(海思自動化技術部LonWorks技術粉絲提供)
核心提示: 當前路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用的通信技術多種多樣，本文介紹了各種通信技術方案的特點，分析LonWorks電力線載波通訊技術應用于路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)的優(yōu)勢，并提供了完整的路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)解決方案。系統(tǒng)由三個部分組成: 路燈智能控制節(jié)點、電力線網絡控制器、和路燈監(jiān)控管理軟件。
一、引言
當前，我國很多城市的路燈系統(tǒng)主要是人工管理模式，需要工作人員定時開關燈，當路燈出現(xiàn)故障時，很難做到及時發(fā)現(xiàn)和有效處理。如果采用路燈自動化監(jiān)控管理系統(tǒng)，不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)路燈的故障情況，減少大量的人力，還能節(jié)省路燈能耗，對城市的節(jié)能減排作出巨大貢獻。
一般地，在路燈監(jiān)控系統(tǒng)應用中，數(shù)據通信的方案主要有三種:
1、總線通訊技術
如RS485、CAN 總線等。該方案布線、施工復雜，對于改造路段實施起來難度較大。
2、無線通信方式
包括GPRS、ZigBee 等方案。采用GPRS 通信方式成本太高，一般不會考慮。ZigBee 是一種廉價的低速無線個域網，通訊距離遠、支持節(jié)點數(shù)目多等優(yōu)點。ZigBee 適合于網狀結構系統(tǒng)， 采用DSSS /O-QPSK 調制，能夠有效克服無線傳輸中的多徑干擾問題，傳輸可靠性高； 但路燈網絡中的所有節(jié)點分布在一條直線上，延伸至幾公里甚至幾十公里，并不是ZigBee 理想的拓撲結構。而且無線方式對環(huán)境的依賴性較大，在天氣惡劣的情況下會影響通信質量。因此ZigBee 技術應用于路燈監(jiān)控系統(tǒng)的實際效果并不理想。
3、電力線載波通信( PLC，Power LineCommunication) 技術
電力線載波通信方案以電力線為通信介質，減少了布線成本，而且對外部環(huán)境的依賴性較小，可靠性更高，與前兩種方案相比更加適用于路燈監(jiān)控網絡。
電力線載波通信分窄帶調制方式和寬帶調制方式。由于路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據量較少，因而對傳輸速率的要求不高，窄帶PLC 技術就可以滿足通信要求； 而寬帶PLC 技術則主要應用于大流量數(shù)據( 如多媒體數(shù)據等) 的高速傳輸，而且由于寬帶通信所占用的帶寬很寬，很容易超出CENELEC規(guī)范所規(guī)定的頻率范圍，所以在監(jiān)控系統(tǒng)中一般不采用。早期的窄帶電力線通信一般采用簡單的模擬調制技術，其抗干擾能力不強，應用范圍有限。但是隨著信號檢測技術和DSP 技術的發(fā)展完善，窄帶通信如BPSK ( 二進制相移鍵控技術) 的抗干擾能力得到很大提高，將會更加適用于PLC 網絡。
通過上述分析比較，本方案選擇電力線窄帶BPSK 通信方式作為城市路燈自動化監(jiān)控管理系統(tǒng)的底層設備通信方案，并根據路燈系統(tǒng)的特點，提出了可行的系統(tǒng)網絡結構，以及智能節(jié)點的設計。
二、系統(tǒng)設計
為實現(xiàn)城市路燈的優(yōu)化管理，路燈管理系統(tǒng)需要收集每盞路燈的狀態(tài)和環(huán)境信息，并存貯于監(jiān)控中心數(shù)據庫中，集中優(yōu)化處理后，控制每一盞路燈的輸出光通。整個系統(tǒng)的網絡拓撲結構如圖1 所示。
城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)主要包括路燈節(jié)點、電力線網絡控制器、路燈監(jiān)控管理軟件。路燈監(jiān)控管理軟件通過因特網控制LonWorks 控制網中的所有路燈節(jié)點； 每一個LON 控制子網相當于一個因特網上的站點，配有一個IP 地址， 通過訪問該IP地址， 實現(xiàn)對LON控制子網的訪問。
電力線網絡控制器以主從方式管理LON 控制子網，并能通過Ethernet 接口或GPRS 通信模塊以撥號方式接入因特網。這樣， 控制中心通過與網絡控制器進行數(shù)據交換， 就可以對LON控制子網上的每個節(jié)點進行監(jiān)控。此外，網絡控制器帶有多個I /O 端口，用于收集道路的環(huán)境信息( 照度、濕度、溫度等) ，作為調光依據。
