基于电力载波技术的智能路灯监控系统设计

刘为芹+于会山+田存伟+王文旭+任爽

【摘 要】目前我国大部分的路灯控制系统还是采用人工手动的方式，增加了管理和使用单位的经济负担。基于此，本文设计了一种基于电力载波通信的智能路灯监控系统，该系统实现了对路灯的远程智能监控，具有成本低、节约能量、易于管理和维护等优势。详细介绍了智能路灯系统总体设计和单灯控制器的设计。

【关键词】智能路灯；电力载波；单灯控制

【Abstract】Currently， most of the streetlight monitoring systems in our country are in manual control， the management cost of many companies were increased. Therefore，this paper designs a kind of intelligent streetlight monitoring system based on power line carrier communication， which realizes remote intelligent monitoring ，and has the advantages of low cost， energy-saving， management and maintenance easily and so on. The overall design of the intelligent street lighting system and the design of the single lamp controller are introduced in detail.

【Key words】Intelligent lights； Power line carrier； Single lamp control

0 引言

随着城市建设的快速发展，特别是道路照明及景观照明等城市亮化工程的广泛实施，城市照明系统规模越来越大，各类照明设施、设备数量也越来越多，提高路灯系统的统一化管理是迫切需要的[1]。

本文详细介绍了智能路灯系统总体设计，可以实现路灯的智能控制，从而更好地达到“网络化、智能化、节能化”的目的，本设计以物联网为中心，以低压电力载波为主要信道，实现了单灯的控制监测与电缆被盗监测。

1 电力载波通信技术

电力载波通信技术是通过电力线网络进行信号传输的通信技术[2]。电力线载波通信速率受到多种因素的影响，如具体设备和调制方法等[3]。通过采用扩频、选频、自适应调制和中继等技术，基本解决了电力载波在传输过程中的噪声干扰和信号衰减严重等问题。

低压电力载波通信技术与其他的通信方式相比有以下几个优势：1）价格上的优势。电力线载波通信采用电力线作为载体，无需再铺设额外的宽带和光缆线路，成本低，建设周期短。2）使用上的优势。当设备接通电源的时候，设备就接入到了电力载波通信网络。3）电力网络覆盖度极高，可不受布线的困扰和无线环境的影响。此外，将电力线载波通信应用于路灯监控系统中，抗干扰能力和通信速率也能满足路灯监控的需求。

2 系统整体结构设计

系统主要由三个部分构成，即单灯控制器与电缆被盗监测终端、控制箱和上位机。单灯控制器通过微处理器控制各传感器模块，实时监测环境中的光照强度和声音大小，然后将这些数据通过电力载波网络发送给路灯集中控制器；电缆被盗报警监测终端可实现全天候电缆被盗报警，线路在工作状态下或非工作状态下均可进行24小时不间断监测。控制箱包括集中控制器和电缆被盗监测主机，路灯集中控制器由载波通信模块和以太网接口组成，一方面负责电力载波网络的构建；另一方面负责数据的转发；电缆被盗监测主机有电防盗、无电防盗、停电防盗三种防盗功能。远程监控中心的上位机通过以太网接口将接收到的数据进行处理、存储和分析等操作，并最终制定出合理的路灯调度方案[4]。

上位机是指在计算机操作系统平台下运行的路灯照明智能软件，主要用于进行组件的配置和管理，配置主要表现为系统平台及数据库的初始化、设备列表的导入等；管理主要表现为用户对路灯执行操作，查看路灯状态及执行生成列表和报警等功能，在整个系统中属于应用层面[5]。为保证上位机软件稳定可靠运行，在设计时对软件进行自动测试，同时模拟十万盏以上路灯运行环境，充分测试系统的负载能力，长期运行不会导致监控计算机效能降低或系统运行崩溃。可根据需要对设备进行分区管理，用户界面上需要显示相应的系统结构树形图；需要具有制定分区或全部分区进行分组或全局遥控功能；可对设备单个节点控制器的输出电压、输出电流、开关工作状态等数据或状态进行检测；具有系统档案管理功能，既能进行终端设备的添加、删除、编辑和参数设置等，同时也可以多用户同时进行操作。

集中控制器是指路灯照明监控系统中电量信息采集和远程控制数据传输的关键设备，安装在路灯箱变中低压配电变压器的低压侧，属于系统的网络层面。集中控制器带有独立操作系统，可脱离监控中心独立执行命令以及数据保存。在监控中心发生停电或者其他系统故障以及移动网络临时故障时，集中器可独立执行预设各种定时任务，系统设备设计兼容TCP/IP、GPRS、EIA-709.1、EIA-709.2、EN50065-1国际标准，并且提供与其它工控标准（如Modbus等）通信的接口，可为二次开发、产品升级开放接口；系统采用Lonworks总线式结构，网络内任一节点发生故障不会影响系统运行；电力线通讯带有自动路由以及载波监听协议，有效的保障了系统的稳定性，降低了误报率。

电缆被盗监测主机接收来自终端的载波信号，在规定的时间内没有收到信号，主机判定为某路电缆断线，并发出报警指示，也属于系统的网络层面。电缆被盗监测主机有电防盗、无电防盗、停电防盗三种防盗功能。有电防盗采用的是电力载波的通信方式，由于电波干扰大，有电防盗的距离也相对较短能达到300m-1000m；无电防盗采用的是无源技术，干扰相对较小，防盗距离能达到10km，准确率达100%；在停电状态下进入停电防盗模式，如出现断线或被盗割，由于中途电线已断，电力线载波通信信道不通，收不到载波信号，从而发出报警信号[6]。

