基于中穎載波SOC的路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用

1、基于中穎載波SOC的路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用城市路燈是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚墓苍O(shè)施，近年來(lái)，具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的智能化路燈監(jiān)控系統(tǒng)逐漸得到推廣應(yīng)用，除了傳統(tǒng)的高壓鈉燈、鹵素?zé)敉?，新型的LED路燈更是廣泛采用遠(yuǎn)程監(jiān)控接口，以達(dá)到節(jié)能降耗，集約化，智能化管理的目標(biāo)。電力線載波具有安裝方便，免布線的天然優(yōu)勢(shì)，在各種遠(yuǎn)程控制中很早就有應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)載波在防雷方面具有較好的效果，載波信號(hào)通過(guò)磁環(huán)與外部線路耦合，可有效減少傳導(dǎo)到芯片端的脈沖能量，減少器件損壞的風(fēng)險(xiǎn)。另外，在現(xiàn)有路燈的智能化改造中，載波模塊可直接安裝在燈桿底端的控制箱中，無(wú)需安裝到燈頭處，施工成本大幅降低。本文介紹基于中穎工業(yè)級(jí)載波SOC

2、芯片SH99F01的路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，并對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議棧PLC-NT-SSL進(jìn)行了詳細(xì)介紹。1. SH99F01芯片特點(diǎn)SH99F01是一顆工業(yè)級(jí)電力線載波通信SOC，內(nèi)建高性能載波調(diào)制解調(diào)模塊，處理器為1T增強(qiáng)型8051 MCU，主要特點(diǎn)如下：載波模塊部分：系統(tǒng)方案：零中頻全數(shù)字收發(fā)機(jī)。調(diào)制解調(diào)：63位直接序列擴(kuò)頻調(diào)制及DBPSK窄帶調(diào)制雙模方案。模擬前端：90dB總接收增益，內(nèi)建模擬低通，帶通濾波，10bits DAC波形輸出，輸出增益4級(jí)可調(diào)。增強(qiáng)功能：真實(shí)RMS的接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI），數(shù)字頻率合成，載波頻率可寄存器設(shè)定，接收雙通道分時(shí)復(fù)用。糾錯(cuò)編碼：級(jí)聯(lián)編碼（RS

3、編碼+卷積編碼+交織）。系統(tǒng)功耗：收發(fā)不超過(guò)10mA（發(fā)送不包含線路驅(qū)動(dòng)功耗）。MCU部分：CPU：增強(qiáng)型8051（1T）內(nèi)核，最大工作頻率16M。片上存儲(chǔ)器：16K Bytes Flash程序空間；768 Bytes 片上SRAM；2K Bytes類EEPROM。IO：最多16個(gè)IO端口，每個(gè)端口10mA驅(qū)動(dòng)能力，內(nèi)建上拉電阻。外設(shè)： 1個(gè)增強(qiáng)型UART；3個(gè)16位定時(shí)器（Timer2具捕獲功能）；4通道10位SAR ADC。其他：工作電壓：VDD = 3V 5.5V。ISP功能，可在線更新程序并支持SSP，JTAG仿真接口。BOM成本低，業(yè)界最具性價(jià)比的載波SOC方案。2. 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系

4、統(tǒng)架構(gòu)圖2-1 基于載波的路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖所示，每個(gè)集中控制器下設(shè)一個(gè)控制子網(wǎng)，通過(guò)電力線連接各個(gè)單燈控制器，集中控制器再通過(guò)GPRS或其他無(wú)線或有線技術(shù)連接遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。集中控制器作為本地監(jiān)控主機(jī)，負(fù)責(zé)解析遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的控制命令，監(jiān)測(cè)本地路燈的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)上報(bào)給監(jiān)控中心。每個(gè)單燈節(jié)點(diǎn)都有獨(dú)立的編號(hào)，在邏輯上構(gòu)成一個(gè)樹形網(wǎng)絡(luò)。在上圖架構(gòu)中，基于SH99F01的載波SOC只負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建以及協(xié)議數(shù)據(jù)的透明傳輸，通過(guò)PLC Master與PLC Slave模塊，在Host與Client之間建立透明傳輸通道，其中Client負(fù)責(zé)具體燈具的監(jiān)控動(dòng)作。在一些簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，也可整合PLC

