（测试计量技术及仪器专业论文）基于电力线载波的智能路灯监控系统的通讯方法研究和软件程序编写.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 籍姘 日期：幽，汐年岁月够日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 靴做储：箱嘶 醐：加月蜘 摘要 摘要 随着城市建设的发展，城市照明建设越来越注重于城市的形象，道路照明 和景观照明的要求和数量不断增加，与此同时能源紧缺也成为当代社会急需解 决的问题。对于道路照明而言，我们可以从两方面考虑减少对电能的不必要浪 费，一是灯具，二是照明控制系统。l e d 作为一种具有节能、环保、寿命长等 特点的新型绿色光源在城市道路照明上的应用日趋普遍，而智能照明控制系统 更是种类繁多，实际应用也不乏实例。基于上述两点，我们结合l e d 自身特性， 设计了一套智能路灯监控系统。该系统采用三层结构，两级通信的模式。论文 分析了当前照明控制系统的发展，提出了系统总体的设计方案，重点讨论了路 灯控制器至集中控制器的通信方式、通信协议，完成了系统下位机部分的软件 设计。 第一章介绍了课题研究背景和意义，简述了l e d 技术和当前照明控制系统 的发展现状，最后说明作者的主要工作。 第二章分析比较了现有通信方式，重点介绍了电力线载波通信技术和g p r s 通信技术。综合各方面因素，设计了三层结构，两级通信机制的智能照明监控 系统。 第三章分析了电力线载波通信信道的噪声、阻抗、衰减等特性，总结出电 力线载波信号的传输距离随着输电网负荷的变化而呈现时变性和随机性。 第四章根据不同的电力线信道环境设计了两种不同的路由算法，重点介绍 了蚁群算法和基于蚁群算法设计的动态更新路由算法。 第五章介绍了目前常用的几种电力线载波通信协议，并在此基础上参照 o s i 模型设计了本系统路灯控制器至集中控制器的通信协议。设计了系统下位 机部分的软件程序。 第六章对全文设计工作归纳、总结，并对今后的工作做展望。 关键词：智能路灯监控系统，l e d ，电力线载波 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n i z a t i o nc o n s t r u c t i o n si no u rc o u n t r y , u r b a n l i g h t i n gb u i l d i n gm o r ea n dm o r ef o c u so nt h ec i t y si m a g e ，t h er e q u i r e m e n t sa n dt h e n u m b e ro ft h el i g h t i n g sa r ei n c r e a s i n g , a tt h es a m et i m ee n e r g ys h o r t a g eh a sb e c o m e u r g e n tp r o b l e m so fc o n t e m p o r a r ys o c i e t y f o rr o a dl i g h t i n g ，w ec a nc o n s i d e rt w o a s p e c t st or e d u c ee n e r g yw a s t e ，o n ei st h el a m p ，a n dt h eo t h e ri st h el i g h t i n gc o n t r o l s y s t e m a sa ne n e r g ys a v i n g , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dl o n gl i f ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h eg r e e nl i g h t ，l e dl i g h t i n gh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp o p u l a r t h el i g h t i n g c o n t r o ls y s t e m sa r eaw i d er a n g eo f , t h e r ea le m a n ya p p l i c a t i o ne x a m p l e s b a s e do n t h ea b o v et w op o i n t s ，w ec o m b i n et h el e d so w n c h a r a c t e r i s t i c s ，d e s i g n e das e to f i n t e l l i g e n