基于OFDM技術(shù)的電力載波路燈電纜防盜監(jiān)控系統(tǒng)研究

伍東亮 李志敏

摘?要：隨著我國城市現(xiàn)代化建設(shè)的高速發(fā)展，路燈照明需求越來越多，線路越來越長，道路兩側(cè)鋪設(shè)了大量的路燈照明電纜，而路燈電纜因為布置分散、輸送電壓低、內(nèi)部含銅高，經(jīng)常被人破壞和盜竊。近年來不斷發(fā)生的電纜偷盜活動讓路燈電纜防盜監(jiān)控問題也成了人們關(guān)注的焦點。本項目設(shè)計了一種基于OFDM技術(shù)的城市路燈電纜防盜監(jiān)控管理系統(tǒng)，路燈監(jiān)控防盜主機與電纜檢測末端通過電力載波進行防盜通信檢測，電纜末端以一定時間周期向監(jiān)控的路燈電纜上發(fā)送載波檢測信號，如果電纜一旦斷開，末端監(jiān)控信號傳輸失敗，防盜監(jiān)控主機檢測到通信異常后自動報警，起到防盜報警的作用。

關(guān)鍵詞：電纜防盜;電力載波;OFDM;防盜監(jiān)控

隨著我國城市建設(shè)的高速發(fā)展，路燈照明需求范圍也飛速的增長。城市道路鋪設(shè)了大量的路燈照明電纜，而路燈電纜因為布置分散、輸送電壓低、電纜含銅高，經(jīng)常被人破壞和盜竊，城市路燈設(shè)施的管理問題變得越來越突出。近年來不斷發(fā)生的電纜偷盜活動讓路燈電纜防盜監(jiān)控問題也成了人們關(guān)注的焦點。

一、現(xiàn)有線纜防盜監(jiān)控方法介紹

針對以上問題，路燈管理部門就路燈電纜防盜做了一些保護措施，如增加人員線路巡查頻率，在容易盜竊點進行蹲點值守或視頻監(jiān)控;在路燈電纜施工時，將電纜進行直埋、深埋，混凝土封堵電纜井井蓋等土建措施進行防盜。此類方法雖然能在一定程度上減少線纜被盜次數(shù)，但是由于方法比較落后，耗費大量人力物力，而且不能及時有效地發(fā)現(xiàn)問題。

隨著檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，先后研究出多種路燈電纜防盜檢測技術(shù)，如電壓電流檢測法、電容探測法、微波探測法、漏電流檢測法、電纜線路載波檢測法等。這些方法在一定條件下可以對電纜防盜進行監(jiān)控，但是受路燈供電時間限制、電纜線路老化及干擾等問題，實際應用時檢測設(shè)備初期投入成本過高，后期維護成本高、錯報、漏報率高，防盜效果不佳。

針對以上問題，本項目設(shè)計了基于OFDM技術(shù)的電力載波路燈電纜防盜監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)載波信號的可靠傳輸，減少錯報漏報情況發(fā)生。

二、防盜監(jiān)控控制系統(tǒng)功能需求

電力載波通訊法是目前應用十分廣泛的一種防盜手段，路燈監(jiān)控防盜主機與電纜檢測末端通過電力載波進行防盜通信檢測，電纜末端以一定時間周期向監(jiān)控的路燈電纜上發(fā)送載波檢測信號，如果電纜一旦斷開，末端監(jiān)控信號傳輸失敗，防盜監(jiān)控主機檢測到通信異常后自動報警，起到防盜報警的作用。

防盜監(jiān)控系統(tǒng)由防盜監(jiān)控中心、監(jiān)控末端、防盜主機、現(xiàn)場報警裝置、路燈電力電纜、無線通信網(wǎng)絡(luò)組成。控制系統(tǒng)要想實現(xiàn)防盜報警，其系統(tǒng)功能需求如下：

（1）檢測方式：電纜監(jiān)控末端與防盜主機采用定時發(fā)送心跳包方式進行線路防盜檢測，當被測電纜開路（被盜或故障）時，系統(tǒng)檢測不到心跳包信號，電纜防盜主機報警，然后由系統(tǒng)主動通過GPRS信道向監(jiān)控中心報警，由監(jiān)控中心聯(lián)動報警到相關(guān)用戶。

（2）全天候監(jiān)測功能：檢測設(shè)備在白天關(guān)燈和晚上開燈情況下都能正常工作。

（3）非法開門報警：電纜防盜終端檢測箱通過門鎖開關(guān)監(jiān)測非法開門，并向上一級報警。正常檢修時可以識別。

（4）電池欠壓報警：電纜防盜終端檢測箱采用可充電大容量電池，CPU自動檢測電池電壓，當發(fā)現(xiàn)電池欠壓時即向上級報警，確保電池得到及時更換。

三、防盜監(jiān)控控制器硬件設(shè)計

電纜防盜監(jiān)控的核心是載波通信模塊，載波的調(diào)制和解調(diào)成功率對整個系統(tǒng)的運行有著非常重要的作用。現(xiàn)在載波系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)所使用的調(diào)制解調(diào)技術(shù)有：移相鍵控調(diào)制技術(shù)、振幅鍵控技術(shù)、擴頻通信技術(shù)和正交頻分復用（OFDM）技術(shù)等。目前國內(nèi)外已有多家公司針對電力線載波通信技術(shù)進行了大量的研究，并研發(fā)出多款基于不同調(diào)制技術(shù)的電力載波芯片和電力載波通信系統(tǒng)設(shè)備，這些設(shè)備和芯片已成功應用到工程項目中。