5、 Slave與Client功能，使用SH99F01的片內(nèi)外圍電路做一些簡(jiǎn)單的監(jiān)控應(yīng)用，如通斷控制，PWM調(diào)光，電流電壓采樣，電纜防盜檢測(cè)等。載波用于路燈網(wǎng)絡(luò)特殊性說(shuō)明電力線載波很早就用于中高壓的電力調(diào)度，電力監(jiān)控，低壓的遠(yuǎn)程抄表，遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域， 在中高壓的電力載波機(jī)技術(shù)已經(jīng)是種成熟技術(shù)，而低壓的抄表，監(jiān)控等應(yīng)用也取得了不錯(cuò)的效果，但也遇到通信可靠性，穩(wěn)定性方面的問題，這主要是由于電力線信道的開放性，時(shí)變性，強(qiáng)干擾與強(qiáng)衰減特性與載波芯片物理層技術(shù)的局限性所致，實(shí)際應(yīng)用中必須配合組網(wǎng)技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)物理層的不足。路燈網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的電力線網(wǎng)絡(luò)，首先，路燈網(wǎng)絡(luò)負(fù)載單一，一般一條線路采用同一類型路燈，可以

6、有針對(duì)性的對(duì)線路負(fù)載與干擾進(jìn)行一定優(yōu)化，同時(shí)載波也可有針對(duì)性的采取一些對(duì)抗措施，獲得較理想的傳輸通道，尤其是新型的LED路燈，其自身供電模塊就有很高的EMI要求，對(duì)載波的影響更??；其次，路燈網(wǎng)絡(luò)線路走向比較確定，拓樸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組網(wǎng)可以采用較為簡(jiǎn)化的方法進(jìn)行，而每個(gè)路燈有規(guī)律分布，不太會(huì)出現(xiàn)通信無(wú)法達(dá)到的“孤島”節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)路燈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量也有限，協(xié)議開銷不高；再次，路燈網(wǎng)絡(luò)控制方法也較為簡(jiǎn)單，以主從控制為主，由集中器以輪詢或組播方式控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)，必要時(shí)增加各個(gè)節(jié)點(diǎn)到集中器之間的主動(dòng)報(bào)警功能以提高異常響應(yīng)速度；最后，每條路燈線路都是一個(gè)獨(dú)立的小系統(tǒng)，通過(guò)配變與10KV線路隔離，載波信號(hào)被局限在

7、該配變下，配變與配變之間載波相互隔離，容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)復(fù)用，達(dá)到大范圍組網(wǎng)。基于以上原因，載波應(yīng)用于路燈網(wǎng)絡(luò)具有比傳統(tǒng)載波應(yīng)用更高的可靠性與適用性。3. 協(xié)議棧PLC-NT-SSL協(xié)議PLC-NT-SSL協(xié)議是中穎PLC組網(wǎng)通信協(xié)議的一種，采用集中式主從控制方式，適用于路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控及類似系統(tǒng)。該協(xié)議具有如下特點(diǎn)：n 基于主從控制，載波集中器（PLC Master）為主節(jié)點(diǎn)，載波終端（PLC Slave）為從節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)可以輪詢或組播方式控制或查詢從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)；n 支持主動(dòng)上報(bào)，載波終端可主動(dòng)向載波集中器發(fā)送狀態(tài)異常及報(bào)警信息；n 使用載波偵聽，沖突退避算法（CSMA / CA），在多節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)可