tl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c ea r ei n t r o d u c e d ；t h e l e d t e c h n o l o g ya n dt h ec u r r e n tl i 曲t i n gc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n ta r ed e s c r i b e d a tl a s t ，t h ea u t h o r sm a i nw o r ki ss h o w e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ee x i s t i n gm e a n so fc o m m u n i c a t i o na lea n a l y z e d ，t h e p l c t e c h n o l o g ya n dg p r sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya r ef o c u s e d o nt h eb a s i so f a l lf a c t o r s ，t h es y s t e ms t r u c t u r ew h i c hc o n s i s t so ft h r e el a y e r si nh a r d w a r ea n dt w o c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m si sb u i l d i nt h et h j r dc h a p t e r , t h ef e a t u r eo fn o i s e ，i m p e d a n c ea n ds i g n a la t t e n u a t i o no f t h ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e la r e a n a l y z e d t h ec o n c l u s i o no ft i m e v i b r a t i o na n dr a n d o m n e s si sd r a w n i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t oc o p ew i t ht h ed i f f e r e n c eo fp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t ，t w or o u t i n ga l g o r i t h m sa r ed e s i g n e d t h ea n tc o l o n ya l g o r i t h ma n dt h e d y n a m i cu p d a t er o u t ea l g o r i t h mw h i c hb a s e do nt h e a n tc o l o n ya l g o r i t h ma r e f o c u s e d i nt h ef i f t h c h a p t e r , t h ec u r r e n tp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa r e i n t r o d u c e d r e f e r e n c et oo s im o d e l ，t h ep r o t o c o lf o rl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e d o np l ci sd e s i g n e d t h es o f t w a r eo fm a s t e ra n dt e r m i n a la r ed e v e l o p e dw h i l e i i a b s t r a c t e m p h a s i si sp l a c e do np o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e i nt h e s i x t hc h a p t e r , t h ew o r ko ft h ed i s s e r t a t i o na n df u t u r er e s e a r c ha r e s u m m a r i z e d k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tr o a dl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m ，l e d ，p l c i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v l 绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2l e d 技术概述2 1 3 路灯监控系统的现状和发展2 1 4 作者的主要工作3 2 智能路灯监控系统的总体方案设计4 2 1 引言4 2 2 现有通信通道方式的比较和选择4 2 3 电力线载波通信技术5 2 4 现有电力线载波通信系统的层次分析。