态.

转换器和分机监控器接收数据均采用中断接收，即每来一个数据都会产生一次中断.将数据记入在数组中，采取此种方式能最大程度上保证，接收数据的安全性和有效性.

本软件设计采用的是一呼一答的通讯方式，即每个分机皆有属于自己的机号，每次主机同时呼叫所有电力线上的分机监控器，但只有符合呼叫机号的分机才会响应此次呼叫.数据处理后通过电力线将处理的数据发送出去.同时，分机也能直接接收来自RX485的数据，同样处理后，通过RX485发还给上位机.

图10 转换器软件流程图Figure 10 Converter software flow chart

4 试验效果

根据以上设计，本小组制作了一个转换器与十个分机监控器，将其安装在实际照明道路上，各路灯相差50m左右，以此模拟路灯监控环境.在实际电网中运行一个星期，在每天的固定时间内，分别发送查询与强制开关命令，通过上位机软件的显示，记录数据响应的时间与成功率.在测试过程中，不定时的人为关断路灯，以此模拟路灯故障，当主机查询到该路灯时，上位机皆能及时报警，提示出现故障.下表的数据都是在没有人为造成故障的情况下测得的（接收到的命令指的是，校验正确的反馈数据），由表1计算后可知，平均的通信成功率在96%以上，且每次通信时间都少于1s，在系统设计能接收的范围内.

表7 通信数据记录表Table 7 Data record of the communication

5 结 语

现在采用的监控方法以分散时控方式为主，即在路灯配电箱中安装定时器，按预定的时间自行开／关灯，有些景观灯开关通常还是人工手动控制方法.现行的方法既不能及时调整开／关灯的时间，更无法及时反映照明设施的运行情况，并且故障率高、维修困难.因此电力线载波技术的路灯监控系统，将成为社会未来发展的主要趋势之一，具有广阔的发展前景和巨大的市场前景.为了方便大众，造福社会，新型的PLC远程路灯监控系统值得我们进行大量的探索和深入的研究.而通过上述内容的介绍与实验结果的分析，我们相信电力载波将给人民生活带来更多的幸福与便捷.

［1］周正华.一种简化的自动中断电力载波路灯控制技术［J］.工业控制计算机，2011，24（5）：31－34.Zhou Zhenghua.A street lamp control technology of simple automatic relay PLC［J］.Process Control Computer，2011，24（5）：31－34.

［2］周亚联.电力线载波通信技术问答［M］.北京：水利电力出版社，1986：6－10.

［3］陈维千.电力线载波通道［M］.北京：水利电力出版社，1983：76－90.

［4］杨 刚.电力线通信技术［M］.北京：电子工业出版社，2011：32－45.

［5］齐淑清.电力线通信（PLC）技术与应用［M］.北京：中国电力出版社，2005：12－46.

［6］何立民.MCS－51单片机应用系统设计技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1999：10－120.

［7］汪建伟.浅谈基于电力载波技术的智能路灯控制系统［J］.照明工程学报，2008，15：128.Wang Jianwei.Simple analysis of intelligent control system for road lantern based on the power line carrier technology［J］.China Illuminating Engineering Journal，2008，05：128.

［8］刘 辉.网页信息过滤系统的研究与设计［D］.苏州：苏州大学，2009.Liu Hui.Research and design web information filtering system［D］.Suzhou：Suzhou University，2009.

［9］李 昌，叶键锋，涂用军.电力线载波通信的集群式防盗报警系统［J］.单片机与嵌入式系统应用，2008（6）：55－57，61.Li Chang，Ye Jianfeng，Tu Yongjun.Clustered theft－guard and alarm system on PLC communication［J］.Microcontrollers ＆ Embedded System，2008（6）；55－57，61.