8、減少?zèng)_突；n 使用自動(dòng)方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，無(wú)需人工配置，路由表存儲(chǔ)在載波集中器的EEPROM中，同時(shí)也可把組網(wǎng)拓樸結(jié)構(gòu)傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)，以樹狀形式在主機(jī)界面顯示；n 每條路徑均提供備用路由，支持自動(dòng)調(diào)整路由，支持自動(dòng)搜索新路由；n 支持人工調(diào)整路由，支持新增節(jié)點(diǎn)及刪除節(jié)點(diǎn)；n 支持五級(jí)中繼，支持254個(gè)節(jié)點(diǎn)；n 物理層支持高頻150KHz以上及低頻150KHz以下載波頻點(diǎn)，以滿足不同地區(qū)頻譜規(guī)范要求。PLC-NT-SSL協(xié)議設(shè)計(jì)為基于載波的“透明”傳輸協(xié)議，協(xié)議只負(fù)責(zé)構(gòu)造PLC Master與PLC Slave之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸通道，至于數(shù)據(jù)內(nèi)容及應(yīng)用層控制方式，則由終端應(yīng)用廠商自行定義及開

9、發(fā)。如圖3-1所示，藍(lán)色字體部分為協(xié)議棧的核心內(nèi)容，分成4個(gè)層次，CL層為匯聚層，完成長(zhǎng)數(shù)據(jù)包的拆解與拼接，NET層為網(wǎng)絡(luò)層，完成路由尋址功能，MAC層為介質(zhì)接入層，完成多點(diǎn)接入時(shí)的沖突避讓，PHY層完成最底層的載波數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)Host與Client而言，無(wú)需關(guān)心PLC層面的通信架構(gòu)及具體執(zhí)行，只需按照應(yīng)用要求給出目標(biāo)地址及相應(yīng)的控制命令。圖3-1 PLC-NT-SSL協(xié)議棧PLC-NT-SSL協(xié)議采用軟中繼方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，圖中PLC Relay在物理上就是個(gè)普通終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)議棧使用PLC-NT-SSL協(xié)議分成兩個(gè)工作階段：（1）網(wǎng)絡(luò)初始化階段；（2）端到端數(shù)據(jù)透?jìng)麟A段。1）

10、 網(wǎng)絡(luò)初始化階段此階段在硬件安裝完成后進(jìn)行，通過(guò)一種優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)搜索算法，搜索網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)，每搜到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即存儲(chǔ)該節(jié)點(diǎn)路由信息，并把該節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)標(biāo)志為“聯(lián)網(wǎng)”，同時(shí)路由信息也會(huì)發(fā)送給主機(jī)。如在此過(guò)程中由于某種原因未找到某個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)狀態(tài)保持為“斷網(wǎng)”，可在澄清原因后用自動(dòng)或人工添加的方法把該節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。圖3-2 網(wǎng)絡(luò)初始化流程每個(gè)路燈終端的識(shí)別信息（SN）可存放在Client主機(jī)中，也可存放在PLC Slave中，PLC-NT-SSL協(xié)議默認(rèn)存放在PLC Slave中（存放在SH99F01內(nèi)部的EEPROM中，可在生產(chǎn)時(shí)燒入），支持6字節(jié)SN信息。在協(xié)議工作時(shí)使用網(wǎng)絡(luò)地址（netID

11、）進(jìn)行尋址，該netID在網(wǎng)絡(luò)初始化之前需分配好，并建立SN與netID之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，一旦完成網(wǎng)絡(luò)初始化，所有尋址都以netID進(jìn)行，SN不再參與。參與網(wǎng)絡(luò)初始化過(guò)程的設(shè)備為Host，PLC Master以及各個(gè)PLC Slave，而Client在此過(guò)程中不參與。初始化幀格式是針對(duì)Host與PLC Master之間的通信設(shè)置，不涉及到終端的Client。用戶使用PLC-NT-SSL協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)通信，必須先由Host按照?qǐng)D3-2的初始化流程及圖3-3的初始化幀格式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，而PLC Master通過(guò)何種方式搜索到相應(yīng)的PLC Slave，都內(nèi)建在PLC-NT-SSL協(xié)議中，用戶無(wú)需關(guān)