6 2 5g p r s 通信技术7 2 6 智能路灯监控系统总体结构9 3 电力线信道特性分析12 3 1 引言12 3 2 信道特性分析1 2 3 2 1 噪声特性分析1 2 3 2 2 阻抗特性分析1 4 3 2 3 衰减特性分析1 5 3 2 4 信道特性总体分析1 6 i v 目录 4 智能路灯监控系统路由算法设计17 4 1 引言1 7 4 2 静态更新路由算法18 4 3 动态更新路由算法2 0 4 3 1 蚁群算法概述2 0 4 - 3 2 蚁群算法的模型2 2 4 3 3 路由信息表建立2 4 4 3 4 路由实现2 6 5 电力线载波通信协议和下位机软件程序设计3 4 5 1 通信协议设计3 4 5 1 1o s i 开放式系统互连参考模型3 4 5 1 2 常用电力线载波通信协议3 5 5 1 3 路灯智能控制系统的通信协议的设计3 8 5 2 系统软件设计4 2 5 3 1 载波通信程序设计4 2 5 3 2 集中控制器程序设计4 5 5 3 3 路灯控制器程序设计5 l 6 总结与展望5 4 6 1 课题总结5 4 6 2 未来展望5 4 致谢5 6 参考文献5 7 攻读硕士期间发表论文6 0 v 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 当前巨大的能源消耗和由此引起的能源短缺、价格上涨等已使得节约能源 成为一项十分迫切的任务。国家“十一五计划”提出“要把节约资源作为基本 国策”，首次提出十一五期间单位国内生产总值能源消耗降低2 0 左右的目标。 原建设部在“十一五 城市绿色照明工程规划纲要中明确提出，2 0 0 6 到2 0 1 0 年累计节电要达到2 5 。 在能源短缺、污染严重的时代，l e d 作为一种具有节能、环保、寿命长等 特点的新型绿色光源应运而生、倍受重视。为缓解能源紧张，上世纪9 0 年代中 叶，日本政府继则美国政府后从财政上支持本国技术界和工业界推动固态照明 的开发。我国政府( 以科技部为首、包括能源部、经贸委、信息产业部等，以及 各地方政府) 也大力支持和资助l e d 的研发。2 0 0 9 年初，为了扩大内需，推动 中国l e d 产业的发展，降低能源消耗，中国科技部推出“十城万盏”半导体照 明应用示范城市方案，该计划涵盖北京、上海、深圳、武汉、郑州等2 1 个国内 发达城市，规模和力度上完全可以同美国的“固态照明计划”、欧洲的“彩虹计划” 和同本的“2 1 世纪照明计划”等相提并论。这一计划的实施将有效引导我国半导 体照明应用的健康快速发展。 城市市政建设日新月异，宽阔的街道，各种各样的路灯不仅给城市带来了 光明也增添了夜间魅力。一方面，社会对亮灯率和维护及时性要求不断增强， 另一方面，路灯控制范围同益扩大，管理难度越来越大，成本越来越高，传统 的路灯控制与维护手段己远远不能适应城市现代化发展的速度。如何建立一个 高效，可靠的智能路灯监控系统，这是需要探究的一个课题。 本课题j 下是基于l e d 冷光源道路照明而设计的智能路灯监控系统，利用计 算机实现对单个路灯的遥测、遥控、遥信功能，从而有效解决现有的道路照明 管理系统普遍存在着难以反馈路灯状态信息、没有适时开关灯、基本没有节电 1 绪论 效果、光污染等问题，使得l e d 路灯能够达到更为节能的效果。 1 2l e d 技术概述 l e d 是发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 的简称。顾名思义，发光二极 管是一种可以将电能转化为光能的电子器件并具有二极管的特性【l 】。作用于一 般照明的白光l e d 的提出历经十余年磨练，发展迅速。 在节能方面，l e d 具有直流驱动，超低功耗( 单管 0 1 w ) 等特点，相比 传统光源，l e d 光源接近点光源，单相发光，好配光，光效利用率甜2 1 。就平 均照度来讲，一盏5 0 瓦的l e d 灯亮度可与1 0 0 瓦的高压钠灯相当，如果就点 照度来讲，那要更高。相同照明效果比传统光源节能5 0 以上( 以实际应用产 品为例) 。 l e d 光源为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存 在灯丝发光易烧、热沉积等缺点【2 1 。