在監(jiān)控中心，路燈監(jiān)控管理軟件不斷巡查各個路燈節(jié)點的狀態(tài)，顯示每盞路燈的工作狀太和電力參數(shù)，既能手動控制每個燈的光通，也可以自動調節(jié)路燈照度。
燈光自動控制策略有以下幾種，包括:
1) 根據設定時間表調節(jié)光照度， 如在后半夜時，路燈調節(jié)到半載功率輸出。
2) 根據天氣情況、不同時期的日照情況開、關燈或調節(jié)輸出光通。
3) 根據特殊照明情況調節(jié)輸出光通。如城市隧道照明場合，為了避免進入或離開隧道時視覺上的不適應，單獨調節(jié)隧道口的路燈，讓其光通緩變。
4) 根據特殊路段設定輸出光通。如在某一路段發(fā)生事故時，輸出最大光通，以便事故處理，同時提高道路安全。
2 路燈智能節(jié)點設計方案
路燈智能節(jié)點包括電力線通信部分、電子鎮(zhèn)流器部分和高壓鈉燈等三部分，電力線通信部分和電子鎮(zhèn)流器部分通過I2C 接*換數(shù)據。
（一）電力線通信智能節(jié)點
（1）電力線通信控制電路硬件設計
電力線通信控制電路主要負責數(shù)據在電力線上的可靠傳輸，其主芯片采用Echelon 公司的PL3120，PL3120 是專用于電力線系統(tǒng)的神經元芯片，內部集成有三個處理器單元和一個電力線收發(fā)器。電力線收發(fā)器采用窄帶BPSK 調制，且具有雙載波頻率，當主頻率受到干擾后，自動切換到預備頻率上工作，極大增強了系統(tǒng)抗干擾能力。
電力線通信控制電路包括高通耦合電路、功率放大濾波電路和PL3120 及其外圍電路。 高通耦合電路提取市電線路中的高頻信號，經帶通濾波電路濾波后傳輸給PL3120，解調后得到通信數(shù)據。同時， PL3120 將發(fā)送數(shù)據進行BPSK 調制，功率放大后耦合到電網上。PL3120 通過TXSENSE 引腳采樣功率放大電路的輸出電壓，得到的值用來調整TXBIAS 引腳上的電流，從而控制發(fā)送功率。
為保證電力線通信控制電路的可靠工作，必須對高通耦合電路做優(yōu)化設計，使高通耦合電路濾除50Hz市電分量的同時，具有較大的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，減小信號的衰減。
（2）軟件設計
LonWorks網絡系統(tǒng)的最大優(yōu)點是通信程序設計采用Neuron C 語言。Neuron C 在標準C 的基礎上，提供了大量的硬件接口函數(shù)，只需調用相應的函數(shù)就可以使用該硬件資源； 而且，節(jié)點間的通信通過網絡變量的綁定來實現(xiàn)，而通信過程完全由底層協(xié)議完成，方便了程序的開發(fā)。
電力線通信軟件定義了一個輸入網絡變量( i. Lon SmartSever 對節(jié)點的控制命令) 和一個輸出網絡變量( 節(jié)點對i. LonSmartSever 的返回數(shù)據)， 并與i. Lon SmartSever上相應的輸出、輸入網絡變量綁定。發(fā)送數(shù)據時，改變本地輸出網絡變量，與之綁定的輸入網絡變量的值就會隨之改變，而數(shù)據的傳輸過程則完全由底層協(xié)議完成，極大簡化了程序的開發(fā)過程。
（二）電子鎮(zhèn)流器
路燈智能節(jié)點中的電子鎮(zhèn)流器部分采用普通的兩級拓撲結構，前級PFC 電路加后級半橋逆變和諧振觸發(fā)電路， 并且通過中央處理器電路、采樣電路和調光電路收集鎮(zhèn)流器的狀態(tài)信息，并根據命令調光。
電子鎮(zhèn)流器有多種調光方式，調頻調光、調母線電壓調光、調占空比調光等。在大功率高壓鈉燈中，由于聲諧振的頻率點較少，所以選用比較簡單的調頻方式?！ ?/SPAN>
三、結束語
基于LonWorks電力載波通訊技術構建的城市路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)已成為城市路燈自動化管理領域最理想的解決方案。在滿足系統(tǒng)高可靠、高穩(wěn)定運行的同時，系統(tǒng)可實現(xiàn)對各個路燈節(jié)點能夠可靠的完成上位機發(fā)出的指令，實現(xiàn)單點調光、多點調光和定時調光等，并且能夠準確收集自身的狀態(tài)信息，顯示到電腦上。作為分布式控制與集中管理的先進控制網絡，LonWorks系統(tǒng)在沒有上位機操作的情況下，監(jiān)控子網運行的網絡控制器可以通過特定的算法對各個路燈節(jié)點根據設定的程序自動運行。
