基于載波通信的智慧路燈精準控制

申 丹，程為彬，王曉凡，楊金晨

(陜西省油氣井測控技術重點實驗室，陜西 西安 710065)

引言

智慧照明是智慧城市建設的一部分。傳統的路燈只能實現對某條街道單一的開關控制[1]，而智慧路燈則是對路燈公共照明實行統一管理，每個路燈能夠自行偵測毀損，并實時傳送信號給控制中心以便維修，最終達到照明遠程監控、智能管控、節能降耗“三位一體”的成效[2-4]。

考慮到我國路燈控制系統的現狀以及對節能減排、智慧照明的迫切需求，我們搭建了一個智慧路燈的遠程通信與控制系統，并進行了實驗驗證。該系統在基于GPRS為一級網絡，低壓電力載波通信(PLC)為二級網絡的基礎上[5]，給每一個路燈終端定義唯一的地址，實現上位機對所有路燈的精準控制，最終達到對城市照明網絡化、實時化、精確化和動態化的控制。圖1所示為二級網絡的系統結構圖，其中能夠直接和監控中心進行通信的終端稱為集中控制主終端，其他為子終端。

圖1 路燈組網系統結構圖

1 系統總體框架

智慧路燈控制系統主要由控制中心、若干路段集中控制主終端和若干路燈子終端組成[6]。控制中心即上位機對整個路燈組網系統的運行集中管理，包括遠程實時控制、系統運行信息的采集和反饋。集中控制主終端負責所轄路段的通信和調光控制，路燈子終端負責單個路燈的控制和狀態檢測。任意一個路燈子終端可外接GPRS-DTU模塊升級成集中控制主終端，多個路段及其GPRS構成分布式路燈遠程控制系統，圖2所示為智慧路燈控制系統的組網模型。

圖2 智慧路燈控制系統組網

2 系統通信機制

系統的通信方式采用無線GPRS網絡與低壓電力載波通信(PLC)相結合。上位機與集中控制終端之間采用GPRS進行數據傳輸[7]，集中控制終端與子終端之間采用電力載波通信方式進行數據傳輸。這種通信方式的好處是不需要重新架設網絡，建設周期短且成本低，是智慧路燈通信系統的首選[8]。

2.1 Modbus通信協議

Modbus是一種總線型單主站、主從式的串行數據傳輸協議，上位機可完全控制和管理通信進程，既能單獨和從設備通信，也可以廣播方式和所有從設備通信。通信開始時主站首先向從站發送包含從站地址和通信要求的命令幀，從站接收到該命令幀并通過CRC校驗后，先將命令幀中包含的從站地址號與本站地址相比較，如果地址一致，從站立即對該命令進行解析，并按照命令幀中的通信要求組織和裝配響應幀向主站回傳[9]。

2.2 路燈終端地址分配

Modbus尋址空間分配如表1所示，其中00H為廣播地址，專門用于對所有終端進行統一控制；F8H～FFH保留備用；01H-0F7H則用來給每個子終端定義地址。為了使上位機對精準的控制到每一個子終端，將撥碼開關接入在芯片的P0口，開關打開代表高電平1，斷開代表低電平0，從而給每個路段以及子終端定義了唯一的地址。當主機與終端通信時，先呼叫某個子節點的地址，喚醒被呼叫的子節點后，主機與子節點之間進行數據交換，未被呼叫的終端則繼續進行各自的工作。

表1 Modbus尋址空間分配

3 軟硬件設計

系統的載波控制流程如圖3所示，上位機通過串口調試軟件發送對路段的控制命令，由PL3106對數據進行直序擴頻，擴頻后的信號經調制后輸出，依次通過功率放大、濾波、耦合電路發送到低壓電力線上[10]。子終端直接從電力線上接收到集中控制器發送來的信號，在芯片內部進行解調、校驗，并執行相應的控制命令，最后將處理結果返回至上位機。

圖3 載波控制流程圖

3.1 載波通信電路

載波線上的每一個終端既可以作集中控制終端也可以作子終端，載波通信電路如圖4所示。集中控制終端可直接從上位機接收命令，在芯片內部進行調制后輸出并經電力載波線傳輸給其他子終端，圖5所示為集中控制主終端測得的收發波形對比圖。子終端則直接從電力線上接收信息到芯片內部，圖6所示為子終端測得的收發波形對比圖。

圖4 載波通信電路

圖5 控制終端收發波形對比

圖6 子終端收發波形對比

3.2 軟件設計

1)路燈控制總體設計流程?？刂栖浖目傮w流程如圖7所示,控制終端默認工作在待機狀態，當接收到上位機的控制命令后，采用中斷的方式實現控制軟件的不同功能。初始化后，程序處于等待狀態，根據不同控制終端地址差異；當接收到串口命令信息后，進入串口中斷；當接收載波命令時，進入載波中斷；進入各自中斷后先對信息地址進行判斷，地址判斷正確，接收剩余信息，CRC校驗正確，進入信息處理程序；當處理程序完成后同樣利用中斷將返回信息發出，再次進入待機狀態等待下一個命令的到來。

圖7 路燈控制主程序設計流程

2)路燈尋址設計流程。圖8所示為控制終端尋址流程圖，當控制終端接收到上位機發送的命令后，識別并判斷其地址位。若為廣播地址，則對所有路段進行統一控制；若為路段地址，則對被控路段進行相應的功率控制和調節，其余路段保持不變；若為控制子終端地址，則對單個子終端進行精準控制和通信，最終實現在不同情況下的不同功率調節，并向上位機返回處理結果。

圖8 控制終端尋址流程

4 數據測試

串口通信采用10位異步收發的工作方式，上位機通過串口調試軟件分別向路段F0發送100%的功率控制命令(F0 05 00 01 FF 00 DB C8)；路段E0發送75%的功率控制命令(E0 05 00 02 FF 00 4B 3A)；單個路燈路燈F2、E3發送50%功率控制命令(F2 05 00 03 FF 00 39 C9)(E3 05 00 03 FF 00 78 3A)，通信結果如圖9所示。

5 結論

對上位機在全路段、單個路段以及若干子終端進行控制的情況下，進行載波通信測試，我們發現：各個路段以及子終端能夠精確地接收到上位機發送的指令，并對該指令進行相應的處理，最終成功地將處理結果返回至上位機。由實驗可知整個通信過程中收發信息完全一致，即我們實現了路燈的遠程精準控制與通信。

圖9 通信串口收發數據