当光通量衰减到7 0 时，其寿命达到了5 0 0 0 0 小时，高压钠灯的寿命是1 0 0 0 0 - - , 2 0 0 0 0 小时。 而它的环保效益更佳，发光颜色纯正，不含有紫外和红外的辐射，而且不 含汞元素，没有污染，废弃物可方便回收。 冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源p 】。 1 3 路灯监控系统的现状和发展 从1 8 7 9 年白炽灯的发明使人类进入电光源的照明时代起，各国消耗的能源 中很大一部分用于照明。目前，照明消耗约占整个电力消耗的2 0 左右，降低 照明用电是节省能源的重要途径。在我国，城市公共照明( 主要是道路照明和 景观照明) 消耗占总耗电量的3 0 。大量公共照明设备处于传统的钟控，人工 巡检的管理模式，造成故障时得不到及时的维修、晚上该亮灯时不亮，白天还 有亮灯等现象，不仅给人们的生活带来不便，还浪费了大量资源。 我国从上个世纪八十年代开始将监控技术应用于城市道路照明领域。经过 2 l 绪论 十几年的发展，国内已有多种路灯远程监控系统软件投入使用，在很多城市， 路灯照明计算机远程控制系统已经做到了三遥( 遥控、遥测和遥信) ，甚至是五 遥( - - 遥加遥调和遥视) 。实现远程控制的途径，大致经历了四个阶段【4 】： ( 1 ) 八十年代末采用2 2 0 v 强电有线的控制方式； ( 2 ) 九十年代初期到中期利用电力线、电话线载波的控制方式； ( 3 ) 九十年代中期到末期采用2 3 0 m h z 专用频道进行无线数传控制方式； ( 4 ) 二十一世纪初期至今采用中国移动、中国联通的短消息s m s 和 g p r s c d m a 无线公网进行数据传输的方式和2 3 0 m h z 数传控制方式。 1 4 作者的主要工作 传统的照明控制方式以远远不能满足现代社会的需求，基于节能、智能管 理等方面的需求，并结合l e d 节能、高效的特性，本文设计了一套较为完善的 路灯智能控制系统。作者在系统的设计中所做的工作主要是： ( 1 ) 参与了整个系统的框架规划与系统下位机硬件部分的部分设计工作。 ( 2 ) 独立完成了系统下位机软件设计的主要任务：集中控制器的程序设计，电 力线载波通信的通信协议设计和程序设计，路灯控制器的程序设计。 3 2 智能路灯监控系统的总体方案设计 2 智能路灯监控系统的总体方案设计 2 1 引言 路灯控制设备一般有以下几个特征：一是分布面广并且比较分散；二是数 量很多，在大中城市往往要达上万个控制点；三是所处环境条件恶劣，设备处 于室外，高温，低温，潮湿，灰尘等不利因素严重影响设备运行；四是对信号 传输的实时性要求不高；五是每次传输的信息量不大。 所以要实现对路灯设备的可靠监控，关键问题是两个：一是通信的问题， 即如何建立一个和众多路灯设备进行可靠通信的通信网络；二是监控设备自身 的可靠性。监控设备自身可以通过提高硬件精度，完善软件功能等方面提升其 可靠性。下面我们着重分析通信问题。 2 2 现有通信通道方式的比较和选择 实现远程控制的途径有很多，根据数据传输介质的不同分为有线传输和无 线传输两类。有线传输方式有如：电力线载波、r s 4 8 5 现场总线和a d s l 等。 无线传输方式有如：v h f u h f 无线数据传输电台、微波扩频通信、g s m 短消 息通讯、z i g , b e e 无线网络以及卫星通信网等。 以上每种方法都有不同的特点。电力线载波最大特点是不需要重新架设网 络，只要有电线，就能进行数据传递。但是配电变压器对电力线载波信号有阻 隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送； r s - 4 8 5 总线具有通信效率高、可靠性好等优点，但是当用于大容量系统时，工程造价 太高。a d s l 技术的主要特点是可以充分利用现有的电话线网络，在线路两端 加装a d s l 设备即可为用户提供高宽带服务，并且可以与普通电话共存于一条 电话线上而又互不影响。但是它对距离和线路情况十分敏感，随着距离的增加 和线路的恶化，速率会受到影响。 相比各种有线通讯方式，无线传输方式有其特有的适用于远程测控领域的 4 2 智能路灯监控系统的总体方案设计 优点【5 1 。 ( 1 ) 成本廉价 ( 2 ) 建设工程周期短 ( 3 ) 适应性好 ( 4 ) 扩展性好 ( 5 ) 设备维护上更容易实现 通过上述比较可以看出，有线传输方式与无线传输方式各有利弊，其主要 关注点在系统造价和通信可靠性的问题，在系统设计时应按照不同地区环境、 不同功能要求区别对待。 一个真正的路灯智能控制系统首先应当结合当地条件做到造价适中、通信 稳定可靠、对辖区范围内所有路灯具有监测、管理、控制的能力，并要具有扩 容方便的功能。 要实现对单盏路灯的监控，如果采用无线通信方案，需要在每一柱灯座内 安装无线通讯模块，体积不容许，造价也高；a d s l 通信前期较多，但每年的 电话月租费和通话费却太高；专用线通信方案，造价高且不便于系统扩展。