(海思自动化技术部LonWorks技术粉丝提供)

核心提示: 当前路灯监控系统采用的通信技术多种多样，本文介绍了各种通信技术方案的特点，分析LonWorks电力线载波通讯技术应用于路灯监控管理系统的优势，并提供了完整的路灯监控管理系统解决方案。系统由三个部分组成: 路灯智能控制节点、电力线网络控制器、和路灯监控管理软件。

一、引言

　　当前，我国很多城市的路灯系统主要是人工管理模式，需要工作人员定时开关灯，当路灯出现故障时，很难做到及时发现和有效处理。如果采用路灯自动化监控管理系统，不仅能够及时发现路灯的故障情况，减少大量的人力，还能节省路灯能耗，对城市的节能减排作出巨大贡献。

　　一般地，在路灯监控系统应用中，数据通信的方案主要有三种:

1、总线通讯技术 

    如RS485、CAN 总线等。该方案布线、施工复杂，对于改造路段实施起来难度较大。

2、无线通信方式

    包括GPRS、ZigBee 等方案。采用GPRS 通信方式成本太高，一般不会考虑。ZigBee 是一种廉价的低速无线个域网，通讯距离远、支持节点数目多等优点。ZigBee 适合于网状结构系统， 采用DSSS /O-QPSK 调制，能够有效克服无线传输中的多径干扰问题，传输可靠性高； 但路灯网络中的所有节点分布在一条直线上，延伸至几公里甚至几十公里，并不是ZigBee 理想的拓扑结构。而且无线方式对环境的依赖性较大，在天气恶劣的情况下会影响通信质量。因此ZigBee 技术应用于路灯监控系统的实际效果并不理想。

3、电力线载波通信( PLC，Power LineCommunication) 技术

电力线载波通信方案以电力线为通信介质，减少了布线成本，而且对外部环境的依赖性较小，可靠性更高，与前两种方案相比更加适用于路灯监控网络。

电力线载波通信分窄带调制方式和宽带调制方式。由于路灯监控管理系统需要传输的数据量较少，因而对传输速率的要求不高，窄带PLC 技术就可以满足通信要求； 而宽带PLC 技术则主要应用于大流量数据( 如多媒体数据等) 的高速传输，而且由于宽带通信所占用的带宽很宽，很容易超出CENELEC规范所规定的频率范围，所以在监控系统中一般不采用。早期的窄带电力线通信一般采用简单的模拟调制技术，其抗干扰能力不强，应用范围有限。但是随着信号检测技术和DSP 技术的发展完善，窄带通信如BPSK ( 二进制相移键控技术) 的抗干扰能力得到很大提高，将会更加适用于PLC 网络。

　　通过上述分析比较，本方案选择电力线窄带BPSK 通信方式作为城市路灯自动化监控管理系统的底层设备通信方案，并根据路灯系统的特点，提出了可行的系统网络结构，以及智能节点的设计。

二、系统设计

　　为实现城市路灯的优化管理，路灯管理系统需要收集每盏路灯的状态和环境信息，并存贮于监控中心数据库中，集中优化处理后，控制每一盏路灯的输出光通。整个系统的网络拓扑结构如图1 所示。

　　城市路灯监控系统主要包括路灯节点、电力线网络控制器、路灯监控管理软件。路灯监控管理软件通过因特网控制LonWorks 控制网中的所有路灯节点； 每一个LON 控制子网相当于一个因特网上的站点，配有一个IP 地址， 通过访问该IP地址， 实现对LON控制子网的访问。

　　电力线网络控制器以主从方式管理LON 控制子网，并能通过Ethernet 接口或GPRS 通信模块以拨号方式接入因特网。这样， 控制中心通过与网络控制器进行数据交换， 就可以对LON控制子网上的每个节点进行监控。此外，网络控制器带有多个I /O 端口，用于收集道路的环境信息( 照度、湿度、温度等) ，作为调光依据。

