路灯无线监控系统.doc

基于SSC P300的路灯监控系统的设计孙 勇， 张东来， 姚雨迎， 秦 时间:2008年05月19日 字 体: 大 中 小关键词:传输距离监控系统电力线载波通信距离模拟信号 摘要： 电力线载波通信在路灯监控中起着极其重要的作用，介绍了路灯监控系统的工作原理以及电力线载波（PLC）模块的软件和硬件设计，并且应用软中继的方式解决了通信距离限制的问题。最后给出了现场的实验结果并对其进行了分析。关键词： 扩频通信 电力线载波 路灯监控系统 中继路灯照明系统的自动化程度对一个城市的建设有着深远的影响，因此设计高可靠性的路灯监控系统显得尤为重要。传统的路灯控制只能通过人工询线的方式对其开关状态进行控制，因此无法对路灯进行实时的控制；如果某段路灯出现故障或者需要控制某一部分路灯的开关状态，传统的路灯控制方式就显得无能为力。近几年来，随着电力线载波技术的发展，将电力线载波技术应用在路灯监控系统中，不仅能控制城市路灯在不同时段的开关状态，通过对路灯电流和电压的测量，及时地监测路灯的短路故障和开路故障，从而及时地对故障进行处理；而且通过对载波信息的实时查询与解析，可以维护路灯电缆，防止路灯电缆被盗，使城市路灯得到及时、有效、可靠的管理。本文利用Intellon公司的SSC P300模块作为载波芯片，设计出电力线载波模块，并分别在装有电感镇流器和电子镇流器的路灯上进行了测试，收到了良好的效果。1 路灯监控系统的工作原理路灯监控系统由监控中心、路段控制器和装有载波模块的路灯节点组成，其原理框图如图1所示。监控中心主要由计算机、主控制器、自动化监控软件、GPRS通信模块以及计算机外围设备组成，主要负责对路段控制器和路灯节点的控制以及对接收到的信息进行处理，完成对路灯的开关控制和故障的监测。路段控制器、路灯节点是由SSC P300模块和单片机以及外围电路组成的控制模块和载波模块，实现对路灯信息和主控中心信息的双向传输，以及根据不同的时段对路灯进行开关控制。监控中心通过GPRS模块与路段控制器和路灯节点进行通信，将要执行的指令通过GPRS网络发给路段控制器和路灯节点；路段控制器通过对数据的解析来识别监控中心所要执行的指令，并将指令通过电力线发到SSC P300载波模块；SSC P300载波模块通过判断地址和指令要求来实现对指定路灯的开关操作以及对路灯状态的查询，从而实现对路灯节点的控制；若监控中心需要信息返回， SSC P300载波模块通过电力线将信息传到路段控制器，通过路段控制器上的GPRS模块以短信息的形式传给监控中心。因此，通过监控中心就可以完成对路灯状态的查询和故障情况的处理，利用自动化监控软件和电子地图就可以确定某个路灯节点的状态或者故障位置；路段控制器中装载了万年历，通过对时间的设定实现对路灯每天开关的自动化管理，有效地节省了人力、物力，并且可以对突发事件及时地进行处理。2 SSC P300载波模块设计在PLC载波模块中采用Motorola单片机M68HC908LJ12与Intellon公司的SSC P300载波芯片进行通信，电路框图如图2所示。SSC P300是基于扩频载波技术中的线性调频方式进行信号调制的，利用扫描频率的Chirps进行载波，这种扩频通信方式的频带宽度为100kHz400kHz，并且总是以200kHz400kHz的频率开始，以100kHz200kHz的频率结束。由于这种调频信号占用的频带宽度远远大于信息的带宽，因而可以获得较大的处理增益，克服了窄带通信方式的抗干扰能力弱、传输距离短等缺点，在干扰比较多的电力线上使数据高速、可靠地传输。单片机与SSC P300之间的通信通过单片机的SPI接口来实现，单片机的晶振由SSC P300的4MHz时钟输出提供。在接收模式下，模拟信号通过电力线耦合，经过输入带通滤波将信号传输到SSC P300，SSC P300则通过调制将模拟信号转换成数字信号储存在缓冲器中，单片机通过读命令将数据接收并按照数据的要求执行相应的操作；在发送模式下，单片机将所要发送的数字信号通过写命令将数据写入SSC P300，在下一个时钟脉冲到来时，SSC P300输出信号，并将数字信号解调为模拟信号以Chirp波的形式输出，通过信号放大电路将信号幅值放大，再通过输出带通滤波将干扰滤除后，耦合到电力线上。为了尽可能长地增加传输距离，对于调制出的Chirp波形必需进行有效的滤波和放大，因此输入、输出滤波电路和信号放大电路的设计效果对于信号传输距离和抗干扰能力会产生很大影响。输入滤波电路的设计及仿真结果如图3所示。输入滤波器是一个6极点的LC带通滤波器，频带宽度为100kHz400kHz，可以使频带以外的干扰信号得到有效的衰减，增强了载波信号的抗干扰性，防止了信号的误码。增加传输距离的另外一个措施是提高输出信号的发射功率。经过测试，在相同的条件下运算放大器采用OPA561比采用Intellon公司提供的P111放大效果更明显。图4给出了运算放大器分别采用OPA561和P111时的输出波形。3 中继功能实现上电之后，单片机实时地查询与SSC P300的端口，及时地处理从电力线上传输过来的数据，具体流程图如图5所示。由于载波信号的输出功率是有限的，在不考虑中继的情况下，一般的传输距离在500米左右，因为现在城市路灯的距离一般在1000米左右，因此仅靠提高载波信号的发射功率来增大传输距离还不能够实现对整条路灯的控制。针对这种问题，在传输距离较远的情况下采用中继的方式来解决，即当主控中心收不到某一路灯的信息或对某一路灯控制无效时，可以通过中继节点进行数据的转发。由上位机通过路段控制器进行指定和初始化，并保存在网关PLC中，既具备普通模块的功能，又具备中继功能。当监控指令信息满足中继条件时，自动作为中继使用；当条件不满足中继条件时，自动作为节点使用。图6给出了中继的流程图。4 实验结果分析在没有外界干扰的一段路灯上实验时，若路灯的镇流器是电感镇流器，点对点通信距离可以达到650米；若路灯镇流器是电子镇流器，由于电子镇流器会有高频干扰，在加入阻波器后，高频干扰相对减小，点对点通信距离可以达到500米。而将中继方案应用于路灯管理系统中，1500米通信距离内的路灯完全能够控制，因此，对于国内的路灯铺设情况，利用电力线载波方式来改造路灯的自动化程度是很容易实现的。参考文献1 吴家洲，姚 远，杨叔子.基于电力线载波通讯的公共路灯远程监控系统实现的研究.计算机测量与控制，2002；(10)2 Zhang Weiqiang, Xu Dianguo, Chi-Hwan Lee. D