3G技術在LED路燈照明智能監控系統中的應用

汪義旺 張 波 吳 鑠

(1.蘇州市職業大學電子信息工程系，江蘇蘇州 215104;2.蘇州新士達光電科技有限公司，江蘇蘇州 215128)

1 引言

作為第四代光源的LED照明產品已經廣泛應用于通用照明領域，特別是大功率LED路燈，正以迅猛速度沖擊傳統的路燈市場［1］。近年來，已出現了大量的采用無線通信、電力載波、GPRS等技術的路燈智能管理監控系統方案［2～3］。然而，隨著城市道路規模的不斷增加，用于照明的路燈數量和規模都大幅增長，對其控制的數據傳輸容量和速率、系統穩定性等方面都提出了新的更高要求，傳統的控制管理方式難以滿足對現代化的智能照明控制需要。

3G(3rd Generation，第三代移動通信技術)是指支持高速數據傳輸的蜂窩移動通訊技術［4］，3G技術相對于GSM和GPRS無線網絡具有更多的技術優勢，其中傳輸速率可達到144kbps～2Mbps［5］，可以滿足路燈監控系統的實時性和數據傳輸量大的要求。

低壓電力線載波PLC(Power Line Carrier)通信技術是以低壓配電線 (380V/220V電力線)作為信息傳輸媒介進行數據或語音等傳輸的一種特殊通信方式［6～7］。由于供電網絡本身是一種方便、低成本、高可靠性的通信媒介，使得電力載波通信變得方便、成本低、易實現［6］。將低壓電力線載波通信技術引入LED路燈照明控制系統，利用低壓PLC可以實現遠程控制每盞LED路燈具的開關、工作狀態監測、調光控制和故障識別等，減少了傳統遠程控制通信的布線成本，但由于PLC的通信距離和控制節點數量有限，不能滿足區域或多路段的大范圍路燈智能監控系統的控制需要。將PLC結合3G通信技術，發揮各自的通信優勢，可實現較大范圍或區域的LED路燈監控。

2 監控系統結構

基于PLC和3G技術的LED路燈照明智能監控系統結構如圖1所示。系統由若干智能控制終端模塊、3G區域 (路段)集中控制器、遠程監控中心或便攜式移動控制終端組成。

圖1 LED路燈照明智能監控系統結構

智能控制終端模塊通過電力載波通信與集中控制器組網，集中控制器通過3G無線通信網絡與控制中心或便攜式移動控制終端進行數據交換，實現對路燈的實時在線監控。

3 硬件系統設計

硬件系統主要包括智能終端控制模塊、集中控制器和遠程監控數據采集模塊的硬件設計。

3.1 智能終端控制模塊

智能終端控制模塊主要完成對LED路燈的恒流驅動、智能調光控制和PLC組網通信，其硬件組成原理框圖如圖2所示。

圖2 智能終端控制模塊硬件結構

主電路由前端帶PFC功能的開關電源和后端恒流變換電路組成，開關電源采用基于L6562功率因數控制器［9］來實現，可以滿足寬電壓輸入和高PF值的要求。后端的恒流驅動電路采用Buck變換電路，經PWM控制來實現精確恒流控制。MCU控制器采用uPD78F0503D單片微控制器為核心，PLC通信電路采用PL2102芯片［10］，環境亮度檢測芯片采用帶I2C接口的智能環境光傳感器NOA1302［11］，它們與控制器間采用I2C總線連接。控制器通過AD轉換接口采集輸出電流反饋值，實現電流閉環精確控制。

3.2 集中控制器

圖3 集中控制器硬件結構

集中控制器以PLC通信的方式與各終端控制模塊進行通信，并通過3G網絡與監控中心進行通信。負責采集各模塊數據并轉發控制中心的指令。同時，控制器還采集所連接區域 (路段)的電能數據信息。集中控制器的硬件結構圖如圖3所示，主要包括uPD78F0511、PLC通信模塊、3G模塊、時鐘和存儲電路、電源模塊和電能計量模塊等。

