核心提示:LonWorks電力線載波技術非常適用于城市路燈監控系統。監控系統由三個部分組成: 路燈智能控制節點、LonWorks網絡控制器和路燈監控軟件。
關鍵詞：LonWorks，電力線載波，路燈控制，監控系統，智能節點
一、概述
目前，我國城市路燈系統主要依靠人工管理，需要工作人員定時開關燈， 且當路燈出現故障時，難以及時發現和有效處理。建設城市路燈智能監控系統，不僅能夠及時發現路燈的故障情況，減少人力成本，還能大幅降低路燈能耗，為城市節能降耗作出貢獻。
在路燈監控系統建設中，數據通信的技術路線主要有以下三種:
1、現場總線通訊技術，如RS485、CAN 總線等。此類方案技術上較為成熟，但是存在系統穩定性、可靠性不足，且需要布線施工，在改造項目中不易實施。
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，一般不會考慮。目前應用較多的是ZigBee通信技術。ZigBee是一種廉價的低速無線個域網，相對于藍牙通信具有價格更低、距離更遠、支持節點數目更多等優點。ZigBee 適合于網狀結構系統，采用DSSS /O-QPSK 調制，能夠有效克服無線傳輸中的多徑干擾問題，傳輸可靠性高；但路燈網絡中的所有節點分布在一條直線上，延伸至幾公里甚至幾十公里，并不是ZigBee 理想的拓撲結構。而且無線方式對環境的依賴性較大，在天氣惡劣的情況下會影響通信質量。因此ZigBee 技術應用于路燈監控系統的實際效果并不理想。
3、電力線通信技術。該方案以電力線為通信介質，減少了布線成本，而且對外部環境的依賴性較小，可靠性更高，與前兩種方案相比更加適用于路燈監控網絡。電力線通信分窄帶調制方式和寬帶調制方式。由于路燈監控系統需要傳輸的數據量較少，因而對傳輸速率的要求不高，窄帶PLC 技術就可以滿足通信要求；而寬帶PLC 技術則主要應用于大流量數據( 如多媒體數據等)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規范所規定的頻率范圍，所以在監控系統中一般不采用。早期的窄帶電力線通信一般采用簡單的模擬調制技術，其抗干擾能力不強，應用范圍有限。但是隨著信號檢測技術和DSP技術的發展完善，窄帶通信如BPSK (二進制相移鍵控技術)的抗干擾能力得到很大提高，將會更加適用于PLC網絡。
二、路燈監控系統原理
為實現路燈的優化管理，路燈監控系統需要收集每盞路燈的狀態和環境信息，匯集到電腦終端，集中優化處理后，控制每一盞路燈的輸出光通。整個系統的實現框圖如圖1 所示。
圖1 城市路燈監控系統框圖
圖1中，路燈監控系統主要包括路燈節點、i.Lon SmartSever以及在電腦終端運行的路燈監控軟件。路燈監控軟件通過因特網控制LonWorks控制網中的所有路燈節點； 每一個LonWorks控制網相當于一個因特網上的站點，配有一個IP地址， 通過訪問該IP地址， 實現對LonWorks控制網的訪問。
i. Lon SmartSever以主從方式管理Lon控制網，并能通過Ethernet接口或GPRS 通信模塊以撥號方式接入因特網。這樣，控制中心通過與i.Lon SmartSever進行數據交換，就可以對LonWorks控制網上的每個節點進行監控。此外，i.LonSmartSever帶有多個I/O端口，用于收集道路的環境信息( 照度、濕度等)，作為調光依據。
在監控中心，路燈監控軟件不斷巡查各個路燈節點的狀態，顯示每盞路燈的工作狀況和輸出功率，既能手動控制每個燈的光通，也可以根據一定的算法自動調整路燈照度。
以下情況可以采用自動調光，包括:
● 根據設定時間段調節照度， 如在后半夜時，調節到半載功率輸出。
● 根據天氣情況、不同時期的日照情況開、關燈或調節輸出光通。
● 根據特殊照明情況調節輸出光通。如城市隧道照明場合，為了避免進入或離開隧道時視覺上的不適應，單獨調節隧道口的路燈，讓其光通緩變。
● 根據特殊路段設定輸出光通。如在某一路段發生事故時，輸出最大光通，以便事故處理，同時提高道路安全。
三、路燈控制器節點設計原理
本系統設計的路燈節點包括電力線通信部分、智能電子鎮流器部分和高壓鈉燈部分，電力線通信部分和智能電子鎮流器部分通過I2C 接*換數據。其硬件電路實現框圖如圖2 所示。
圖2 路燈節點硬件框圖
（一）LonWorks電力線載波通信介紹
1、 硬件設計
電力線通信控制電路主要負責數據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的神經元芯片，內部集成有三個處理器單元和一個電力線收發器。電力線收發器采用窄帶BPSK 調制，且具有雙載波頻率，當主頻率受到干擾后，自動切換到預備頻率上工作，極大增強了系統抗干擾能力。
如圖3所示，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，經帶通濾波電路濾波后傳輸給PL3120，解調后得到通信數據。同時，PL3120 將發送數據進行BPSK 調制，功率放大后耦合到電網上。PL3120 通過TXSENSE 引腳采樣功率放大電路的輸出電壓，得到的值用來調整TXBIAS 引腳上的電流，從而控制發送功率。
圖3 電力線通信控制電路
為保證電力線通信電路的可靠工作，必須對高通耦合電路做優化設計，使高通耦合電路濾除50Hz市電分量的同時，具有較大的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，減小信號的衰減。圖3 中，電容C1、C2和變壓器T1組成發送通路，變壓器變比為1：1，起到隔離作用； 要減小發送通路的交流輸出阻抗，需要選擇較大的C1、C2。C2為隔直電容，可以取得大些；但是C1直接接在電力線上，增大容值會增大體積，增加損耗，因此在不增大C1的情況下，通過恰當設計變壓器的漏感Lk，與電容C1在載波頻率段產生諧振，減小輸出阻抗。在輸入通路中，C1和Lm濾除了50Hz 市電分量，而高頻信號分量通過C3和L2的諧振電路，將接收信號放大，得到較強的接收信號。實際電路中Lm取1mH，Lk取12μH，電容C1取0. 1 μF，C3取1.5nF，而L2取820μH。
2、軟件設計概述
LonWorks系統的最大優點是通信程序設計采用Neuron C語言。Neuron C在標準C的基礎上，提供了大量的硬件接口函數，只需調用相應的函數就可以使用該硬件資源；而且，節點間的通信通過網絡變量的綁定來實現，而通信過程完全由底層協議完成，方便了程序的開發。
電力線通信軟件實現框圖如圖4所示，系統定義了一個輸入網絡變量(i.Lon SmartSever對節點的控制命令)和一個輸出網絡變量(節點對i.Lon SmartSever 的返回數據)，并與i.Lon SmartSever上相應的輸出、輸入網絡變量綁定。發送數據時，改變本地輸出網絡變量，與之綁定的輸入網絡變量的值就會隨之改變，而數據的傳輸過程則完全由底層協議完成，極大簡化了程序的開發過程。
（本文僅作學習交流用，不得用于商業用途）
