一种基于电力载波通信的路灯控制系统集中器的设计

向 敏，王时贺，赵星宇

(1.重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆，400065;2.重庆市物联网工程技术研究中心，重庆，400065)

0 引言

近几年，随着物联网技术的快速发展及其应用推广，路灯控制技术也有很大地提高。目前应用于路灯控制的通信方式主要包括有线(以太网技术)、短距离无线通信和电力载波通信［1－3］。有线控制方式布线难度极大，加上设备和维护费用昂贵，使其较难大规模应用;短距离无线通信安装方便，但目前无线信号频段较多，相互干扰较大，常导致其通信质量无法保证;此外，无线射频信号在隧道中存在多径衰减，通信距离较短，导致其在隧道路灯控制应用中受限;电力线载波通信技术具有不需额外布线、覆盖范围广和连接方便等特点［4］，但低压电力线上通常存在强干扰且负载变化频繁，使电力载波通信质量受到严重影响［5－6］，这导致电力载波通信技术应用在一定程度上受到限制。而城市道路或高速公路的路灯用电线路为专线，其负载为单一种类的路灯，且路灯线路供电端都有独立的配电柜，因此，线路干扰较小，负载阻抗变化微弱，将电力载波通信技术应用于路灯控制具有可行性。

目前应用电力载波通信技术的场合多为智能电表抄表系统［7－8］，其网络构成多为树形机构［9］，其实时性和可靠性要求相对较低，通常要求集中器能在24 h内与终端完成一次通信即可，这显然不适用于实时性和可靠性要求高的路灯控制系统。针对这一问题，本文设计了一种采用三相电源供电的集中器，利用32位高速微控制器，基于嵌入式操作系统，将电力线载波通信、GPRS通信和以太网通信进行协同管理，通过GPRS通信或者以太网通信接收管理中心下发的控制指令，经3个单相电力线载波通信模块实现对连接于三相的路灯控制，并将路灯控制器回复的数据通过GPRS通信或者以太网通信反馈到远程管理中心。此外，通过交流过零中断技术实现三相电缺相检测，一旦发现缺相，及时报告管理中心，实现了集中器与控制终端和远程管理中心的快速、可靠通信。

1 设计方案

在路灯控制系统中，集中器接收来自路灯控制终端运行状况信息并实现对其直接控制，同时需要与远程监控中心进行信息交互。它位于配电变压器的低压侧，与A，B，C三相电力线相联，是整个系统的通信控制枢纽，决定了整个系统的可靠性和稳定性，集中器与路灯控制系统的关系如图1所示。

图1 集中器与路灯控制系统示意图Fig.1 Diagram of concentrator and road lamps control system

在图1中，定义信息由远程控制中心下发指令给集中器，集中器将指令转发至路灯控制节点称为下行通信;信息从路灯控制节点传递到集中器，经集中器转发至远程控制中心为上行通信。集中器与远程控制中心信息交互主要有以下任务:①接收远程管控中心指令，对指令进行解析;②将收到的路灯终端运行状况信息上传至管控中心，使管控中心有效监控整个系统运行状况，对不正常现象及时调整。

集中器与路灯终端的信息交互，主要完成以下任务:①根据远程控制中心指令完成对路灯的控制和接收路灯终端的反馈信息;②当无法与远程控制中心通信时，可依据初始设置的控制方案对系统进行自主控制。

1.1 集中器硬件设计

集中器硬件平台以高速的32位微控制器AT91RM40008为核心，主要包括微控制器单元、程序存储单元、电力线载波单元、GPRS通信单元、以太网通信单元、串口单元、电源模块单元组成，从而实现连接和管理电力线载波通信功能、以太网通信、GPRS等通信功能，其组成结构如图2所示。

