基于电力载波通讯的自组网路灯远程监控

　　摘要：为了满足当前路灯控制系统的智能控制要求，文中介绍了一种基于电力载波（Power Line Carrier）通讯的自组网路灯远程监控系统。该系统以自组网的方式，利用现有的电力线作为通信通道，将每个路灯上的电力载波模块终端连接起来，采用上位机软件（PC software）接收与发送数据，组成路灯信息交互网络（Information Exchange Network）。每个电力载波终端连接一个单灯控制器，可以根据上位机信号控制该路灯的运行情况。实验表明，该系统稳定、可靠，有很强的的实用性。本文网络版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/247465.htm
　　关键词：电力载波；自组网；单灯控制器；上位机
　　DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.011
　　引言
　　近年来，随着城市建设的快速发展，道路照明设施的规模越来越大，这对照明质量和路灯节能提出了更高的要求。现有路灯系统存在着严重的资源浪费现象，需要进行优化[1]。电力载波技术近年来不断发展和成熟，已经广泛应用于城市照明系统、智能大楼控制系统和远程抄表等众多领域[2-3]。电力载波技术具有易施工、易维护、不受安装环境限制等优点，但低压电力线上通常存在强干扰且负载变化频繁，导致电力线载波通信在应用上受到一定的限制[4-5]。路灯系统所用的电力线为专线，其负载单一，线路干扰较小，采用电力载波的通信方式具有可行性。本文主要介绍利用电力载波通信技术对路灯进行远程监控。
　　1 系统总体结构
　　路灯远程监控系统的网络是由操作台PC集中控制系统和分别安装在各个路灯的节点控制系统组成。集中控制系统由载波集中器和PC组成，可以安置在路灯的控制室内，负责发送、收集和分析各节点的数据。
　　节点控制系统由载波终端和单灯控制器组成。载波终端接收来自集中器的命令，控制路灯信息，并将该信息发送给单灯控制器以及接收路灯状态信息并上报该信息；单灯控制器接收载波终端的控制命令并执行，同时发送路灯状态信息给载波终端。载波集中器和载波终端可以通过上位机控制软件显示控制信息及路灯状态。
　　基于电力载波方案的路灯远程监控系统架构如图1所示。每个集中控制器控制两条线路（道路两侧各一条），此两条线路就是一个控制子网，通过电力线连接各个节点控制器，集中控制器再通过无线（如GPRS）或有线（如以太网）方式与远程监控中心连接。集中控制器作为本地监控主机，负责解析远程控制中心的控制命令，监测本地路灯的运行状态，发现异常及时上报给监控中心。每个单灯节点都有独立的编号，在逻辑上构成一个树形网络。
　　2 自组网协议
　　自组网协议采用集中式主从控制方式，可应用于相对封闭，其负载数量、负载类型以及线路拓扑结构相对稳定的系统。该协议分成两个基本工作阶段，即网络初始化配置阶段和端到端数据传输阶段。
　　2.1 网络初始化阶段
　　网络初始化配置阶段在硬件安装完成后进行，通过一种优化的路径搜索算法（如图2所示），搜索网络中所有节点，每搜到一个节点，即存储该节点路由信息，并把该节点的网络状态标志为＂联网＂，同时路由信息也会以特定的帧格式发送给主机。整个搜索过程在遍历过网络中所有节点后结束，如果在此过程中由于某种原因未找到某个节点，该节点状态保持为＂断网＂，可在查找原因后用人工添加的方法把该节点加入网络。
　　2.2 端到端数据传输阶段
　　网络初始化完成后，路由已经建立，便进入端到端数据传输阶段。此阶段PC 可以点名方式把控制命令发送给单灯控制器，后者也可把报警信息上报给PC。载波集中器与载波终端之间进行的是无确认的传输，控制命令的确认由PC层面完成。
　　在理论上载波路灯监控系统中，PC每发送一条Command给单灯控制器，后者返回一条Response给PC，Response 中会带回控制与查询结果。Command 与Response 各有 3 次重传机会（可更改），即在规定时间内未接收到返回命令即重发该命令。 控制命令包根据应用不同其数据长度不同，而载波是采用固定长度的突发数据帧方式，必然存在一条控制命令包被分成多个载波数据帧的情况（称为多个分包），在自组网协议中，对每个分包会进行编号，并进行无确认的传输，如果有分包丢失或误码，则所有分包全部丢弃，由PC继续对数据包重传。 单灯控制器的主动报警也属于数据传输。当在控制过程中有节点报警，或者多个节点同时报警，信道上必然出现载波冲突，此时通过载波侦听-冲突退避（CSMA / CA）机制进行避让，实现各个节点按序上报，自组网协议采用CSMA 算法，采用标准的二进制指数退避。
