基于電力載波技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

郭淑貞

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系，湖南 長沙 410131）

0 引 言

路燈是城市的窗口，是城市形象的一個(gè)展示，是一個(gè)城市建設(shè)必不可少的公用基礎(chǔ)設(shè)施。它一方面關(guān)系城市、城鎮(zhèn)居民的切身利益；另一方面也是城市和城鎮(zhèn)建設(shè)水平和風(fēng)貌的重要體現(xiàn)。現(xiàn)階段，路燈的管理和控制水平已經(jīng)成為反映城鎮(zhèn)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。農(nóng)村中更是如此，它對于農(nóng)村進(jìn)行招商引資、促進(jìn)本地經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要貢獻(xiàn)。

低壓電力載波通信技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)跨變壓器的數(shù)據(jù)傳輸，且在同一個(gè)變壓器內(nèi)低壓電力線載波技術(shù)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生大幅度信號衰減的現(xiàn)象，因此本文建議采用其他方式，比如GSM無線移動(dòng)網(wǎng)技術(shù)、GPRS通訊以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。GSM無線移動(dòng)網(wǎng)技術(shù)完全覆蓋農(nóng)村區(qū)域，基本上沒有死角、盲區(qū)的問題，而且具有傳輸響應(yīng)時(shí)間短、功耗低、建設(shè)費(fèi)用小以及抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，比較符合農(nóng)村進(jìn)行路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。本文對基于電力載波技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

1 路燈監(jiān)控系統(tǒng)方案的選用

（1）方案一

公共路燈監(jiān)控系統(tǒng)一般是由上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)安裝在路燈管理總值班室內(nèi)；下位機(jī)主機(jī)單元位于支路路燈管理辦公室，下位機(jī)從機(jī)單元一般安裝在路燈的控制箱內(nèi)部。上位機(jī)選用一般PC機(jī)配置即可，配備GSM通信接口、寬帶網(wǎng)絡(luò)通信接口等；下位機(jī)則是聯(lián)合主機(jī)單元和從機(jī)單元組成。然而，低壓電力載波通信技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)跨變壓器的數(shù)據(jù)傳輸，因此本文采用上位機(jī)、下位機(jī)主機(jī)單元采用GSM通信技術(shù)，而下位機(jī)和從機(jī)的主機(jī)單元均采用電力載波技術(shù)進(jìn)行通信。基于電力載波和GSM通信的系統(tǒng)控制圖如圖1所示。

圖1 基于電力載波和GSM通信的系統(tǒng)控制圖

（2）方案二

本方案選用GPRS通信技術(shù)和電力載波技術(shù)進(jìn)行路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要是由路燈控制中心、信號集中器、中繼器以及終端控制裝置組成。路燈控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

路燈控制中心屬于系統(tǒng)的上位機(jī)，采用電腦利用GPRS和集中器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。控制中心發(fā)送控制命令，接收反饋信息和路燈的工作狀況信息，并及時(shí)作出響應(yīng)動(dòng)作，這一部分主要是完成了主機(jī)和終端的數(shù)據(jù)雙向傳輸，以及終端向電力網(wǎng)發(fā)射相關(guān)的控制信號，并且從電力網(wǎng)接收信號的問題。

圖2 路燈控制系統(tǒng)構(gòu)成

信號中繼器主要是用來實(shí)現(xiàn)對路燈的控制信號、狀態(tài)信號的放大和再生，有同一變壓器內(nèi)的中繼器，以及跨變壓器中繼器兩種；信號集中器由電力載波調(diào)制解調(diào)器PLC以及GPRS模塊組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要實(shí)現(xiàn)了路段中路燈信號接收、轉(zhuǎn)達(dá)等功能，是大規(guī)模路燈控制建網(wǎng)的必備器件。

圖3 信號集中器的結(jié)構(gòu)