鉴 于对上述各种通信方式的比较，本设计采用电力线载波通信技术，利用路灯原 有的供电电缆作为通信网络可对单盏路灯进行实时监控和管理。 2 3 电力线载波通信技术 电力线载波通信技术，英文简称p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) ，是指利 用电力线网作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的一种技术【6 】。 电力线载波通信技术出现于本世纪二十年代初期，它以电力线路为传输通 道，具有可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等得天独厚的优点，我 国在上世纪五十年代开始了电力线载波技术的研究，并成功应用于电力行业， 近年来随着数字电子技术的发展，p l c 技术也开始向数字化发展，在水、煤气、 电表的远程自动抄表应用已实用化。 5 2 智能路灯监控系统的总体方案设计 但是由于电力线是用来传输电能的，其上感性负载或容性负载随机地接入、 断开，会引线路阻抗的大范围变化，造成收、发信机的输出阻抗和输入阻抗很 难和线路的阻抗相匹配，信号衰减严重；另外电力线上的高削减、高噪声、高 变形，使电力线成为一个不理想的通信媒介；特别是我国普遍存在用户庞大、 接线方式不一致、屏蔽不好、电气设备的电磁兼容标准低等问题，更加重了电 力线载波通信的不可靠性【。7 1 。 为了排除以上所述的各类干扰，选择适合电力网络环境的通信技术是关键。 在目前电力线载波常用的传输方法可以分为两大类【8 】：一类是窄带通讯方式。 这种方式的优点是成本低廉并且较为容易实现，缺点是不能抵抗带内干扰；另 一类是基于扩展频谱载波( s s c ) 的宽带通讯方式。这种方式能够在一定程度 上克服窄带噪声的干扰，但是有限的扩频增益对于较大功率的窄带干扰仍然无 能为力。目前我国已有多家公司专业从事相关p l c 模块设计和生产，电力线载 波芯片的性能也在快速得到提高，因此我们只需要选择合适的产品，就可以像 一般的局域网络那样搭建基于电力线载波通讯的网络。 2 4 现有电力线载波通信系统的层次分析 层次结构对于任何系统都具有重大意义，合适的层次结构是系统内部各个 部分进行高效协调工作的前提，还能在很大程度上简化系统的设计，节约成本。 目前包含电力线载波技术的系统一般均采用以下三种层次结构： ( 1 ) 由主机和终端组成的两层结构。系统包括一台负责集中控制、数据处理 功能的主机和若干台负责监测、采集数据功能的终端，两者通过加载到电力线 上的载波信号直接通信，如图2 1 所示。 图2 1 简单两层结构的电力线载波通信系统的层次结构示意图 6 2 智能路灯监控系统的总体方案设计 ( 2 ) f l 了2 t 机、集中器控制器和终端组成的三层结构。系统包括一台主机、若 干台设置在主机和终端之间的集中器以及若干台终端。其中集中器控制器负责 将来自终端采集的数据整理汇总后转发至主机和将来自主机的命令转发至终 端，如图2 2 所示。 图2 2 三层结构的电力线载波通信系统的层次结构示意图 ( 3 ) 通信系统中电力线载波通信技术和其它通信技术混合使用，不同技术跨 越系统不同层次。信息通过不同的通信技术方案接力传递，电力线载波技术只 作为其中的一级。 2 5g p r s 通信技术【9 】【i o 】【i l 】【1 2 1 g p r s 通用无线分组业务，是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，提 供端到端的、广域的无线i p 连接。通俗地讲，g p r s 是一项高速数据处理的技 术，方法是以“分组”的形式传送资料到用户手上。g p r s 允许用户在端到端 分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从 而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性 的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。 g p r s 引入了分组交换的传输模式，使得用户只有在发送或接收数据期间 7 2 智能路灯监控系统的总体方案设计 才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资 源的利用率，数据理论传输速率高达1 7 0 k b s 。 g p r s 无线通信方式的优点： ( 1 ) 覆盖地域广，目前移动通信网在全国的覆盖率9 5 以上，非边远地区覆 盖率几乎1 0 0 。g p r s 用户可随意分布和移动自己的网络点，无须担心线路的 维护或有线通信方式在移机时导致的通讯中断。建设新的监控点无需进行拉线， 埋线等工作。较光纤，专线系统投资较少，设备安装方便。通信距离远，在任 何场合都可以设中心站。