基于電力線載波的路燈監(jiān)控系統(tǒng)

1、基于電力線載波的路燈監(jiān)控系統(tǒng) （2008-2-21）熱前言： 我國城市建設(shè)突飛猛進(jìn)，很多城市正從功能型向景觀型城市轉(zhuǎn)變。燈光是城市之夜的靈魂，越來越受到重視，得到了迅猛發(fā)展。路燈、景觀燈光規(guī)模越來越大，要求越來越高，從而給規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理和維護(hù)中帶來了一系列問題。本文介紹了一種基于電力線載波的路燈控制系統(tǒng)，通過這套監(jiān)控系統(tǒng)可以快速對(duì)市區(qū)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全面巡檢；還可集中或自動(dòng)組合、遙控全市路燈的開燈、關(guān)燈時(shí)間，自動(dòng)檢測路燈變壓器終端的電壓、電流、路燈工作狀態(tài)等參數(shù)；自動(dòng)檢測各種故障，具有多種報(bào)警形式及語言提醒和呼叫系統(tǒng)提示故障原因，具有將各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、查詢和報(bào)表打印等功能。

2、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 如圖1所示，考慮到路燈分布的復(fù)雜性，我們采用分級(jí)控制的方式。路燈控制系統(tǒng)采用電力線作為主要通訊通道，毋須另外拉線。只要在路燈處帶有電力線載波芯片的監(jiān)控模塊，路燈的有關(guān)狀態(tài)便可以經(jīng)由電力線傳送到電力線網(wǎng)關(guān)，在有故障或其它必要的情況下自動(dòng)通過公話網(wǎng)將信息傳到路燈監(jiān)控中心(見圖)。遇到有路燈損壞，監(jiān)視屏幕上即立刻顯示損壞路燈的編號(hào)和位置，監(jiān)控中心便可以馬上派工作人員到現(xiàn)場檢查和維修。同樣，在這條雙向傳輸鏈路上，通過電力線網(wǎng)關(guān)，監(jiān)控中心可以發(fā)出特殊命令，經(jīng)由電力線把命令傳送到某指定路燈的控制繼電器，從而啟動(dòng)或關(guān)閉該路燈。電力線網(wǎng)關(guān)也可根據(jù)監(jiān)控中心的命令，自動(dòng)發(fā)出廣播命令控制某區(qū)域的路燈定

3、時(shí)開關(guān)。監(jiān)控中心由服務(wù)器、工作站、打印機(jī)等組成，主要用于進(jìn)行監(jiān)視、數(shù)據(jù)查詢、打印和報(bào)警等功能，也可通過固定電話、手機(jī)對(duì)維修人員進(jìn)行自動(dòng)調(diào)度。 圖1：路燈監(jiān)控系統(tǒng)框圖 Intellon公司電力線載波芯片 電力線是給用電設(shè)備傳送電能的，而不是用來傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有許多限制。 1由于電網(wǎng)上負(fù)載的隨機(jī)停止和啟動(dòng)、開關(guān)電源帶來的噪聲、周圍汽車的啟動(dòng)等外來隨機(jī)脈沖干擾的影響，使電力線信道特性具有很強(qiáng)的時(shí)變性。低壓電力線在1S內(nèi)可對(duì)某一頻率信號(hào)的衰減變化達(dá)到20dB，信噪比的變化也可達(dá)到10dB左右。2 由于配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)的阻隔作用，所以電力載波信號(hào)一般只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍

4、內(nèi)傳送；3 低壓電力線上電力線上并連著的許多負(fù)載對(duì)信號(hào)衰落影響很大。尤其是那些用于調(diào)整電網(wǎng)功率團(tuán)數(shù)的大電容，對(duì)幾百kHz的載波通信信號(hào)來說，相當(dāng)于短路。實(shí)驗(yàn)表明，信號(hào)的衰減是距離的函數(shù)，一般為40100 dB/Km。在農(nóng)村的衰減最大，500m就達(dá)到50dB；在城市，250m大約20dB；在郊區(qū)，250m亦能達(dá)到25dB；但在工業(yè)區(qū)衰減較小，750m長的線路僅為30dB。4 另外在電力線傳輸信號(hào)對(duì)相位的影響也不容忽視，結(jié)果表明，通過250m的電力線，正弦波的相移小于10o。 SSCP300是Intellon公司采用現(xiàn)代最新通訊技術(shù)設(shè)計(jì)的電力線載波modem芯片。它采用了擴(kuò)頻（Chirp方式）調(diào)制

