基于电力载波技术的路灯监控系统设计分析

郭淑贞

（湖南水利水电职业技术学院电力工程系，湖南 长沙 410131）

0 引 言

路灯是城市的窗口，是城市形象的一个展示，是一个城市建设必不可少的公用基础设施。它一方面关系城市、城镇居民的切身利益；另一方面也是城市和城镇建设水平和风貌的重要体现。现阶段，路灯的管理和控制水平已经成为反映城镇现代化程度的重要标志。农村中更是如此，它对于农村进行招商引资、促进本地经济发展具有重要贡献。

低压电力载波通信技术无法实现跨变压器的数据传输，且在同一个变压器内低压电力线载波技术在进行数据传输时会产生大幅度信号衰减的现象，因此本文建议采用其他方式，比如GSM无线移动网技术、GPRS通讯以及互联网技术等。GSM无线移动网技术完全覆盖农村区域，基本上没有死角、盲区的问题，而且具有传输响应时间短、功耗低、建设费用小以及抗干扰能力强的特点，比较符合农村进行路灯监控系统的设计要求。本文对基于电力载波技术的路灯监控系统进行设计分析。

1 路灯监控系统方案的选用

（1）方案一

公共路灯监控系统一般是由上位机和下位机组成，上位机安装在路灯管理总值班室内；下位机主机单元位于支路路灯管理办公室，下位机从机单元一般安装在路灯的控制箱内部。上位机选用一般PC机配置即可，配备GSM通信接口、宽带网络通信接口等；下位机则是联合主机单元和从机单元组成。然而，低压电力载波通信技术无法实现跨变压器的数据传输，因此本文采用上位机、下位机主机单元采用GSM通信技术，而下位机和从机的主机单元均采用电力载波技术进行通信。基于电力载波和GSM通信的系统控制图如图1所示。

图1 基于电力载波和GSM通信的系统控制图

（2）方案二

本方案选用GPRS通信技术和电力载波技术进行路灯监控系统设计，主要是由路灯控制中心、信号集中器、中继器以及终端控制装置组成。路灯控制系统构成如图2所示。

路灯控制中心属于系统的上位机，采用电脑利用GPRS和集中器之间进行数据传输。控制中心发送控制命令，接收反馈信息和路灯的工作状况信息，并及时作出响应动作，这一部分主要是完成了主机和终端的数据双向传输，以及终端向电力网发射相关的控制信号，并且从电力网接收信号的问题。

图2 路灯控制系统构成

信号中继器主要是用来实现对路灯的控制信号、状态信号的放大和再生，有同一变压器内的中继器，以及跨变压器中继器两种；信号集中器由电力载波调制解调器PLC以及GPRS模块组成，其结构图如图3所示，主要实现了路段中路灯信号接收、转达等功能，是大规模路灯控制建网的必备器件。

图3 信号集中器的结构

路灯终端控制器主要是用来对接收的信号进行控制，由集中器发来的指令进行分析，按照指令对路灯的工作状态进行管理和控制，并及时把路灯工作状态反馈给控制中心，按照天气状况对传感器信号进行转变，以控制路灯的亮度。

系统通讯方式是基于电力载波技术和GPRS通信相结合，控制中心和电力载波调制解调器均采用GPRS技术进行数据传输，电力载波调制解调器和路灯控制器是采用电力载波技术进行通讯，路灯控制终端也是采用电力载波技术实现通讯，以确保电力载波调制解调器和目标路灯控制终端器之间数据通信的可靠性，确保整个路灯监控系统实现数据通信。

综上所述，结合农村实际和笔者多年工作经验认为，农村的小规模路灯系统更加适合采取方案一，也就是采用电力载波技术和GSM网络技术对路灯进行监控。

2 相关器件的选择

在农村路灯供电线路主要是低压电力线，其通信方式不外乎窄带通信、扩频通信以及正交频分复用技术（OFDM）。这几种技术各有其优缺点，在此就不一一陈述。本文主要选用OFDM通信方式的电力线载波模块，并且和单片机进行硬件接口的相关设计。OFDM系统能够在电力线比较恶劣的通信环境下，更加有效地排除各种干扰，以确保数据信号的传输更加稳定可靠，比较适合农村路灯监控系统的设计。