覆盖较好，比较很多无线数据网络( 集群，双向传呼， c d p d ，c d m a ) 而言，其网络覆盖是最好的。 ( 2 ) g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。由于g p r s 网本身就是一个分组型数据网，支持t c p i p 、x 2 5 协议，因此无需经过p s t n 等网络的转接，直接与分组数据网( i p 网或x 2 5 网) 互通，接入速度仅几秒钟， 快于电路型数据业务。采用t c p i p 协议，较以前的无线数据网络( 集群，双向 传呼，g s m 短信息) 而言，网络接入更加直接方便。 ( 3 ) 网络可靠性高。首先网络有较大的冗余设备及信道；其次设备复用；再 次，一旦基站在特殊情况下损坏，移动公司抢修非常及时。 ( 4 ) 稳定性好，一方面抗自然干扰的能力强；另一方面频段专用，不会受到 人为干扰。g p r s 能最好地支持频繁的、少量突发型数据业务。通信质量稳定 可靠，永不掉线。 ( 5 ) g p r s 资费便宜，计费合理。g p r s 资费包月比有线电话网络资费还便 宜。路灯监控数据采集业务没有大数据量的信息传输，不必要采用资费很高的 专线( d d n 、帧中继) 。g p r s 还可根据通信的数据量和提供的服务质量进行 计费。在g p r s 网中，用户只需与网络建立一次连接，就可长时间的保持这种 连接，并只在传输数据时才占用信道并被计费，保持时不占用信道不计费。这 样，营业点即不用频繁建立连接，也不必支付传输问隙时的费用。 8 2 智能路灯监控系统的总体方案设计 2 6 智能路灯监控系统总体结构 基于上述讨论结合目前城市道路照明的发展状况，本课题的要求主要为： 通过计算机监视所控区域内的路灯工作状态，可随时设定开关时间、路灯开启 比例或单独一个路灯的开与关；能反应系统内所有路灯工作情况，给出系统维 护的信息，包括亮灯率，电压，电流，开关状态等；系统能够自动分析系统故 障，给出故障相关信息，以便于快速维修；能按需要分不同路段、不同区域， 不同季节和天气变化，配置不同的运行方案以完善的控制功能；造价适中，扩 容方便，施工简捷等。因此本课题设计了一套以现代的g p r s g s m ，电力线 载波为数据传输媒介，电子地图信息系统( g i s ) 、现代网络通讯技术相结合的综 合管理系统。 具体的方案是：整个路灯控制系统由监控终端、集中控制器、路灯控制器 和路灯组成。 无线网络 图2 3 智能路灯监控系统 9 躺 一一一一 2 智能路灯监控系统的总体方案设计 ( 1 ) 监控终端 本系统的上位机即监控终端放在城市路灯管理部门，由上位机监控软件组 成，能够显示路灯状态( 电压、电流、功率和功率因数) 信息，能够远程控制 路灯的开关和调节路灯的亮度，可以实现时序调度事件、读取数据记录、监视 事件和报警应答等操作，同时具备地形图管理、输入编辑、设备管理、日常管 理、辅助分析、报表管理等功能。 供监控人员监控网络运行状况、查看组网状况( 路由状况、通信成功率等) 、 执行诸如发起组网命令等多种功能，监控人员凭此可及时了解网络的通信状况， 及时调整集中器的各项配置：软件还可为受控装置提供集中的网络访问、控制 和安全性检查，可以根据需要随时添加、移除、删除和更改受控装置和目标设 备的设置。通过路灯监控系统软件，可以定期访问每个集中器产生的数据，及 时处理报警信息，管理软件负责将新的或临时调度程序立即下载到各个集中器 中去，还可以对单灯控制器进行升级等。 本文中将不涉及上位机部分，主要针对下位机，即集中控制器和路灯控制 器部分着重分析，设计。 ( 2 ) 集中控制器 集中控制器在本系统中起上传下达的作用。以单个配电变压器为范围安装 集中控制器，在每盏路灯上安装路灯控制器方便实现单灯控制。如果集中控制 器与监控终端通信出现故障，或者只启用集中控制器和路灯控制器组成的区域 小系统，它也可以独立运行。在主控制室与集中控制器之间采用g p r s 通信， g p r s 通信方式容易实现高速数据传输、长时间在线，并且可获得按流量收费的 低资费方式，硬件投资少，对地域要求相对也较低。 集中控制器主要由m c u 、电源电路、时钟模块、人机接口模块、g p r s 通信模 块、电力线载波通信模块、电能表模块等组成。主要负责的是辖区范围内所有 路灯的丌关，并将路灯控制器采集的路灯相关参数发送至上位机，按照既定时 间执行控制命令等。 1 0 2 智能路灯监控系统的总体方案设计 图2 3 集中控制器框图 q ( 3 ) 路灯控制器 路灯控制器的作用就是根据集中控制器的命令采集路灯运行参数，个别路 灯控制器还起到路由节点的作用，以保证集中控制器发送的信号由于各种原因 不能到达目标路灯控制器时，实现信号可靠传输。在集中控制器与路灯控制器 之间则采用电力线载波通信技术，采用电力载波技术的最大的好处就是不需要 再铺设通信电缆就可容易地实现对每盏灯的检测，减少了通道建设的费用。 路灯控制器由下列部分构成：m c u 、电源电路、电力线载波通信模块、电流 电压信号采集电路等。 