路燈終端控制器主要是用來對接收的信號進(jìn)行控制，由集中器發(fā)來的指令進(jìn)行分析，按照指令對路燈的工作狀態(tài)進(jìn)行管理和控制，并及時(shí)把路燈工作狀態(tài)反饋給控制中心，按照天氣狀況對傳感器信號進(jìn)行轉(zhuǎn)變，以控制路燈的亮度。

系統(tǒng)通訊方式是基于電力載波技術(shù)和GPRS通信相結(jié)合，控制中心和電力載波調(diào)制解調(diào)器均采用GPRS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，電力載波調(diào)制解調(diào)器和路燈控制器是采用電力載波技術(shù)進(jìn)行通訊，路燈控制終端也是采用電力載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)通訊，以確保電力載波調(diào)制解調(diào)器和目標(biāo)路燈控制終端器之間數(shù)據(jù)通信的可靠性，確保整個(gè)路燈監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

綜上所述，結(jié)合農(nóng)村實(shí)際和筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，農(nóng)村的小規(guī)模路燈系統(tǒng)更加適合采取方案一，也就是采用電力載波技術(shù)和GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對路燈進(jìn)行監(jiān)控。

2 相關(guān)器件的選擇

在農(nóng)村路燈供電線路主要是低壓電力線，其通信方式不外乎窄帶通信、擴(kuò)頻通信以及正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）。這幾種技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在此就不一一陳述。本文主要選用OFDM通信方式的電力線載波模塊，并且和單片機(jī)進(jìn)行硬件接口的相關(guān)設(shè)計(jì)。OFDM系統(tǒng)能夠在電力線比較惡劣的通信環(huán)境下，更加有效地排除各種干擾，以確保數(shù)據(jù)信號的傳輸更加穩(wěn)定可靠，比較適合農(nóng)村路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

選用intellon公司的NT5X1芯片，是性能比較穩(wěn)定的OFDM處理芯片，傳輸效率高達(dá)14Mbps，并且集成USB、互聯(lián)網(wǎng)、GPS借口以及DAC和AGG控制單元，因此使用較為便捷，是進(jìn)行電力載波通信裝置的理想方案。

選用ATMEL公司的Atmega單片機(jī)，是基于AVR的RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，運(yùn)用先進(jìn)控制指令，數(shù)據(jù)吞吐量高達(dá)1M／MHz，支持16MHz和8MHz的時(shí)鐘頻率，其FLASH程序存儲器為16Kbyte，RAM為1Kbyte＋32字節(jié)，ROM為512字節(jié)，支持相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的兼容接口，具有C語言編程、宏匯編、仿真器以及評估板等編程和系統(tǒng)相關(guān)開發(fā)工具。

3 方案實(shí)施

基于電力載波技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用單片機(jī)Atmega16和NT51X1芯片，并且通過IC總線進(jìn)行數(shù)據(jù)信號的傳輸。IC總線是一種兩線雙向的接口協(xié)議，具有簡化電路、地址唯一、沖突檢測、仲裁機(jī)制、傳輸數(shù)據(jù)較快以及傳輸數(shù)據(jù)完整可靠等優(yōu)點(diǎn)。

（1）耦合電路

基于電力載波技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，其信號耦合方式主要有兩種:電容耦合和電感耦合。具體作用是用來隔離強(qiáng)電，確保低壓電力線安全可靠的同時(shí)，保證耦合效果符合相關(guān)規(guī)范。除此之外，還要能夠保證高頻信號傳輸要求，帶寬的穩(wěn)定可靠，頻率、相位以及阻抗等符合設(shè)計(jì)要求。

本文采用的耦合電路如圖4所示，其中TX＿N、TX＿P、RX＿N、RX＿P是指各個(gè)輸入輸出端口，變壓器主要用來強(qiáng)電隔離，0.0047μF的耦合電容和另外一個(gè)變壓器共同組成高通濾波器，以防止50Hz工頻電流輸入，而且對于衰減低頻信號和干擾信號有很大幫助，而不去衰減高頻信號。圖4中央兩個(gè)電阻，主要是用來在斷電時(shí)能夠消耗耦合電容處的剩余電荷。7D471是壓敏電阻，由于本系統(tǒng)耦合電路和電力線是直接相連的，需要對其安全和絕緣進(jìn)行考慮，以避免出現(xiàn)電網(wǎng)強(qiáng)干擾以及雷擊、開挖操作沖擊等過壓現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 耦合電路