圖3中，MCU控制器采用uPD78F0511單片微控制器，電能計量模塊采用單相多功能計量芯片ATT7053A［12］，通過 SPI接口和 MCU通信，實時獲取電能參數信息。微控制器通過I2C接口與PLC通信模塊通信，完成PLC數據的采集和指令的傳送。時鐘電路采用內置高精度調整的水晶振子的I2C總線接口方式的實時計時器RX8025，存儲電路采用EEPROM24C64進行數據的存儲，MCU通過I2C總線讀取RTC數據，并進行數據信息的存儲操作。

中國電信的CDMA是3G網絡里覆蓋最廣泛的，并且傳輸速率較快，上行和下行峰值傳輸速率分別能達到3.1Mbps和1.8Mbps［13］，能夠滿足路燈照明智能監控系統無線傳輸速率的要求。設計采用SIMCOM公司的 SIM5216E［14］模塊進行3G通信設計，支持 WCDMA通信模式，模塊集成了UART、USB等接口，方便與控制器的設計開發。本設計的MCU采用UART與SIM5216E模塊進行通信，實現集中控制器與監控中心的3G組網。

4 軟件系統設計

軟件系統分為智能終端控制軟件設計、集中控制器軟件和遠程監控的軟件設計。

4.1 智能終端控制模塊和集中控制器軟件設計

兩者都采用基于NEC的MCU為控制核心，其控制軟件都采用NEC單片機集成開發環境平臺PM+V6.30的進行開發設計，利用模塊化設計思想，采用C語言程序編寫。智能終端控制模塊工作流程如圖4所示，系統開始工作后，進行初始化和準備通信組網，接收集中控制器的指令信息，進行相應的操作。

集中控制器軟件主要完成各終端控制模塊的數據采集與指令轉發，電能參數的采集等功能，其工作流程如圖5所示。

4.2 監控軟件設計

監控軟件采用基于Visual Studio開發平臺進行開發，主要由用戶管理、系統運行監控、系統通信管理、能量分析管理、數據庫和事件記錄管理等模塊組成，其構成圖如圖6所示。

圖4 智能終端控制模塊的工作流程

圖5 集中控制器的工作流程

圖6 監控軟件模塊

5 系統測試

根據所提出的設計方案，開發了基于3G通信技術的LED路燈照明智能監控系統，并對系統進行了測試實驗。實驗系統集中控制器5臺，每個集中控制器最多可連接80W(1W的大功率LED10串8并連接，額定恒流2.5A)大功率LED路燈200套，系統聯網控制規模1000套。進行了遠程實時監控、智能調光、能量在線檢測等實驗，智能終端控制器模塊實時接收集中控制器的控制指令和回傳相應的數據信息，集中控制器通過3G網絡與監控中心進行數據交換通信。在監控中心主機上，通過運行智能路燈監控軟件，可以發送控制指令和觀測各路燈的工作的參數信息等，記錄部分監控中心監測數據如表1所示。

表1 部分監控中心監測數據表

在系統實驗數據測試中，由于受通信距離和電力線通信信道的噪聲等影響，會出現少量數據丟失或數據采集不準確等影響，為此本系統在軟件設計時采用多次采樣軟件濾波算法，來消除數據干擾，提高數據采集的準確度。通過實驗發現，也可以通過增加集中控制器數量和減少控制器所連接的路燈數量，來進一步提高數據通信的可靠性。

對比檢測數據和實測數據，誤差均在允許的范圍內。結果表明該系統遠距離通信實時可靠、LED路燈運行穩定，實現了基于3G通信技術的遠程控制，達到了預期的控制效果和參數指標。

6 結束語

將3G通信技術引入到LED路燈的遠程智能監控系統，可以有效地改善傳統控制不足和控制容量受限等問題，系統運行穩定，可實現能量的實時在線檢測與管理，能滿足未來遠程在線遠程路燈運行狀態畫面檢測的需要，方便功能的擴展和監控水平的提升，也能滿足跨區域大范圍的路燈監控需要，具有廣闊的應用前景，這將對路燈控制系統的智能化、網絡化發展起到很大的促進和推動作用。

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