基于载波通信技术的城市道路照明防盗监控管理器设计研究

伍东亮

摘 要：随着城市现代化不断的发展，城市道路亮化照明越来越重要，它是现代城市重要的基础设施，同时也是一个城市形象工程。城市路灯系统面临线路长、布局分散、路灯线缆偷盗发生频繁、防盗监控管理困难的现实问题，传统的钟控、手控等城市照明系统管理方法已不能满足要求，传统的关一半的半夜灯传统控制方式存在严重的安全隐患，严重影响道路照明。如何充分利用现代化高科技手段解决路灯控制矛盾也就成为当前城市路灯照明控制领域一个新的课题。本文设计了一个路灯监控防盗管理器，利用单片机技术、传感器技术、载波通讯技术、无线通信技术对城市道路照明实现了自动化的监控和智能化的科学管理，同时提高了道路照明质量。

关键词：路灯管理;防盗监控;载波通信

随着城市人口越来越多，城市科技化和舒适性的要求也越来越高。城市路灯照明系统，它不再局限于为市民提供生产、生活的照明便利，它对城市美化和亮化起到了重要的作用，智能化的城市道路照明管理监控系统是现代城市重要的基础设施，是城市的一张名片，同时也是城市形象工程的重要组成部分。良好的城市道路照明将给城市带来巨大的经济效益、社会效益和环境效益。近年来随着科技的发展，智能路灯已经开始推广到全国各大城市，美化和亮化了城市，让城市面貌焕然一新。但由于城市路灯布局分散，结构复杂、在进行路灯智能化改造过程中需解决的问题还有很多，比如路灯用电监控、故障报修、路灯防盗等问题。

本文设计了一个路灯监控防盗管理器，采用现代化电子技术、计算机技术、无线通讯技术、OFDM载波通信技术，对城市道路路灯照明实现智能化的管理和自动化的控制，提高了自动化程度，提高设备维护、检修效率，有效保证城市整体亮灯率和设备完好率。同时，通过智能化的控制，还降低路灯能耗、减低维护成本，同时避免路灯人力物力和电能的浪费。

1 城市路灯照明防盗监控管理器整体设计

城市路灯照明防盗监控主要有以下两个功能：一是对路灯用电状态的实时监测与控制，二是电缆防盗报警功能。系统包括防盗监控末端和防盗监控主机。防盗监控主机和防盗监控末端之间能够进行有效可靠的通信。通过调研分析，路灯监控管理系统硬件设计要求：

（1）带后备电源，能自动充放电。双电源电路在断电情况下自动切换。

（2）带GPRS模块，实现远程防盗报警和无线数据传输功能。

（3）带4路数据采集控制功能。带数据存储功能。能存储终端单机自动控制时刻表。

（4）带时钟功能。能接受远程校时。

（5）带防盗报警载波通信模块，实现报警数据传输。

2 硬件设计方案

路灯监控防盗主机负责路灯线路数据的采集，数据通过电力线传输，其硬件框图如图1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、时钟模块、电流采集电路、光照传感器、继电器模块、防盗监控模块。

2.1 电源模块设计

主电源采用开关电源供电，后备电源采用锂电池供电，采用二极管自动切换式不间断电源电路。

主电源：采用模块电源，三相电源输入，两路5V、1A输出。

后备电源：采用可充电锂电池、带充电器。

2.2 MCU处理器模块

MCU处理器模块选用市面上集成了基于OFDM载波通信技术的CR600控制芯片，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。使用OFDM调制技术，带宽可达2～28MHz，物理层最高速率可达240Mbps，可内嵌自动中继路由协议，最大支持10级中继。利用芯片集成的载波通信接口，配合路灯防盗终端可实现路灯电缆防盗监控。

2.3 用电监控电路

路灯用电监控采用专用计量芯片ATT7022A，监控线路的电压、电流通过传感器线路输入给ATT7022，3路模拟量通过三个双四路模拟开关CD4052进行信号切换。

2.4 数字量输入输出电路

数字量输入（开关状态量）采用光耦隔离电路，数字量输出（遥控输出）电路采用光耦隔离，继电器输出。

2.5 存储模块

终端需要存储的数据有：单机模式下的开关灯控制时间，电压电流传感器变比。存储量较小，数据读写次数少，选用24C02够用。

2.6 时钟模块

时钟模块主要是在系统单机模式下或者是系统掉电重启后给终端提供精准时钟，时钟芯片选用ISL1208。

2.7 GPRS模块

GPRS模块选用宏电H7709嵌入式GPRS DTU。可选择232通信方式。

3 软件设计方案

路灯防盗监控软件任务主要包括：路灯线路的数据和状态的实时采集、对路灯管理上位机软件命令的响应、对异常情况的主动上报、断网情况下的单机自动控制，对路灯防盗的监控与报警。

路灯防盗监控软件由主程序及各种外围硬件的驱动子程序构成。

路灯防盗监控主程序主要执行实时采集各条线路的电压电流开关状态等电参数、脱网模式下，单机智能控制开关灯及主动上报的任务。

外围硬件的驱动子程序包括：24C02子程序、ISL1208时钟芯片子程序，ATT7022应用子程序、继电器输出子程序、开关量读入子程序、防盗监控串口中断子程序。各子函数主要功能介绍如下：

（1）24C02子程序主要完成数据的读写。读写数据包括：开关灯时间，电参数存储。

（2）ISL1208时钟子程序主要完成对ISL1208时钟芯片的读取及时钟校时。

（3）ATT7022子程序主要完成对电参数电压电流的读取，不包括软件校表。

（4）继电器输出子程序主要完成对四路继电器输出的分路独立控制。

（5）开关量读入子程序主要完成对四路开关量输入的读取。

（6）GPFS通信子程序主要完成上位机開关灯命令及校时命令执行。

（7）防盗报警串口通信子程序主要完成心跳包的收发和防盗报警的监控。

4 结语

总之，基于电力载波技术的城市路灯监控管理器通过采用现代化电子技术、计算机技术、无线通讯技术、OFDM载波通信技术，对日益快速发展的城市道路照明实现自动化监控和智能化的科学管理，提高了道路照明质量，保证了路灯电缆的安全。

参考文献：

[1]周游，朱世磊，胡捍英.一种新的恒模信号OFDM系统的盲频偏估计算法[J].吉林大学学报：工学版，2014（5）：1512-1516.

[2]杨硕.基于OFDM的电力线窄带通信关键技术研究与实现[D].浙江大学，2012，（8）：65-66.

[3]杨朝阳，杨霄鹏，李腾等.新的基于粒子群优化的正交频分复用系统盲频偏估计算法[J].计算机应用，2014，34（10）：2787-2790.

[4]李伟，江楠.OFDM技术在电力线通信中的应用[J].电子测试，2013（09）.

[5]郭禧斌，左明鑫，吴伯彪.OFDM技术在低压电力线载波通信中的应用现状[J].信息通信，2015（08）.

基金：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）