5、解調(diào)技術(shù)，它利用掃描頻率的Chirps進(jìn)行載波：此方法多用于類似于以太網(wǎng)的CSMA網(wǎng)絡(luò)，它利用一系列短促的、可自同步的掃描頻率chirps作為載體（見圖二），每個(gè)chirps一般持續(xù)100 us，它代表了最基本的通信符號(hào)時(shí)間（UST）。這些chirps覆蓋了100-400 KHz的頻帶，并總是以200-400 KHz的頻率開始，繼而以100-200 KHz的頻率結(jié)束。另外，此種chirps波形還具有很強(qiáng)的自相關(guān)特性，這種模糊邏輯的相關(guān)性決定了所有連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，可以同時(shí)識(shí)別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種獨(dú)特波形，并且不需要在發(fā)送和接收設(shè)備間進(jìn)行同步。由于使用了現(xiàn)代DSP技術(shù)、CSMA技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)

6、的CEBus協(xié)議，具有其技術(shù)上的先進(jìn)性，體現(xiàn)了modem芯片的發(fā)展趨勢。使得其產(chǎn)品在速度、抗干擾性、可靠性及價(jià)格等諸多方面具有其市場優(yōu)勢。 圖2：chirps信號(hào)波形 系統(tǒng)的電力線載波模塊的核心芯片是Intellon公司的SSCP300網(wǎng)絡(luò)接口控制器IC和SSCP111媒介接口IC。通過這兩片高度集成化的芯片，完成網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的功能。 l SSC P300的特性為: 1. 提供EIA-600標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）的服務(wù)； 2. 提供EIA-600標(biāo)準(zhǔn)中物理層的收發(fā)器； 3. 提供針對(duì)PL的SSC技術(shù)； 4. 提供SPI(串行外圍接口)的主處理器接口； 5. 提供數(shù)據(jù)鏈路模式、控制器模

7、式和監(jiān)控模式； l SSC P111的特性為： 1. 將功率放大器和三態(tài)功能集合為CEBus的電力線（PL）物理接口； 2. 可代替多達(dá)30余個(gè)分立元件，不僅節(jié)省了電路板上的空間，而且提高了工作的可靠性； 3. 提供的高驅(qū)動(dòng)能力輸出功率放大器（10歐姆負(fù)載下,峰-峰電壓為6V），滿足EIA-600（CEBus）標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于輸出到普通阻抗和低阻抗電力線時(shí)所指定的電壓值，增強(qiáng)了低阻抗條件下的性能； 4. 提供了內(nèi)部溫度保護(hù)電路以確保系統(tǒng)的可靠性； 載波接口電路： 載波接口電路框圖如下圖所示，模擬數(shù)據(jù)是通過信號(hào)輸入(SI)與信號(hào)輸出腳(SO)在交流電力線與SSCP300之間進(jìn)行傳輸?shù)?。在發(fā)送模式下,

8、SSC的chirp信號(hào)由SSCP300的SO腳傳到輸出放大器,此放大器可由SSCP300的三態(tài)信號(hào)(TS)腳來選擇其是否工作。一旦被放大,輸出信號(hào)就會(huì)通過一個(gè)低通輸出濾波器(可從所傳輸?shù)男盘?hào)中將失真的諧波能量去除),并傳輸?shù)饺龖B(tài)開關(guān),這個(gè)開關(guān)也是由SSC P300中的TS信號(hào)來選擇其工作與否,并在接收信號(hào)操作時(shí),將放大器和濾波器與電力線耦合電路隔離開來。當(dāng)三態(tài)開關(guān)處于工作狀態(tài)時(shí),電力線通訊信號(hào)就通過電力線耦合電路傳輸?shù)?0Hz的電力線上。在接收模式下,電力線的模擬信號(hào)通過外部電力線耦合/濾波網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)捷斎霝V波器(通過SSC P300的SI腳)。這個(gè)帶通濾波器所允許通過的chirp頻率為100K