　　在监控中心，路灯监控管理软件不断巡查各个路灯节点的状态，显示每盏路灯的工作状太和电力参数，既能手动控制每个灯的光通，也可以自动调节路灯照度。

　　灯光自动控制策略有以下几种，包括:

1) 根据设定时间表调节光照度， 如在后半夜时，路灯调节到半载功率输出。

2) 根据天气情况、不同时期的日照情况开、关灯或调节输出光通。

3) 根据特殊照明情况调节输出光通。如城市隧道照明场合，为了避免进入或离开隧道时视觉上的不适应，单独调节隧道口的路灯，让其光通缓变。

4) 根据特殊路段设定输出光通。如在某一路段发生事故时，输出最大光通，以便事故处理，同时提高道路安全。

2 路灯智能节点设计方案

　　路灯智能节点包括电力线通信部分、电子镇流器部分和高压钠灯等三部分，电力线通信部分和电子镇流器部分通过I2C 接*换数据。

（一）电力线通信智能节点

　　（1）电力线通信控制电路硬件设计

　　电力线通信控制电路主要负责数据在电力线上的可靠传输，其主芯片采用Echelon 公司的PL3120，PL3120 是专用于电力线系统的神经元芯片，内部集成有三个处理器单元和一个电力线收发器。电力线收发器采用窄带BPSK 调制，且具有双载波频率，当主频率受到干扰后，自动切换到预备频率上工作，极大增强了系统抗干扰能力。

　　电力线通信控制电路包括高通耦合电路、功率放大滤波电路和PL3120 及其外围电路。 高通耦合电路提取市电线路中的高频信号，经带通滤波电路滤波后传输给PL3120，解调后得到通信数据。同时， PL3120 将发送数据进行BPSK 调制，功率放大后耦合到电网上。PL3120 通过TXSENSE 引脚采样功率放大电路的输出电压，得到的值用来调整TXBIAS 引脚上的电流，从而控制发送功率。

　　为保证电力线通信控制电路的可靠工作，必须对高通耦合电路做优化设计，使高通耦合电路滤除50Hz市电分量的同时，具有较大的输入阻抗和较小的输出阻抗，减小信号的衰减。

（2）软件设计

　　LonWorks网络系统的最大优点是通信程序设计采用Neuron C 语言。Neuron C 在标准C 的基础上，提供了大量的硬件接口函数，只需调用相应的函数就可以使用该硬件资源； 而且，节点间的通信通过网络变量的绑定来实现，而通信过程完全由底层协议完成，方便了程序的开发。

　　电力线通信软件定义了一个输入网络变量( i. Lon SmartSever 对节点的控制命令) 和一个输出网络变量( 节点对i. LonSmartSever 的返回数据)， 并与i. Lon SmartSever上相应的输出、输入网络变量绑定。发送数据时，改变本地输出网络变量，与之绑定的输入网络变量的值就会随之改变，而数据的传输过程则完全由底层协议完成，极大简化了程序的开发过程。

（二）电子镇流器

　　路灯智能节点中的电子镇流器部分采用普通的两级拓扑结构，前级PFC 电路加后级半桥逆变和谐振触发电路， 并且通过中央处理器电路、采样电路和调光电路收集镇流器的状态信息，并根据命令调光。

　　电子镇流器有多种调光方式，调频调光、调母线电压调光、调占空比调光等。在大功率高压钠灯中，由于声谐振的频率点较少，所以选用比较简单的调频方式。　　　　

三、结束语

　　基于LonWorks电力载波通讯技术构建的城市路灯监控管理系统已成为城市路灯自动化管理领域最理想的解决方案。在满足系统高可靠、高稳定运行的同时，系统可实现对各个路灯节点能够可靠的完成上位机发出的指令，实现单点调光、多点调光和定时调光等，并且能够准确收集自身的状态信息，显示到电脑上。作为分布式控制与集中管理的先进控制网络，LonWorks系统在没有上位机操作的情况下，监控子网运行的网络控制器可以通过特定的算法对各个路灯节点根据设定的程序自动运行。