基于电力线载波通信的城市灯饰控制系统

易平波，刘志英，朱良学，叶运辉

(1.中国人民解放军96421部队 司令部，陕西 宝鸡 721012;2.南京工业大学城市建设与安全环境学院，江苏 南京 210009;3.解放军电子工程学院新技术应用中心，安徽合肥 230037)

电力线载波通信是利用输电线进行载波通信，即以电力网作为信道，实现数据传递和信息交换[1]。目前，路灯、景区灯饰、排水设施以及各种探测器等用电设施在城市生活中得到大量使用，实现其智能化的开关控制和防盗管理是急需解决的课题，这给电力线载波通信领域带来了极大的机遇和挑战。

20世纪20年代，有关研究开始通过电力线载波方式来传播网络信息，随着技术的不断进步和实际需求，20世纪90年代后期至今，低压电力线载波通信逐渐成为研究热点。但相关研究成果一直因成本太高，通信可靠性不高或缺乏可操作性等原因，无法实现大规模应用。基于无线接力和电力线载波通信的城市灯饰控制系统较好地解决了这些问题，大量的实验测试数据表明:系统工作稳定、安全可靠、操作性强、适用性广，已经在小范围内成功试运行。

1 系统组成

系统由两大部分组成:监控中心和监控群。监控中心和监控群通过无线通信模块构成一个有中心的监控网络，如图1所示。

图1 系统组成

监控中心包括一个监控主机(PC机)和一个无线调制解调器。为便于将无线调制解调器安装在合适位置，监控主机和无线调制解调器之间采用一种传输距离远且抗干扰能力强的差分总线连接，如图2所示。

图2 监控中心组成

监控主机为一PC机，加载专门开发的监控软件系统。软件系统包含监控界面和数据库等。操作人员通过监控界面可录入、察看、修改灯具的位置、类型、状态、编号等信息。监控软件系统控制界面，如图3所示。

图3 监控软件系统控制界面

监控软件采用轮询技术定时查询各群控中心，一旦发现问题，采用声音信息提醒监控人员注意，同时显示问题灯具信息，如损坏、开路(被盗)等信息。

监控群以供电柜为中心，包含一个群控中心和若干个监控链路构成。群控中心包含一个群控制器和一个无线调制解调器。群控制器通过无线调制解调器和监控中心通信，获得监控指令，报告监控结果。

每个监控链路包含一个主检测节点和若干从检测节点。主检测节点安装于控制柜供电支路上，负责支路上各个从检测节点状态信息收集。

从检测节点负责监控出口处灯具的电压、电流、通联等信息的采集。

主检测节点和从检测节点之间采用电力线作为通信介质，采用低速BFSK调制和前向纠错技术，通信可靠。无需改动原线路，即可实现监控功能，施工方便且成本低。

监控群的组成，如图4所示。

检测节点是监控功能的执行单元，它通过专用监测电路完成负载灯具的电压、电流、通联等信息的采集。从检测节点安装于灯具内，当存在工作电压，没有工作电流或电流过大时，即可判断负载开路或短路，即灯具损坏。

图4 系统单群组成示意图

当主监测节点和从监测节点失去通信联络，说明灯具连接开路，即被盗或线路损坏。从检测节点可立即打开内置的蜂鸣器报警。主检测节点则将信息通过群控中心报告给监控中心。

检测节点采用标准化设计，在硬件上不区分主、从检测节点，通过编程在功能上来区分。这样设计可降低生产、使用、连接和日常维护成本，也更灵活方便，其组成如图5所示。

2 系统工作原理

图5 检测节点组成

系统工作基于两个通信模块:无线通信及接力模块和电力载波通信模块。其系统工作原理，如图6所示，控制中心的主机通过无线网络与监控节点进行组网，结合接力技术实现较远距离通信，监控节点通过现有电力线路实现电力线载波通信控制灯饰等设施并及时反馈检测信息。