图2 集中器硬件组成结构图Fig.2 Hardware structure diagram of the concentrator

在图2中，电力线载波通信单元由微处理器通过串口通信扩展芯片分别与3个独立的电力载波通信模块连接，从而实现集中器与A，B，C三相所配路灯进行独立通信。为减少相间干扰和载波信号对载波信号调制、解调电源的影响以及数字电路部分对载波信号的干扰，硬件设计中分别在交流三相四线中串入阻波器，一方面阻止高频信号向不需要的方向发送;另一方面，还抑制大功率负载及其噪声对载波系统的影响，过滤掉不需要的信号，从而提高载波通信质量。

微处理器通过系统总线实现与10 MHz/100 MHz自适应网络控制芯片，实现以太网通信，通过串口实现与GPRS通信模块进行数据交换。

电源模块使用三相供电，有效地防止缺相导致集中器不能正常供电问题。电源模块设置为2种输出:线性输出和开关输出。线性输出电源稳定性高，纹波小，为PLC电力载波模块供电，实现载波信号的调制和解调;开关电源输出的纹波较大，但可提供较大电流，为CPU及其它单元提供电源，保证集中器正常工作。

集中器工作状态中缺相检测通过载波电路中交流过零点中断技术实现，微控制器在预设时间内没有检测到某相载波模块的过零信号，该载波模块发送缺相报告帧，微控制器收到该缺相报告帧后，添加上该相的相位信息再通过以太网或GPRS通信方式将该帧上报给远程管理中心，且微控制器不再向该相电路发送信号，直至该相供电恢复后。

1.2 集中器软件设计

集中器微控制器单元采用μC/OS－II操作系统，为GPRS通信模块、以太网通信模块、三相电力线载波模块创建任务。为提高软件运行的可靠性，采用底层驱动模块实现各硬件模块对嵌入式操作系统的支持，使之更好地运行于集中器。各个通信模块以协议栈方式实现通信信息的解析、处理和封装数据包功能，其中，GPRS无线通信模块和以太网通信模块实现集中器与远程控制中心信息交互，电力载波通信模块实现集中器与路灯控制终端信息交互。

1.2.1 集中器软件结构

集中器的软件结构如图3所示。主要包括嵌入式操作系统模块、底层驱动模块及上层应用模块，其中，上层应用模块主要包括检测模块、上行通信模块、下行通信模块和协议模块。

图3 集中器的软件结构图Fig.3 Software structure diagram of the concentrator

嵌入式操作系统模块包括任务管理、时间管理、内存管理、信号量与消息队列管理等。CPU驱动主要完成中断向量设置、RAM初始化、高级中断管理、I/O口功能设置与管理、CPU主时钟配置、外设地址配置、地址重映射等;任务管理包括任务创建、任务挂起/唤醒、任务删除等。本集中器创建的任务包括GPRS通信任务、以太网通信任务、串口通信任务、载波通信任务、系统及载波性能检测任务等，使用信号量与消息队列来完成任务间的通信。该集中器中需要使用定时器来提供操作系统时钟，实现实时时钟、设置三相间数据发送间隔、定时等待数据接收、数据回复超时等功能。

底层驱动模块包括以太网卡驱动、串口扩展驱动、串行通信驱动以及中断处理部分，主要完成对网卡、串口及串口扩展芯片的初始化和配置，包括通信速率、时钟、通信方式、设备使能配置及为应用层提供相关设备的函数接口等。

集中器通过通信模块接收到数据后需要传递一个信号量或者消息队列，将接收到的内容交给协议模块处理。协议模块完成对收到的数据包解析处理，并按通信协议封装数据包，调用通信模块将数据发送出去;通信模块主要包括GPRS模块的数据收发、网口的数据收发、串口的数据收发和三相载波模块的数据收发。检测模块是用来测试系统的丢包率、载波信号的强度、工作模式及三相电情况实时监测。还可以用于设备批量生产时对新生产设备进行测试，测试设备硬件是否正常、软件是否正常运行，设备ID信息是否正确等。

