(海思自動(dòng)化技術(shù)部LonWorks技術(shù)粉絲提供)
核心提示: 當(dāng)前路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用的通信技術(shù)多種多樣，本文介紹了各種通信技術(shù)方案的特點(diǎn)，分析LonWorks電力線載波通訊技術(shù)應(yīng)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(gè)部分組成: 路燈智能控制節(jié)點(diǎn)、電力線網(wǎng)絡(luò)控制器、和路燈監(jiān)控管理軟件。
一、引言
當(dāng)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(shí)開關(guān)燈，當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)，很難做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和有效處理。如果采用路燈自動(dòng)化監(jiān)控管理系統(tǒng)，不僅能夠及時(shí)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(xiàn)。
一般地，在路燈監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)通信的方案主要有三種:
1、總線通訊技術(shù)
如RS485、CAN 總線等。該方案布線、施工復(fù)雜，對于改造路段實(shí)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(huì)考慮。ZigBee 是一種廉價(jià)的低速無線個(gè)域網(wǎng)，通訊距離遠(yuǎn)、支持節(jié)點(diǎn)數(shù)目多等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee 適合于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)系統(tǒng)， 采用DSSS /O-QPSK 調(diào)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(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(huì)影響通信質(zhì)量。因此ZigBee 技術(shù)應(yīng)用于路燈監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際效果并不理想。
3、電力線載波通信( PLC，Power LineCommunication) 技術(shù)
電力線載波通信方案以電力線為通信介質(zhì)，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(wǎng)絡(luò)。
電力線載波通信分窄帶調(diào)制方式和寬帶調(diào)制方式。由于路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，因而對傳輸速率的要求不高，窄帶PLC 技術(shù)就可以滿足通信要求； 而寬帶PLC 技術(shù)則主要應(yīng)用于大流量數(shù)據(jù)( 如多媒體數(shù)據(jù)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(diào)制技術(shù)，其抗干擾能力不強(qiáng)，應(yīng)用范圍有限。但是隨著信號檢測技術(shù)和DSP 技術(shù)的發(fā)展完善，窄帶通信如BPSK ( 二進(jìn)制相移鍵控技術(shù)) 的抗干擾能力得到很大提高，將會(huì)更加適用于PLC 網(wǎng)絡(luò)。
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(dòng)化監(jiān)控管理系統(tǒng)的底層設(shè)備通信方案，并根據(jù)路燈系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了可行的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。
二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為實(shí)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(jù)庫中，集中優(yōu)化處理后，控制每一盞路燈的輸出光通。整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。
城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)主要包括路燈節(jié)點(diǎn)、電力線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)控制LonWorks 控制網(wǎng)中的所有路燈節(jié)點(diǎn)； 每一個(gè)LON 控制子網(wǎng)相當(dāng)于一個(gè)因特網(wǎng)上的站點(diǎn)，配有一個(gè)IP 地址， 通過訪問該IP地址， 實(shí)現(xiàn)對LON控制子網(wǎng)的訪問。
電力線網(wǎng)絡(luò)控制器以主從方式管理LON 控制子網(wǎng)，并能通過Ethernet 接口或GPRS 通信模塊以撥號方式接入因特網(wǎng)。這樣， 控制中心通過與網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換， 就可以對LON控制子網(wǎng)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。此外，網(wǎng)絡(luò)控制器帶有多個(gè)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(diào)光依據(jù)。
在監(jiān)控中心，路燈監(jiān)控管理軟件不斷巡查各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)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(dòng)控制每個(gè)燈的光通，也可以自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈照度。
燈光自動(dòng)控制策略有以下幾種，包括:
1) 根據(jù)設(shè)定時(shí)間表調(diào)節(jié)光照度， 如在后半夜時(shí)，路燈調(diào)節(jié)到半載功率輸出。
2) 根據(jù)天氣情況、不同時(shí)期的日照情況開、關(guān)燈或調(diào)節(jié)輸出光通。
3) 根據(jù)特殊照明情況調(diào)節(jié)輸出光通。如城市隧道照明場合，為了避免進(jìn)入或離開隧道時(shí)視覺上的不適應(yīng)，單獨(dú)調(diào)節(jié)隧道口的路燈，讓其光通緩變。
4) 根據(jù)特殊路段設(shè)定輸出光通。如在某一路段發(fā)生事故時(shí)，輸出最大光通，以便事故處理，同時(shí)提高道路安全。
2 路燈智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案
路燈智能節(jié)點(diǎn)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(jù)。
（一）電力線通信智能節(jié)點(diǎn)
（1）電力線通信控制電路硬件設(shè)計(jì)
電力線通信控制電路主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)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(jīng)元芯片，內(nèi)部集成有三個(gè)處理器單元和一個(gè)電力線收發(fā)器。電力線收發(fā)器采用窄帶BPSK 調(diào)制，且具有雙載波頻率，當(dāng)主頻率受到干擾后，自動(dòng)切換到預(yù)備頻率上工作，極大增強(qiáng)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(jīng)帶通濾波電路濾波后傳輸給PL3120，解調(diào)后得到通信數(shù)據(jù)。同時(shí)， PL3120 將發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行BPSK 調(diào)制，功率放大后耦合到電網(wǎng)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(diào)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(shè)計(jì)，使高通耦合電路濾除50Hz市電分量的同時(shí)，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(shè)計(jì)
LonWorks網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是通信程序設(shè)計(jì)采用Neuron C 語言。Neuron C 在標(biāo)準(zhǔn)C 的基礎(chǔ)上，提供了大量的硬件接口函數(shù)，只需調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)就可以使用該硬件資源； 而且，節(jié)點(diǎn)間的通信通過網(wǎng)絡(luò)變量的綁定來實(shí)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(gè)輸入網(wǎng)絡(luò)變量( i. Lon SmartSever 對節(jié)點(diǎn)的控制命令) 和一個(gè)輸出網(wǎng)絡(luò)變量( 節(jié)點(diǎn)對i. LonSmartSever 的返回?cái)?shù)據(jù))， 并與i. Lon SmartSever上相應(yīng)的輸出、輸入網(wǎng)絡(luò)變量綁定。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，改變本地輸出網(wǎng)絡(luò)變量，與之綁定的輸入網(wǎng)絡(luò)變量的值就會(huì)隨之改變，而數(shù)據(jù)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(diǎn)中的電子鎮(zhèn)流器部分采用普通的兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(diào)光電路收集鎮(zhèn)流器的狀態(tài)信息，并根據(jù)命令調(diào)光。
電子鎮(zhèn)流器有多種調(diào)光方式，調(diào)頻調(diào)光、調(diào)母線電壓調(diào)光、調(diào)占空比調(diào)光等。在大功率高壓鈉燈中，由于聲諧振的頻率點(diǎn)較少，所以選用比較簡單的調(diào)頻方式。
三、結(jié)束語
基于LonWorks電力載波通訊技術(shù)構(gòu)建的城市路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)已成為城市路燈自動(dòng)化管理領(lǐng)域最理想的解決方案。在滿足系統(tǒng)高可靠、高穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)能夠可靠的完成上位機(jī)發(fā)出的指令，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)調(diào)光、多點(diǎn)調(diào)光和定時(shí)調(diào)光等，并且能夠準(zhǔn)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(jìn)控制網(wǎng)絡(luò)，LonWorks系統(tǒng)在沒有上位機(jī)操作的情況下，監(jiān)控子網(wǎng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)控制器可以通過特定的算法對各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè)定的程序自動(dòng)運(yùn)行。
