核心提示:LonWorks电力线载波技术非常适用于城市路灯监控系统。监控系统由三个部分组成: 路灯智能控制节点、LonWorks网络控制器和路灯监控软件。
关键词：LonWorks，电力线载波，路灯控制，监控系统，智能节点
一、概述
目前，我国城市路灯系统主要依靠人工管理，需要工作人员定时开关灯， 且当路灯出现故障时，难以及时发现和有效处理。建设城市路灯智能监控系统，不仅能够及时发现路灯的故障情况，减少人力成本，还能大幅降低路灯能耗，为城市节能降耗作出贡献。
在路灯监控系统建设中，数据通信的技术路线主要有以下三种:
1、现场总线通讯技术，如RS485、CAN 总线等。此类方案技术上较为成熟，但是存在系统稳定性、可靠性不足，且需要布线施工，在改造项目中不易实施。
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。目前应用较多的是ZigBee通信技术。ZigBee是一种廉价的低速无线个域网，相对于蓝牙通信具有价格更低、距离更远、支持节点数目更多等优点。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、电力线通信技术。该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。电力线通信分窄带调制方式和宽带调制方式。由于路灯监控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。
二、路灯监控系统原理
为实现路灯的优化管理，路灯监控系统需要收集每盏路灯的状态和环境信息，汇集到电脑终端，集中优化处理后，控制每一盏路灯的输出光通。整个系统的实现框图如图1 所示。
图1 城市路灯监控系统框图
图1中，路灯监控系统主要包括路灯节点、i.Lon SmartSever以及在电脑终端运行的路灯监控软件。路灯监控软件通过因特网控制LonWorks控制网中的所有路灯节点； 每一个LonWorks控制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LonWorks控制网的访问。
i. Lon SmartSever以主从方式管理Lon控制网，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i.Lon SmartSever进行数据交换，就可以对LonWorks控制网上的每个节点进行监控。此外，i.LonSmartSever带有多个I/O端口，用于收集道路的环境信息( 照度、湿度等)，作为调光依据。
在监控中心，路灯监控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况和输出功率，既能手动控制每个灯的光通，也可以根据一定的算法自动调整路灯照度。
以下情况可以采用自动调光，包括:
● 根据设定时间段调节照度， 如在后半夜时，调节到半载功率输出。
● 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。
● 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。
● 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。
三、路灯控制器节点设计原理
本系统设计的路灯节点包括电力线通信部分、智能电子镇流器部分和高压钠灯部分，电力线通信部分和智能电子镇流器部分通过I2C 接*换数据。其硬件电路实现框图如图2 所示。
图2 路灯节点硬件框图
（一）LonWorks电力线载波通信介绍
1、 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。
如图3所示，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。
图3 电力线通信控制电路
为保证电力线通信电路的可靠工作，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。图3 中，电容C1、C2和变压器T1组成发送通路，变压器变比为1：1，起到隔离作用； 要减小发送通路的交流输出阻抗，需要选择较大的C1、C2。C2为隔直电容，可以取得大些；但是C1直接接在电力线上，增大容值会增大体积，增加损耗，因此在不增大C1的情况下，通过恰当设计变压器的漏感Lk，与电容C1在载波频率段产生谐振，减小输出阻抗。在输入通路中，C1和Lm滤除了50Hz 市电分量，而高频信号分量通过C3和L2的谐振电路，将接收信号放大，得到较强的接收信号。实际电路中Lm取1mH，Lk取12μH，电容C1取0. 1 μF，C3取1.5nF，而L2取820μH。
2、软件设计概述
LonWorks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。
电力线通信软件实现框图如图4所示，系统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.Lon SmartSever 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。
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