1.2.2 上行通信过程

上行通信过程为路灯控制节点发送数据经集中器上传至远程管理中心的过程。集中器从串口扩展芯片接收到的数据即为路灯终端传递上来的数据，在接收数据过程中，集中器首先调用串口扩展接收函数的函数接口，等待接收完数据后，将接收到的数据存放在建立好的信号量里，同时CPU创建一个载波模块接收信息处理任务，该任务一直处于循环等待状态，直到有新的信号量发生，将数据从信号量里取出，并分析数据类型后直接通过GPRS发送至管控中心，或者经过通过TCP/IP协议栈封装成以太网数据经以太网接口发送至管理中心。上行通信流程如图4所示。

1.2.3 下行通信过程

下行通信过程为远程管理中心发送指令经集中器下发至路灯节点的过程。集中器从GPRS无线通信接口接收到数据后经串口将数据发送至微控制器;如果从普通网口接收到数据，则直接送至微控制器解析。判断数据类型如果是校时命令，则对集中器实时时钟芯片进行校时操作;如果不是校时命令，判断命令是否发送给集中器上A/B/C相载波模块，如果是，则直接发送至各个载波模块，否则判断是否是发送给终端控制器的单点控制指令，如果是，进一步判断数据是单播数据还是广播数据，如果是单点控制指令，则查找目的ID属于哪一相位下的设备，将该相相位的ID信息及时间戳信息添加到数据包头部，再发送至该相载波模块。如果是广播数据，则依次添加三相载波模块的ID信息，启用系统定时器使A，B，C三相载波模块依次相隔1 s发送出去。信息下行处理流程如图5所示。

2 测试与分析

载波模块的耦合电压对载波信号的耦合有着直接的影响关系，主要测试其纹波干扰，通过实际测试，载波调制/解调电源纹波为27.6 mV，满足集中器对电源的要求。

为了评估集中器的载波信号灵敏度，在重庆电科院的电力线载波测试平台上进行了相关测试。测试平台能够通过负载柜对载波信号施加不同强度的衰减。在传输信道两端分别连接集中器和路灯控制终端，载波信号灵敏度测试平台示意图如图6所示。

图6 灵敏度测试平台示意图Fig.6 Schematic diagram of the sensitivity test platform

测试过程中，集中器循环发送测试命令帧，路灯终端收到此数据帧后作出回复，测试平台通过负载柜对载波信号施加不同信号强度的衰减。为评估性能，集中器每发送一次命令，如果未能收到回馈信息，则视本次通信失败，即数据包丢失。上位机对整个测试过程进行监控记录，并统计出在不同衰减信号强度下的丢包率等信息，通过丢包率的大小分析集中器载波通信的灵敏度。测试结果统计如表1所示。

表1 灵敏度测试结果Tab.1 Test results of the sensitivity

由表1可以看出，在衰减低于85 dB时，丢包率为0%，有很高的灵敏度，信号传输可靠。继续增大衰减，数据传输就会出现丢包，为保证通信的可靠性，集中器通过协议采用信息重发机制，从而确保集中器每次下发指令到控制终端均能得到对应回馈信息。

为验证系统整体运行性能，在重庆四联光电科技有限公司实际搭建路灯控制系统进行测试，搭建系统示意图如图7所示。每3组灯并联在一起，然后间隔50 m交错连接电力线上。测试时，由集中器发送指令实现对路灯的控制。

图7 实际搭建系统示意图Fig.7 Schematic diagram of the actual system

实际测试中，每相接10个路灯，共搭接30个路灯。在一天的不同时间段共进行了10次测试，每次进行了20次开关灯操作。实际测试结果如表2所示。

表2 实际测试结果Tab.2 Actual test results

在总共进行的200次测试中，只有一次没能实现完全控制，成功控制率达99.5%，有较高的可靠性。控制时间为1.23～1.66 s，有着较好的实时性，满足路灯控制系统对集中器实时性和可靠性的要求。

3 结论

本文设计了一款应用于路灯控制系统的基于低压电力线载波通信技术的集中器，根据路灯控制系统的性能要求，采用嵌入式设计思想，将集中器信息上传和下发设计通信控制机制，实现了三相路灯可靠控制。最后，通过搭建测试平台对其进行性能指标实际测试，测试结果表明，集中器可以满足路灯控制系统可靠性、实时性的要求。

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