　　由于路灯远程控制系统传输信号较为简单，可采用单包形式（如图3所示）。下面给出单包情况下PC与单灯控制器之间的数据传输过程，假设应用层协议设计为PC每下发一条command message，单灯控制器即返回一条 response message。
　　3 系统软件设计
　　3.1 软件系统框架设计
　　本系统由上位机软件系统、集中控制系统与节点控制系统（包括载波终端和单灯控制）构成，其中以上位机软件系统为核心。多个节点控制器通过电力线与上位机系统进行数据间交互传输。发送的每个数据均为十六进制代码，每次发送与接收都需要软件自行分析与编译。在每条语句的最后，都要加上两个8位CRC校验码，将低位放在前面，高位放在后面。CRC校验码的计算由Modbus的定义编写C子函数和VB子函数，每次需要进行CRC校验或计算的时候，直接调用子函数，非常方便。每次发送数据前都要重新进行CRC校验，以保证每次数据的正确性。各个分机都会接收来自电力线上所有的载波信号，但只会处理跟自己域名相同的命令。载波集中器会接收电力线上所有的载波信号，经过CRC校验后，直接发送给上位机软件系统，由上位机对各个节点控制器的状态信息进行综合分析，处理和显示等工作。工作原理如图4所示。  3.2 上位机设计
　　集中控制器的上位机软件既要完成网络初始化配置，以树状图显示网络拓扑结构和人工修改路由配置或添加新节点的功能，同时可发送命令控制节点，并接受节点反馈信息做出相应的响应。
　　上位机主界面分成上下两个功能区（如图5所示），上部分为操作区，包括串口配置（COM Config），网络初始化（Networking Initializing），数据传输压力测试（Polling Test），人工添加节点（Add Node），报警及关控制（Alarm，All Light）。下部分为显示区，包括主显示区，串口发送与接收数据显示，网络拓扑图显示（Network Topology），自定义控制命令区。
　　4 硬件设计
　　4.1 电力载波模块
　　该模块主要利用高性能SENS-01电力载波通信模块（Powerline Transceiver）来进行信息间传输，SENS-01嵌入式电力线载波模块提供半双工通信功能，可以在220V/110V，50/60Hz电力线上实现局域通信。该款产品具有通信速率高，通讯可靠，抗杂波干扰能力强，通讯距离远等特点，是专门为适应中国国内电力线应用环境而研发的高性能电力线载波通讯产品。本电力线通信模块内含各个外围复杂电路，只需连接电力线即可。
　　4.2 单灯控制器
　　单灯控制器（如图6所示）是路灯控制系统中的一个组成部分，其核心芯片SH79F642采用自主研发的硬件和软件设计，使其具有易实施，免布线，工作可靠，易于维护等优点。
　　单灯控制器是以8位微控制器为核心的智能型路灯控制器，微处理器处理整个单灯控制器的数据，并接受载波终端发出的工作指令，执行开灯，关灯，调光，过载保护，信号上传，自动报警等任务。内部负责开关的是一只磁继电器；内含有光敏电路，通过光强度调节PWM来控制路灯的亮度；内部负责电压/电流数据采集的专用集成电路能够实时提供路灯工作情况；过载设计是用来保护单灯控制器，一旦电流超过规定的阈值，微控制器就会切断继电器；可将采集到的电压、电流、光强度、报警等信号由串口反馈给载波终端，同时这些信号可通过液晶显示达到实时监控的目的。
　　5 试验
　　根据上述设计，我们在一条道路上安装了一个集中控制器与20个节点控制器（20个节点为测试节点，可根据实际需求增加节点数量），每一个分机控制器皆相差50米左右。系统设计通信成功率为95%以上，在实际电网中测量了一周，通过上位机与每一个节点通信来测验成功率。在测试过程中，电压、电流以及开关功能均正常工作。由表1的数据可知，平均的通信成功率为96%以上，且每次通信时间都少于3秒，符合设计要求。
　　目前系统处于测试阶段，由于硬件设备的原因，通信成功率还不能达到100%，因此本系统还需进一步完善。
　　6 结束语
　　本文根据实际需求，设计出了一套基于电力载波通讯自组网的路灯远程控制系统。可靠的硬件设计和软件设计使系统的通信质量和通信速度均符合设计要求，该系统利用现有的电力线作为通信通道，成本低，安装方便，系统稳定、可靠，既能满足路灯照明需求，又能节约大量电能，有很大的推广价值。
　　参考文献：
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　　[2]邓庆，程明霄.基于低压电力载波技术的电路设计[J].微计算机信息，2008，3-2：298-299，312
　　[3]向敏，王时贺，赵星宇.基于电力载波通信的路灯控制系统集中器的设计.自然科学版，2013
　　[4]任军伟.城市绿色照明与路灯节能措施[J].中国高新技术企业，2011（2）：96- 97
　　[5]关耀宗，胥布工.基于ZigBee网络的道路照明监控及节能系统[J]，自动化与信息工程，2007（4）：38-40