本路燈防盜監(jiān)控系統(tǒng)研究的重點不是調(diào)制解調(diào)模塊的設(shè)計，而是挑選抗干擾能力強、通信速率快、運行穩(wěn)定的載波模塊進行路燈防盜監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。本項目采用的是上海云間半導體科技有限格式研發(fā)的CR600載波通信模塊，CR600是一顆基于ARM CortexM0 CPU的高性能的寬帶載波芯片，具有高集成度與高可靠性的特性。CPU主頻125MHz，內(nèi)置256K片上RAM。芯片采用OFDM調(diào)制技術(shù)，帶寬范圍為2～28MHz，該芯片還可內(nèi)嵌自動中繼路由協(xié)議，最大可支持10級中繼。可實現(xiàn)音頻信號、高清視頻、以及各類數(shù)據(jù)的高質(zhì)量傳輸。

電纜防盜監(jiān)控系統(tǒng)最核心的檢測設(shè)備是防盜監(jiān)控末端和防盜監(jiān)控主機。防盜監(jiān)控主從設(shè)備通過載波通信模塊收發(fā)數(shù)據(jù)，考慮到一個主機會監(jiān)控多條路燈線路，通信方式選擇485通信，檢測末端通過CR600載波通信模塊支持的OFDM調(diào)制技術(shù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過電力線進行傳輸通信。

防盜監(jiān)控末端硬件的設(shè)計如下：末端主要由CR600載波通信模塊構(gòu)成，通信模塊上已設(shè)計有485通信接口，只需要在模塊外圍設(shè)計電源電路、門禁報警檢測開關(guān)即可。主要有設(shè)計框圖如下：

電源電路的設(shè)計包括路燈開燈電源設(shè)計和路燈斷電電源設(shè)計兩部分。路燈開燈時，路燈末端電纜上有交流220V，只需要設(shè)計電源轉(zhuǎn)換電路，將交流220V轉(zhuǎn)換成直流5V即可，當路燈關(guān)燈時，電纜上交流電消失，此時需要轉(zhuǎn)換到備用電池供電。備用電池在路燈供電時進行充電，在路燈斷電時進行供電。

防盜監(jiān)控主機通常是和路燈監(jiān)控系統(tǒng)一起放在路燈開關(guān)柜中，市面上許多的產(chǎn)品把路燈監(jiān)控和路燈防盜做成一個系統(tǒng)，稱為路燈監(jiān)控防盜主機。路燈監(jiān)控防盜主機向下通過電力載波通信采集路燈線防盜狀態(tài)數(shù)據(jù)，向上通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)實時向監(jiān)控中心發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，其硬件框圖如圖3所示。路燈防盜監(jiān)控主機控制器主要包括以下幾個部分：電源模塊、GPRS通信模塊、電力載波收發(fā)模塊、MCU處理器模塊、光照傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、繼電器模塊、防盜監(jiān)控模塊。

四、防盜系統(tǒng)安裝

安裝注意事項：

（1）設(shè)備安裝時要進行地面平整處理，設(shè)備垂直面的傾斜度不超過5度。

（2）設(shè)備安裝地點應避開有劇烈震動、沖擊和腐蝕的場所。

（3）防護等級IP45，適應于室外（底部安裝）。

五、結(jié)語

總之，基于電力載波技術(shù)的智能化路燈控制系統(tǒng)能夠彌補當前路燈控制器的不足，該方法是優(yōu)勢是利用已有的路燈電纜線就可以進行數(shù)據(jù)的傳輸，不需要對路燈管理系統(tǒng)重新架設(shè)控制線路，這在很大程度上降低了基礎(chǔ)建設(shè)和維護的成本，提高城市路燈的利用率，方便節(jié)能。

但是，通過不斷試驗，我們也發(fā)現(xiàn)這種方式還存在一些缺陷和不足的地方，在許多線路中不能使用，存在下列幾點局限性：不適合公用變壓器的路燈線路，只能在單個配電臺區(qū)，單條線路。抗干擾能力弱，受通信距離影響大，測試后發(fā)現(xiàn)有效通信范圍在300—500米;發(fā)送頻繁，功率大，元件壽命短。

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基金項目：湖南省教育廳教育科學研究項目：基于OFDM技術(shù)的電力載波路燈電纜防盜系統(tǒng)研究（項目編號：17C0579）