12、心。圖3-3 網(wǎng)絡(luò)初始化幀格式2） 端到端數(shù)據(jù)透?jìng)麟A段與網(wǎng)絡(luò)初始化不同，端到端數(shù)據(jù)透?jìng)魇窃贖ost與各終端Client之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)初始化已經(jīng)完成，路由已經(jīng)建立，Host可以輪詢或組播方式把控制命令發(fā)送給各終端Client，后者也可把報(bào)警信息上報(bào)給Host。PLC Master與PLC Slave只是按照協(xié)議棧把透?jìng)鲾?shù)據(jù)幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并不參與幀的解析。PLC Master與PLC Client之間進(jìn)行的是無(wú)確認(rèn)的傳輸，控制命令的確認(rèn)由Host層面完成，一般采用Command-Response機(jī)制，如Host發(fā)送“查詢狀態(tài)”Command，則目標(biāo)Client返回“狀態(tài)信息”Respo

13、nse。重傳機(jī)制也在Host層面增加，通過(guò)<indicator>進(jìn)行重復(fù)幀檢測(cè)。netID為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，在Host下發(fā)各種控制及查詢命令時(shí)，netID為各終端Client的網(wǎng)絡(luò)地址，在Client響應(yīng)命令或主動(dòng)報(bào)警時(shí)，netID為PLC Master地址。圖3-4 端到端數(shù)據(jù)透?jìng)鲙袷?. 關(guān)鍵性能注意事項(xiàng)1） 一些傳統(tǒng)的高壓鈉燈，一般會(huì)釋放較強(qiáng)的干擾，需要進(jìn)行一定的線路優(yōu)化，只需在載波模塊之后，燈具電源之前增加一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波裝置即可有效減少線路上的干擾。2） 在對(duì)負(fù)載進(jìn)行必要優(yōu)化后，正常情況下網(wǎng)絡(luò)初始化都能找到全部節(jié)點(diǎn)，個(gè)別情況有斷網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，一種可能是該節(jié)點(diǎn)軟件或硬件存在故

14、障或損壞，一般由對(duì)產(chǎn)品測(cè)試不完善所致，可改進(jìn)產(chǎn)品測(cè)試流程；另一種可能是該節(jié)點(diǎn)離其他節(jié)點(diǎn)距離過(guò)長(zhǎng)，超出單級(jí)通信可及范圍或協(xié)議中繼范圍，這種情況可在線路上增加硬中繼，或適當(dāng)增加發(fā)射功率，或局部增加wireless橋接。3） 終端的主動(dòng)報(bào)警有效提升了異常響應(yīng)速度，也是PLC-NT-SSL協(xié)議的特色之一。由于引入了主動(dòng)報(bào)警，必須處理多點(diǎn)接入時(shí)的沖突退避，相比主從控制方式，協(xié)議的復(fù)雜性大幅增加。得益于SH99F01提供的快速封包檢測(cè)（Packet Detect）功能，可實(shí)現(xiàn)快速載波偵聽并進(jìn)而改善CSMA / CA效率。4） 某些情況下需快速控制多個(gè)節(jié)點(diǎn)，如廣播開燈，廣播關(guān)燈，廣播調(diào)光等，以彌補(bǔ)輪詢控制速度上的不足。而由于線路負(fù)載及距離的限制，實(shí)際上無(wú)法做到對(duì)全網(wǎng)的單級(jí)廣播，廣播命令實(shí)際是按照網(wǎng)絡(luò)層次逐級(jí)傳遞，過(guò)程類似“洪泛”。PLC-NT-SSL協(xié)議采用一種簡(jiǎn)化的組播控制方式，可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的快速控制，同時(shí)又避免了“洪泛”的無(wú)需競(jìng)爭(zhēng)所導(dǎo)致的低效率。5. 本文小結(jié)近年來(lái)，公眾對(duì)路燈這