图6 系统工作示意图

2.1 无线通信及接力模块

无线通信中，无线调制解调器工作在ISM频段中433 MHz附近，传输距离相对受同相限制的电力载波通信较远，但还存在局限性，结合该系统的一个中心站和多个监控群结构，采用无线接力技术，提升了传输距离和可靠性。监控群随机地分布在中心站周围，有些用户离中心站较近，有些则较远。中心站给某一监控群发信息，可能该用户不在中心站的功率覆盖范围，其他监控群收到此信息，发现不是发给自己的，于是就转发该信息。经过一些监控群的接力，最后该监控群收到中心站的信息。信息的主要内容有:信息识别号、接力信息、数据和一些地址信息等。信息识别号是指给每个信息一个唯一的编号。接力信息包括接力号和一些其他信息，当信息首次由中心站或用户站发出时，其接力号为零。其他用户站收到该信息后发现不是发给自己的，对接力号加1后再转发出去。这样最终的用户站或中心站收到了接力号可能为0，1，2，…的信息。当用户站第一次收到该信息时，对其进行处理、回应或转发等。在给定的时间内，若用户再收到具有同样信息识别号的信息时，用户站将不再对其进行处理，只是简单地放弃[2]。

2.2 电力线载波通信模块

本设计采用意法半导体(ST)设计生产的新型电力线收发芯片ST7540，ST7540采用半双工同步/异步FSK通信方式，专为低压电力线数据传输而设计，较好地克服了低压电力线载波传输中的技术问题[3]。它比之前的ST7538尺寸更小、引脚更少，集成了单端功率放大器，带有可接入的输入输出线，可以和几个外接信号元件一起使用，作为可调谐有源滤波器的一部分，提供优异的线性功率性能，提供了更大的设计灵活性，降低应用的元件数量和成本。ST7540内部集成了发送数据和接收数据的所有功能，通过串口通信，可以方便与微处理器相连接。内部具有电压自动控制和电流自动控制功能，只要通过耦合变压器等很少的部件就可以直接连接到电力线上[4，5]。本设计中采用的微处理器是美国微芯(Microchip)公司的PIC16F690，其资源充足、简单适用、经济实惠。图7为ST7540应用电路图。

图7 ST7540应用电路图

3 关键技术

3.1 低压电力线通信技术

电力线载波通信(PLC，Power Line Communication)是指利用输电线路进行信息传输的一项技术。电力线虽然不是一种理想的通信介质，但随着技术的不断进步，特别是调制技术及微电子技术的发展，使得PLC走向实用化。本系统采用的载波通信基于一种低速的BFSK(二进制频移键控)技术，是目前电力线通信系统中最可靠的通信技术之一。

3.2 ISM频段无线通信及接力技术

本系统采用的无线调制解调器工作在ISM频段中433 MHz附近的免费频段内，采用窄带技术和GFSK(二进制最小相移频移键控)调制，无需申请执照，同时结合无线接力技术又进一步扩大了传输距离及通信效率，增加了通信可靠性。

3.3 差分总线技术

差分总线技术是一种抗干扰能力很强的有线通信技术，抗干扰能力强，传输距离远。

3.4 扩频编码和前向纠错技术

为了进一步提高系统可靠性，本系统对无线通道和电力线通信通道均采用扩频编码和前向纠错技术，可使传输可靠性提高10～100倍。

4 本系统的优势及应用前景

电力线载波通信是用电力线作传输媒介的载波通信，不需另外架设通信线路，电力线结构坚固，作为通信媒介使用可靠性高。同时，本系统与其他目前市场存在的类似产品相比，具有明显的优势。目前市场存在的其他类似产品，大都采用GPRS无线技术，报警方式为:通过公共电信系统发送短信，不但成本高，而且通信费用昂贵，难以实现普遍应用。

本系统应用前景广阔，由于可通过远程无线接力，实现远程控制和报警管理，通过组网和数据库建设，实现大面积大批量用电设备的控制管理，且随着技术的不断成熟和社会信息化建设的总体发展需求和趋势，可进行广泛组网，大规模推广应用。本系统在其它相关研究成果的基础上，有效解决了通信干扰大、可靠性不强等问题，为实现城市路灯等电力设施的统一自动化控制管理提供了解决方案。

[1] 吴发旺，王茜，何岩，等.电力线载波通信传输质量评价及其研究方法[J].电子质量，2007(7):33-35.

[2] 郭山红，萧润明.多级无线接力系统[J].通信技术，2002(4):26-30.

[3] 王作东.新型FSK电力线收发器ST7540及其应用[J].现代电子技术，2006，29(13):56-57.

[4] ST Microelectronics Group of Companies.ST7540 FSK Power Line Transceiver[Z].USA:ST Microelectronics Group of Companies，2006.

[5] 胡润生，吴继新.基于ARM和ST7540的城市路灯监控终端设计[J].自动化技术与应用，2007，26(1):111-121.