9、Hz到400KHz。電力線接口的輸出放大器通過Intellon的SSC P111 PL媒體接口IC即可非常容易的實(shí)現(xiàn)。 圖3：電力線接口框圖 在邏輯鏈路子層,SSCP300支持標(biāo)準(zhǔn)的CEBus的DLL功能,支持所有四種數(shù)據(jù)鏈路服務(wù):UNACK,ACK,ADRACK,ADRUNACK。根據(jù)我們的試驗(yàn)，Intellon的PL芯片組在使用架空線時(shí)的傳輸距離1km，傳輸速率約為2400波特，一般可滿足需要。同時(shí)，我們利用監(jiān)控模塊和電力線網(wǎng)關(guān)作為虛擬中繼，這提高了載波通信可靠性，擴(kuò)展了載波通信距離，可滿足大部分監(jiān)控場合的需要。此外，加大發(fā)送功率也可有效提高傳輸距離，但此時(shí)必須注意芯片的散熱問題和對(duì)電力線

10、環(huán)境的干擾。 SSCP300和SSCP111使用注意事項(xiàng)： 1電源：電力載波線路需要兩個(gè)外部電源，一個(gè)+5V +/-10%直流電源,其標(biāo)準(zhǔn)電流為30mA,是用于SSC P300的;另外一個(gè)+10V +/-10%直流電源,其標(biāo)準(zhǔn)電流為250mA,可用于外部放大器。SSC P300的數(shù)字(VDDD)和模擬(VDDA)電源必須進(jìn)行隔離,使得信號(hào)從IC的數(shù)字部分傳輸?shù)侥M部分時(shí),將噪聲的漏值降到最小。 2SSC P300和SSC P111的設(shè)計(jì)操作溫度范圍為-40到+85攝氏度，標(biāo)準(zhǔn)電力線通訊應(yīng)用所需要的分組發(fā)送任務(wù)循環(huán)必須小于10%。當(dāng)應(yīng)用中必須使用較大的發(fā)送任務(wù)循環(huán)時(shí)，必須避免溫度過高。 3由于S

11、SC P111驅(qū)動(dòng)交流電力線，因而線上的瞬間電壓將會(huì)通過耦合電路返回到P111的輸出管腳上。因此最好在AC電力線耦合器中加上的MOV/齊納二級(jí)管的組合,以及在P111 IC輸出管腳上的瞬時(shí)電壓抑制器(TVS)/肖特基二極管。 4由于SSC P300和SSC P111原來是針對(duì)北美的110V/60Hz，所以進(jìn)行耦合電路變壓器設(shè)計(jì)師，必須根據(jù)我國電源為50Hz的情況進(jìn)行相應(yīng)的更改。 電力線網(wǎng)關(guān) 電力線網(wǎng)關(guān)除電力線載波通信模塊外，還帶有不掉電RAM、時(shí)鐘、紅外和RS232接口等部分。電力線網(wǎng)關(guān)在整套系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，完成電力線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集、臨時(shí)存儲(chǔ)和與監(jiān)控中心進(jìn)行通信的功能。 圖4：電力線網(wǎng)關(guān)框圖 電力線網(wǎng)關(guān)既可以通過紅外、RS232接口，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場對(duì)路燈的狀態(tài)的查詢和控制，也可以通過外接的嵌入式Modem和公話網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)和監(jiān)控中心的通信。同時(shí)，由工作人員在現(xiàn)場和遠(yuǎn)程的控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)所轄監(jiān)控模塊的定時(shí)自動(dòng)操作。例如：燈光定時(shí)開啟/關(guān)閉功能和景觀燈的順序開關(guān)和隨機(jī)開關(guān)功能。 結(jié)束語： 通過電力線載波和公話網(wǎng)對(duì)城市路燈、景觀燈光進(jìn)行控制，可以提高市政硬件水平，與現(xiàn)代科技接軌，增強(qiáng)城市照明可靠性和可控性，結(jié)合城市夜景設(shè)置，通過智能控制，創(chuàng)造城市新景