选用intellon公司的NT5X1芯片，是性能比较稳定的OFDM处理芯片，传输效率高达14Mbps，并且集成USB、互联网、GPS借口以及DAC和AGG控制单元，因此使用较为便捷，是进行电力载波通信装置的理想方案。

选用ATMEL公司的Atmega单片机，是基于AVR的RISC结构的单片机，运用先进控制指令，数据吞吐量高达1M／MHz，支持16MHz和8MHz的时钟频率，其FLASH程序存储器为16Kbyte，RAM为1Kbyte＋32字节，ROM为512字节，支持相关标准的兼容接口，具有C语言编程、宏汇编、仿真器以及评估板等编程和系统相关开发工具。

3 方案实施

基于电力载波技术的路灯监控系统运用单片机Atmega16和NT51X1芯片，并且通过IC总线进行数据信号的传输。IC总线是一种两线双向的接口协议，具有简化电路、地址唯一、冲突检测、仲裁机制、传输数据较快以及传输数据完整可靠等优点。

（1）耦合电路

基于电力载波技术的路灯监控系统，其信号耦合方式主要有两种:电容耦合和电感耦合。具体作用是用来隔离强电，确保低压电力线安全可靠的同时，保证耦合效果符合相关规范。除此之外，还要能够保证高频信号传输要求，带宽的稳定可靠，频率、相位以及阻抗等符合设计要求。

本文采用的耦合电路如图4所示，其中TX＿N、TX＿P、RX＿N、RX＿P是指各个输入输出端口，变压器主要用来强电隔离，0.0047μF的耦合电容和另外一个变压器共同组成高通滤波器，以防止50Hz工频电流输入，而且对于衰减低频信号和干扰信号有很大帮助，而不去衰减高频信号。图4中央两个电阻，主要是用来在断电时能够消耗耦合电容处的剩余电荷。7D471是压敏电阻，由于本系统耦合电路和电力线是直接相连的，需要对其安全和绝缘进行考虑，以避免出现电网强干扰以及雷击、开挖操作冲击等过压现象的发生。

图4 耦合电路

（2）保护电路

基于电力载波技术的路灯监控系统的保护电路主要是确保调制解调器芯片INT51X1不受电网过压冲击，电力线信号经过耦合电路和保护电路，然后传输到NT51X1处引脚。NT51X1内部装有3.3V供电CMOS线性驱动器，其电压范围最小为－0.3V，最大为＋3.6V，利用相关的肖特基二极管将电压控制在这个范围之内，如果瞬间电流过大，则能够保证二极管导通。

4 基于电力载波技术的路灯监控系统的优点

基于电力载波技术的路灯监控系统是一个比较复杂的解决方案，具有节约能源、节约维修成本的优点。同时构建一个路灯监控系统，并且利用GSM通信技术进行路灯状况的监控，完成对路灯系统的管理和控制，比较适合于城镇小规模路灯监控系统的设计。具体而言，基于电力载波技术的路灯监控系统的优点如下:

（1）节约能源约50%，减少CO2排放。

（2）实现了路灯的自动监控，以及单灯报警、故障进行自动识别，不必再安排专人进行夜间巡逻。

（3）对各个路灯的状况进行监控，如有故障及时进行维修，确保路灯每时每刻都处于最佳工作状态。

（4）安全防范是非常必要的，对单个路灯的状况进行监控可以有效处理路灯故障，远程控制路灯亮度。

（5）按照道路车流量的数据，对路灯亮度进行远程调节，实现节能减排的目的。

（6）顺次点亮路灯或者熄灭路灯，对路灯的点亮或者熄灭进行远程控制。

（7）按照当地天气状况对路灯进行控制。

（8）可以提供路灯每一天运行状况的相关数据，以便于进行责任问题分析。

5 结束语

总而言之，采用基于电力载波技术的路灯监控系统是未来发展的趋势，具有良好的发展前景。本文结合农村实际情况，对基于电力载波技术的路灯监控系统设计进行分析，以期对于农村城镇基础建设水平的提高，起到一定的促进作用。

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