基于OFDM技术的电力载波路灯电缆防盗监控系统研究

伍东亮 李志敏

摘 要：随着我国城市现代化建设的高速发展，路灯照明需求越来越多，线路越来越长，道路两侧铺设了大量的路灯照明电缆，而路灯电缆因为布置分散、输送电压低、内部含铜高，经常被人破坏和盗窃。近年来不断发生的电缆偷盗活动让路灯电缆防盗监控问题也成了人们关注的焦点。本项目设计了一种基于OFDM技术的城市路灯电缆防盗监控管理系统，路灯监控防盗主机与电缆检测末端通过电力载波进行防盗通信检测，电缆末端以一定时间周期向监控的路灯电缆上发送载波检测信号，如果电缆一旦断开，末端监控信号传输失败，防盗监控主机检测到通信异常后自动报警，起到防盗报警的作用。

关键词：电缆防盗;电力载波;OFDM;防盗监控

随着我国城市建设的高速发展，路灯照明需求范围也飞速的增长。城市道路铺设了大量的路灯照明电缆，而路灯电缆因为布置分散、输送电压低、电缆含铜高，经常被人破坏和盗窃，城市路灯设施的管理问题变得越来越突出。近年来不断发生的电缆偷盗活动让路灯电缆防盗监控问题也成了人们关注的焦点。

一、现有线缆防盗监控方法介绍

针对以上问题，路灯管理部门就路灯电缆防盗做了一些保护措施，如增加人员线路巡查频率，在容易盗窃点进行蹲点值守或视频监控;在路灯电缆施工时，将电缆进行直埋、深埋，混凝土封堵电缆井井盖等土建措施进行防盗。此类方法虽然能在一定程度上减少线缆被盗次数，但是由于方法比较落后，耗费大量人力物力，而且不能及时有效地发现问题。

随着检测技术的不断发展，先后研究出多种路灯电缆防盗检测技术，如电压电流检测法、电容探测法、微波探测法、漏电流检测法、电缆线路载波检测法等。这些方法在一定条件下可以对电缆防盗进行监控，但是受路灯供电时间限制、电缆线路老化及干扰等问题，实际应用时检测设备初期投入成本过高，后期维护成本高、错报、漏报率高，防盗效果不佳。

针对以上问题，本项目设计了基于OFDM技术的电力载波路灯电缆防盗监控系统，实现载波信号的可靠传输，减少错报漏报情况发生。

二、防盗监控控制系统功能需求

电力载波通讯法是目前应用十分广泛的一种防盗手段，路灯监控防盗主机与电缆检测末端通过电力载波进行防盗通信检测，电缆末端以一定时间周期向监控的路灯电缆上发送载波检测信号，如果电缆一旦断开，末端监控信号传输失败，防盗监控主机检测到通信异常后自动报警，起到防盗报警的作用。

防盗监控系统由防盗监控中心、监控末端、防盗主机、现场报警装置、路灯电力电缆、无线通信网络组成。控制系统要想实现防盗报警，其系统功能需求如下：

（1）检测方式：电缆监控末端与防盗主机采用定时发送心跳包方式进行线路防盗检测，当被测电缆开路（被盗或故障）时，系统检测不到心跳包信号，电缆防盗主机报警，然后由系统主动通过GPRS信道向监控中心报警，由监控中心联动报警到相关用户。

（2）全天候监测功能：检测设备在白天关灯和晚上开灯情况下都能正常工作。

（3）非法开门报警：电缆防盗终端检测箱通过门锁开关监测非法開门，并向上一级报警。正常检修时可以识别。

（4）电池欠压报警：电缆防盗终端检测箱采用可充电大容量电池，CPU自动检测电池电压，当发现电池欠压时即向上级报警，确保电池得到及时更换。

三、防盗监控控制器硬件设计

电缆防盗监控的核心是载波通信模块，载波的调制和解调成功率对整个系统的运行有着非常重要的作用。现在载波系统的调制解调所使用的调制解调技术有：移相键控调制技术、振幅键控技术、扩频通信技术和正交频分复用（OFDM）技术等。目前国内外已有多家公司针对电力线载波通信技术进行了大量的研究，并研发出多款基于不同调制技术的电力载波芯片和电力载波通信系统设备，这些设备和芯片已成功应用到工程项目中。

本路灯防盗监控系统研究的重点不是调制解调模块的设计，而是挑选抗干扰能力强、通信速率快、运行稳定的载波模块进行路灯防盗监控系统设计。本项目采用的是上海云间半导体科技有限格式研发的CR600载波通信模块，CR600是一颗基于ARM CortexM0 CPU的高性能的宽带载波芯片，具有高集成度与高可靠性的特性。CPU主频125MHz，内置256K片上RAM。芯片采用OFDM调制技术，带宽范围为2～28MHz，该芯片还可内嵌自动中继路由协议，最大可支持10级中继。可实现音频信号、高清视频、以及各类数据的高质量传输。

电缆防盗监控系统最核心的检测设备是防盗监控末端和防盗监控主机。防盗监控主从设备通过载波通信模块收发数据，考虑到一个主机会监控多条路灯线路，通信方式选择485通信，检测末端通过CR600载波通信模块支持的OFDM调制技术将监测数据通过电力线进行传输通信。

防盗监控末端硬件的设计如下：末端主要由CR600载波通信模块构成，通信模块上已设计有485通信接口，只需要在模块外围设计电源电路、门禁报警检测开关即可。主要有设计框图如下：

电源电路的设计包括路灯开灯电源设计和路灯断电电源设计两部分。路灯开灯时，路灯末端电缆上有交流220V，只需要设计电源转换电路，将交流220V转换成直流5V即可，当路灯关灯时，电缆上交流电消失，此时需要转换到备用电池供电。备用电池在路灯供电时进行充电，在路灯断电时进行供电。

防盗监控主机通常是和路灯监控系统一起放在路灯开关柜中，市面上许多的产品把路灯监控和路灯防盗做成一个系统，称为路灯监控防盗主机。路灯监控防盗主机向下通过电力载波通信采集路灯线防盗状态数据，向上通过GPRS无线通信网络实时向监控中心发送检测数据，其硬件框图如图3所示。路灯防盗监控主机控制器主要包括以下几个部分：电源模块、GPRS通信模块、电力载波收发模块、MCU处理器模块、光照传感器、电流传感器、温度传感器、继电器模块、防盗监控模块。

四、防盗系统安装

安装注意事项：

（1）设备安装时要进行地面平整处理，设备垂直面的倾斜度不超过5度。

（2）设备安装地点应避开有剧烈震动、冲击和腐蚀的场所。

（3）防护等级IP45，适应于室外（底部安装）。

五、结语

总之，基于电力载波技术的智能化路灯控制系统能够弥补当前路灯控制器的不足，该方法是优势是利用已有的路灯电缆线就可以进行数据的传输，不需要对路灯管理系统重新架设控制线路，这在很大程度上降低了基础建设和维护的成本，提高城市路灯的利用率，方便节能。

但是，通过不断试验，我们也发现这种方式还存在一些缺陷和不足的地方，在许多线路中不能使用，存在下列几点局限性：不适合公用变压器的路灯线路，只能在单个配电台区，单条线路。抗干扰能力弱，受通信距离影响大，测试后发现有效通信范围在300—500米;发送频繁，功率大，元件寿命短。

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基金项目：湖南省教育厅教育科学研究项目：基于OFDM技术的电力载波路灯电缆防盗系统研究（项目编号：17C0579）