图2 3 路灯控制器框图 3 电力线信道特性分析 3 电力线信道特性分析 3 1 引言 电力线是给用电设备传送电能的，不是专业的数据通信介质，所以用电力 线来传送数据时会存在一些问题，其上连接的各种负荷均会对其通信产生影响， 包括自用电设备产生的多种噪声，以及由于负荷的种类和强度不同而产生的对 输电网的阻抗特性和衰减特性的改变。 本论文主要研究的内容为低压电力线载波通信，以后各章如未加特别说明， 电力线均指低压电力线，即通常所说的2 2 0 w 5 0 h z 的电力线路。 3 2 信道特性分析 对于所有的通信信道，阻抗、信号衰减和干扰是决定其性能的基本参数。 电力线载波通信信道特性主要包括如下三个方面的内剥”】：信道在信号接 入点的输入阻抗特性、信号在传输过程中信道对信号的衰减特性以及各种电气 设备所引起的噪声干扰特性。前两者制约信号的传输距离，后者决定数据传输 的质量。 3 2 1 噪声特性分析 对于低压电力网的干扰特性，分别对不同的地域( 城市、工业区、乡村) 做了大量试验，结论是可以用带加性干扰噪声的时变线性滤波电路作为低压电 力线的基本参考模型。但电力线上的噪声在室内和室外是有区别的【9 1 。 室内噪声：室内电力线的噪声可分为背景噪声和脉冲噪声，并在 1 0 , , 1 0 0 m h z 的频率内，噪声功率谱密度以2 9d b m h z 幅度衰减。各种干扰噪声 主要来源于4 个方面：晶闸管( s c r ) 和一些电源电路产生的5 0 h z 的倍频谐波； 由负载和电网不同步而产生的具有平滑功率谱的干扰，如普通电动机产生的干 扰；开关电子设备产生的单脉冲噪声；非同步周期的噪声，如电视机的行扫描 1 2 3 电力线信道特性分析 频率。背景噪声是典型离散高斯型的，它对通信系统的影响具有高斯噪声的共 性。其余就是脉冲噪声，它对通信系统有着重要的影响，可以产生突发干扰， 引起瞬间的高误码率。研究表明： ( 1 ) 脉冲噪声的强度一般比背景噪声高1 0 d b ，有时可达4 0d b ，这种干扰与 干扰源至接收器的距离有关； ( 2 ) 主要的脉冲干扰频率为1 0 0 h z ，且和5 0 h z 的电源电压的正或负半周期 同步； ( 3 ) 脉冲宽度约有百分之几的变化( 1 0 0 h z 脉冲噪声) ； ( 4 ) 脉冲的宽度和间隔时间与脉冲幅度有关，一般幅度增加时宽度减少； ( 5 ) 干扰噪声和信号一样都会有衰减，尤其在衰减较大时，靠近接收机的噪 声源影响最大。 室外噪声：对于室外电力线的传输特性也做了研究，并且仍以带干扰的时 变线性滤波模型来描述电力线的特性。其干扰噪声分为四种类型： ( 1 ) 具有平滑功率谱的背景噪声。这种类型噪声通常由与电源频率不同步的 用电设置产生，如搅拌机、电钻、电锯等。这种类型噪声的功率谱密度是频率 的减函数，其平均值【1 5 】为： n 驴) = 1 0 肛3 p 铡旷f ( w k h z ) ( 3 1 ) 其中k 和时间及发送、接收的位置有关，白天，k 一般数秒到数分钟保持 不变，夜晚甚至可达数小时不变。对于电力线数据通信，如果频带较窄，可将 这类噪声看作白噪声。 ( 2 ) 单脉冲噪声。由开关操作引起，一般持续时间远小于1 2 1 5 m s ；9 8 以上 这种干扰脉冲和人们的活动关系很大，白天脉冲干扰相对多一些，尤其在0 7 - 0 0 0 9 ：0 0 和1 9 ：0 0 - - 0 0 0 0 的时间段内； ( 3 ) 与电网频率同步的噪声。主要由晶闸管( s c r ) 产生。在6 0 9 5 k h z 的 频率段内，其功率谱密度为7 0 d b k h z ； ( 4 ) 和电网无关的窄带干扰，主要由其他电器辐射引起，测量表明，其功率 1 3 3 电力线信道特性分析 谱密度一般为6 0 9 0 d b l ( h z ； 电力线传输信号对相位的影响，测量结果表明，当电器的电磁兼容性控制 符合国家标准的前提下，通过2 5 0 m 的电力线，正弦波的相移小。我国电力网 的实际干扰要比国家标准大得多，电力线的实际通信环境也更加恶劣。 3 2 2 阻抗特性分析 输入阻抗是表征电力线传输特性的重要参数。低压电力线的输入阻抗是信 号发送装置和信号接收装置驱动点上电力网的阻抗，它直接影响了信号耦合的 效率，如果载波耦合电路与线路特性阻抗匹配就能最有效地传送能量【1 6 1 。 理论上，在没有负载的理想情况下，电力线是一条阻抗均匀分布的传输线， 在分布电感和分布电容的影响下，输入阻抗应该随着频率的增大而减小：而当 电力线上有负载时，所有频率的输入阻抗都会减小【1 7 1 。但是，由于负载类型的 不同，使不同频率的阻抗变化也不同，实际情况非常复杂，并不符合一般想象 下的随频率的增大而减小的变化规律，甚至与之相反。 图3 1 用对数图绘出了实测的输入阻抗与频率的关系数据，图中两条曲线 是在同一个低压电力线的不同地点测得的。z 为阻抗。 