（2）保護(hù)電路

基于電力載波技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)的保護(hù)電路主要是確保調(diào)制解調(diào)器芯片INT51X1不受電網(wǎng)過壓沖擊，電力線信號經(jīng)過耦合電路和保護(hù)電路，然后傳輸?shù)絅T51X1處引腳。NT51X1內(nèi)部裝有3.3V供電CMOS線性驅(qū)動(dòng)器，其電壓范圍最小為－0.3V，最大為＋3.6V，利用相關(guān)的肖特基二極管將電壓控制在這個(gè)范圍之內(nèi)，如果瞬間電流過大，則能夠保證二極管導(dǎo)通。

4 基于電力載波技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

基于電力載波技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的解決方案，具有節(jié)約能源、節(jié)約維修成本的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)構(gòu)建一個(gè)路燈監(jiān)控系統(tǒng)，并且利用GSM通信技術(shù)進(jìn)行路燈狀況的監(jiān)控，完成對路燈系統(tǒng)的管理和控制，比較適合于城鎮(zhèn)小規(guī)模路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。具體而言，基于電力載波技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下:

（1）節(jié)約能源約50%，減少CO2排放。

（2）實(shí)現(xiàn)了路燈的自動(dòng)監(jiān)控，以及單燈報(bào)警、故障進(jìn)行自動(dòng)識別，不必再安排專人進(jìn)行夜間巡邏。

（3）對各個(gè)路燈的狀況進(jìn)行監(jiān)控，如有故障及時(shí)進(jìn)行維修，確保路燈每時(shí)每刻都處于最佳工作狀態(tài)。

（4）安全防范是非常必要的，對單個(gè)路燈的狀況進(jìn)行監(jiān)控可以有效處理路燈故障，遠(yuǎn)程控制路燈亮度。

（5）按照道路車流量的數(shù)據(jù)，對路燈亮度進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

（6）順次點(diǎn)亮路燈或者熄滅路燈，對路燈的點(diǎn)亮或者熄滅進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

（7）按照當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r對路燈進(jìn)行控制。

（8）可以提供路燈每一天運(yùn)行狀況的相關(guān)數(shù)據(jù)，以便于進(jìn)行責(zé)任問題分析。

5 結(jié)束語

總而言之，采用基于電力載波技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)是未來發(fā)展的趨勢，具有良好的發(fā)展前景。本文結(jié)合農(nóng)村實(shí)際情況，對基于電力載波技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，以期對于農(nóng)村城鎮(zhèn)基礎(chǔ)建設(shè)水平的提高，起到一定的促進(jìn)作用。

［1］劉玉明，劉海疆.計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)［J］.電氣自動(dòng)化，2009，（2）:35－36.

［2］禹 璽，宋守云.無線遠(yuǎn)程電力抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.大眾科技，2010，125（1）:116－117.

［3］龐壽全，陳 潔，閉呂慶，呂集爾.電力載波綜合防盜報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國科技信息，2006，（8）:147－148.

［4］秦 松.SMD－30／1.5點(diǎn)對多點(diǎn)數(shù)字微波與電力載波四線 EM 接口的改進(jìn)［J］.湖北電力，1997，（2）:38－40.

［5］劉乃華.電力載波通信網(wǎng)的改造［J］.農(nóng)村電氣化，1999，（12）:48－50.

［6］王利國，吳小洪，諸孝國，趙 偉，任 斌.輸煤系統(tǒng)給煤變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)探討［J］.電工技術(shù)雜志，2003，（10）:33－35.

［7］郝曉弘，徐維濤，董建設(shè).油田分布式電力自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)解決方案及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2003，（04）:55－57.