单灯控制器指进行控制和检测路灯的工作状态的设备，安装于每盏路灯上，属于系统中的感知层。具有电力线载波通信的功能，通过供电电力线与集中器保持互通，接受和执行各种指令，并将执行结果和数据送回集中器。

电缆被盗报警监测终端监测受保护的电力电缆，不需另外布设线路，实现全天候24小时连续监测。终端定时通过电缆向监测主机发送载波信号，载波信号的包络为数字方波。

3 单灯控制器硬件设计

单灯控制器负责板上传感数据的采集，数据通过电力线传输，其硬件框图如图2所示。采用STM32F103VCT6作为微处理器，STM32是意法半导体基于ARM Codex-M3的32位嵌入式处理器。STM32F103VCT6有11个定时器、13个通信接口和112个快速I/O端口，通过这些接口与控制电路、传感器和电力载波通信模块连接。

外围电路主要有传感器模块、电源模块、继电器和电力载波通信模块、电缆被盗监测模块几个部分组成，另外还包括有RS232通信接口、传感器接口、程序下载调试接口等。传感器负责采集环境的信息，经过信号处理电路处理以后送入到STM32F103VCT6中进行分析处理。单灯控制器的电源由LED路灯电源接入，输入为48V，经过路灯控制器电源模块，产生各个硬件模块所需的供电电压。电力载波调制解调模块负责数据通信，实现各路灯控制终端的通信，并结合相应通信协议实现网络多跳传输[7]。

电力载波模块完成调制解调功能除了需要芯片之外，还需要相应的外围电路完成信号耦合，供电，信号滤波等功能。图3是电力载波调制解调器的硬件框图。本设计使用的电力载波通信模块为M1200E。M1200E的外围电路可分为电源电路、电力线耦合电路、发送滤波电路、接收滤波电路、SPI接口电路、晶振电路和过零电路。由于M1200E具有较高的接收灵敏度，因此在电源的设计时要尽可能地降低电源纹波幅度[8]。M1200E与主控端的数据交换通过SPI（Serial Peripheral Interface）实现。在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，简单高效，最高速率可达几Mbps，并且能够与MCU实现简单良好的联接。

4 软件设计

本文采用目前应用最广泛的单片机软件系统开发工具keil uVision4，该软件具有强大的仿真功能，支持汇编及C语言编程。以下为系统完整的通讯过程：

上位机通过定时扫描的方式，每隔一段时间给控制箱发送指令数据，控制箱在收到数据后，根据监控中心所要获得的信息，给单灯控制终端和电缆被盗监测终端发送包含特定功能码的消息；单灯控制终端和电缆被盗监测终端收到控制箱的消息后对其进行解码，并执行功能码对应的函数，完成相应的操作；最后将数据通过应答的方式返回给控制箱，控制箱接着将数据转发上位机。

单灯控制器通过扫描的方式不断地检测相关子程序的中断，当检测到中断发生时，则立即跳转到相应的子程序执行，并在子程序执行完成后继续返回主程序运行。其中，对各个中断根据中断嵌套来进行优先级的设置，保证了系统运行的实时性和稳定性[9]。下图为单灯控制器主程序流程图。

5 系统测试

为了保证系统能够正常工作，在使用之前进行了测试。首先检查电路板焊接以及电路连线的正确性，逐模块进行检测。在完成这个工作之后，进行系统的功能测试，在实验室环境下，PC机相当于上位机，将电力载波通信模块与两台PC机相连，测试通信功能，再将控制箱与PC机通过串口RS-232相连，进行PC机通过电力载波与路灯控制终端的通信。表1为电力载波通信测试结果。

6 结论

本文设计了一种基于电力载波通信技术的路灯监控系统，并制作了开发板，完成了一套完整的系统模型的开发。该开发系统设计十分灵活，经过多次的反复实验，该单灯控制器工作稳定，通信距离远，能够完成基本的远程控制功能。目前由于电网质量问题的限制，通信距离在几百米到2、3千米之间，如果加入路由算法以及采取中继等方式，该单灯控制器将可以运用于实际道路路灯检测系统中。

【参考文献】

[1]袁舟.基于电力载波通信的路灯监控系统设计[D].成都：电子科技大学，2014.

[2]田亚辉.基于ZigBee的城市路灯无线监控系统研究[D].大连：大连理工大学，2013：1-5.

[3]许文香.基于电力载波的教室电器智能节能系统设计[J].现代电子技术，2008（19）：29-32.

[4]高伟.基于电力载波技术的LED路灯监控系统研制[D].浙江大学，2012.

[5]高云红，梁小廷，张庆新.基于ZigBee的智能路灯控制系统设计[J].现代电子技术，2013，36（4）：194.

[6]http：//wenku.baidu.com /view/d6daec8402d276a200292eeb.html

[7]Majumder A. Power line communications[J]. Potentials， IEEE， 2004，23（4）：4-8.

[8]郭淑贞.基于电力载波技术的路灯监控系统设计分析[J].通信电源技术，2013，30（6）：73-77.

[9]田洪现，郭威.基于Ad Hoc网络的智能路灯路由协议研究[J].测控技术，2015，34（3）：93-96.

[责任编辑：汤静]