l g1 0 、 吣 l o 1 l 2 7 54 5 06 2 5 毫 9 7 s l 姚 图3 1 输入阻抗与频率的关系 由图示可知，在实验所测的频率范围内，输入阻抗z 随频率f 的变化并不 符合输入阻抗与频率的关系一般想象下的增大而减小的变化规律，甚至与之相 反。而且，电力线上的输入阻抗随着频率的变化而剧烈变化，可以从o 10 变 到1 0 00 ，变化范围超过了1 0 0 0 倍【1 引。 1 4 3 电力线信道特性分析 电网上负载随机的接入、切出，电动机的停运、启动，家用电器的开、关， 功率因数补偿电容的接入、撤除等原因，导致电力线上的输入阻抗随用电负荷 的变化而产生变化，而网络的负荷分布( 特别是靠近发送装置的负荷) 不同， 也将会极大程度上影响输入阻抗的大小【1 9 】。还有研究表明，输入阻抗的变化随 着测量点之间距离的不同而改变【2 0 】；容性负荷( 如电视) 常常会引起低压输 电网上的谐振，而这些谐振会使得低频下输电网的阻抗变得不可预测；电阻性 热负荷也会在低频时造成较大的输电网阻抗变化【2 l 】。 3 2 3 衰减特性分析 低压电力线一般由铜或其他的良导体加工而成，其本身的阻抗很小( 根据 导线的电导率和截面积不同而不同) 。对不同频率的信号，其阻抗略有变化且相 对稳定。因此，电力线本身的阻抗不是产生衰减的主要原因。显然，电力线紧 连着的许多负载对信号衰减影响很大，尤其是那些用于调整电网功率因数的大 电容，对几百千赫兹的载波通信信号来说，相当于短路。另外，当负载很小的 时候，发送耦合电路的内阻也是不可忽视的，它会分去相当一部分的功率。通 。信过程中的信号衰减由两部分组成：一是信号发送装置与信道间的耦合衰减； 二是信号在信道中传输时的衰减。理论上，只要在硬件设计时进行考虑完全， 耦合衰减可以忽略，这样衰减就主要决定于信道的传输衰减【1 8 】。 实验表明，输电网的衰减特性具有以下特点： ( 1 ) 信号衰减是距离的函数。一般是4 0 - 1 0 0 d b k m ；在农村的衰减最大，5 0 0 m 就可以达5 0 d b ；在城市2 5 0 m 大约2 0d b ；在郊区2 5 0 m 亦能达到2 5 d b ；但在 工业区衰减较小，7 5 0 m 长的线路仅为3 0d b 17 1 。 ( 2 ) 信号衰减随着频率的升高呈现增长的趋势2 2 】【15 1 。传输信号在1 0 0 k h z 以 下的衰减相对稳定，在1 0 0 k h z 到2 0 0 k h z 之间以0 2 5 d b k h z 的比例线性增长 2 3 1 o ( 3 ) 用电负载的连接和断丌也会导致信号衰减频率的变化。测量表明，衰减 随接入设备的增多而增加，在5 3 0 m h z 频率下，家庭环境下的信号衰减变化范 1s 3 电力线信道特性分析 围为1 5 3 5 d b ，而办公室环境下由于接入的用电设备较多，衰减范围达到了 2 0 , , 4 8 d b t 4 j 。 一般来说，可靠的电力线通信要求能承受9 0d b 动态范围的衰减量。 3 2 4 信道特性总体分析 电力线的设计之初并非用于通信。因此，与其它的通信媒介相比，电力线 的传输特性极为恶劣，在相同发送功率下，电力线载波信号的传输距离随着输 电网负荷的变化而呈现时变性和随机性。 1 6 4 智能路灯监控系统路由算法设计 4 智能路灯监控系统路由算法设计 4 1 引言 由于电力线载波信号的传输随着输电网负荷的变化而呈现时变性和随机 性，集中控制器与路灯控制器之间的通信路径需要随电力线信道环境的变化而 变化的，因此本章设计了一套合适的路由算法来调度载波信号在各个节点问的 传输。 路由器是网络层的互联部件，可提供比网桥更丰富、灵活的网络互连功能， 是目前使用最多的网络互连部件之一。路由算法是用软件方法实现路由的功能。 二套合适的路由算法要需要满足以下三点【2 5 】： ( 1 ) 路由算法应该具有选择最佳路径的能力，同时当输电网因用电负荷的变 化使得载波信号能够传输的距离改变时，路由算法应该迅速、准确地适应变化 后的网络环境，迅速选择次佳的路径，构建起新的系统逻辑层次结构。 ( 2 ) 任何时刻只有一个节点发送信号。由于能够自动处理信号冲突的硬件设 备均价格昂贵，故本文采用软件方法解决电力线上的信号冲突问题。 ( 3 ) 满足节点的即插即用。每个路灯控制器拥有独一无二的物理i d ，为了便 于系统的升级和维护，每个路灯控制器关于路由算法的驱动程序均完全一致。 这样只需要修改主机中存储的终端节点的物理i d 信息，就可以方便的增加或删 除节点。 因此本系统设计了两套不同的路由算法：静态更新路由算法和动态更新路 由算法，以解决电力线信道环境的不同变化。 静态更新路由算法主要应对周期性有较大变化的电力线信道环境，如学校 ( 学校的用电负荷根据学校作息时间有较大变化，如晚上0 0 ：0 0 以后的用电量 要远远小于2 0 ：0 0 的时候) 。 动态更新路由算法主要应对随时间缓慢变化的电力线信道环境，如某些工 业企业( 大型设备的频繁启闭使得用电负荷始终处于缓慢变化中) 、大型的住宅