(海思自動化技術部LonWorks技術粉絲提供)
核心提示: 當前路燈監控系統采用的通信技術多種多樣，本文介紹了各種通信技術方案的特點，分析LonWorks電力線載波通訊技術應用于路燈監控管理系統的優勢，并提供了完整的路燈監控管理系統解決方案。系統由三個部分組成: 路燈智能控制節點、電力線網絡控制器、和路燈監控管理軟件。
一、引言
當前，我國很多城市的路燈系統主要是人工管理模式，需要工作人員定時開關燈，當路燈出現故障時，很難做到及時發現和有效處理。如果采用路燈自動化監控管理系統，不僅能夠及時發現路燈的故障情況，減少大量的人力，還能節省路燈能耗，對城市的節能減排作出巨大貢獻。
一般地，在路燈監控系統應用中，數據通信的方案主要有三種:
1、總線通訊技術
如RS485、CAN 總線等。該方案布線、施工復雜，對于改造路段實施起來難度較大。
2、無線通信方式
包括GPRS、ZigBee 等方案。采用GPRS 通信方式成本太高，一般不會考慮。ZigBee 是一種廉價的低速無線個域網，通訊距離遠、支持節點數目多等優點。ZigBee 適合于網狀結構系統， 采用DSSS /O-QPSK 調制，能夠有效克服無線傳輸中的多徑干擾問題，傳輸可靠性高； 但路燈網絡中的所有節點分布在一條直線上，延伸至幾公里甚至幾十公里，并不是ZigBee 理想的拓撲結構。而且無線方式對環境的依賴性較大，在天氣惡劣的情況下會影響通信質量。因此ZigBee 技術應用于路燈監控系統的實際效果并不理想。
3、電力線載波通信( PLC，Power LineCommunication) 技術
電力線載波通信方案以電力線為通信介質，減少了布線成本，而且對外部環境的依賴性較小，可靠性更高，與前兩種方案相比更加適用于路燈監控網絡。
電力線載波通信分窄帶調制方式和寬帶調制方式。由于路燈監控管理系統需要傳輸的數據量較少，因而對傳輸速率的要求不高，窄帶PLC 技術就可以滿足通信要求； 而寬帶PLC 技術則主要應用于大流量數據( 如多媒體數據等) 的高速傳輸，而且由于寬帶通信所占用的帶寬很寬，很容易超出CENELEC規范所規定的頻率范圍，所以在監控系統中一般不采用。早期的窄帶電力線通信一般采用簡單的模擬調制技術，其抗干擾能力不強，應用范圍有限。但是隨著信號檢測技術和DSP 技術的發展完善，窄帶通信如BPSK ( 二進制相移鍵控技術) 的抗干擾能力得到很大提高，將會更加適用于PLC 網絡。
通過上述分析比較，本方案選擇電力線窄帶BPSK 通信方式作為城市路燈自動化監控管理系統的底層設備通信方案，并根據路燈系統的特點，提出了可行的系統網絡結構，以及智能節點的設計。
二、系統設計
為實現城市路燈的優化管理，路燈管理系統需要收集每盞路燈的狀態和環境信息，并存貯于監控中心數據庫中，集中優化處理后，控制每一盞路燈的輸出光通。整個系統的網絡拓撲結構如圖1 所示。
城市路燈監控系統主要包括路燈節點、電力線網絡控制器、路燈監控管理軟件。路燈監控管理軟件通過因特網控制LonWorks 控制網中的所有路燈節點； 每一個LON 控制子網相當于一個因特網上的站點，配有一個IP 地址， 通過訪問該IP地址， 實現對LON控制子網的訪問。
電力線網絡控制器以主從方式管理LON 控制子網，并能通過Ethernet 接口或GPRS 通信模塊以撥號方式接入因特網。這樣， 控制中心通過與網絡控制器進行數據交換， 就可以對LON控制子網上的每個節點進行監控。此外，網絡控制器帶有多個I /O 端口，用于收集道路的環境信息( 照度、濕度、溫度等) ，作為調光依據。
在監控中心，路燈監控管理軟件不斷巡查各個路燈節點的狀態，顯示每盞路燈的工作狀太和電力參數，既能手動控制每個燈的光通，也可以自動調節路燈照度。
燈光自動控制策略有以下幾種，包括:
1) 根據設定時間表調節光照度， 如在后半夜時，路燈調節到半載功率輸出。
2) 根據天氣情況、不同時期的日照情況開、關燈或調節輸出光通。
3) 根據特殊照明情況調節輸出光通。如城市隧道照明場合，為了避免進入或離開隧道時視覺上的不適應，單獨調節隧道口的路燈，讓其光通緩變。
4) 根據特殊路段設定輸出光通。如在某一路段發生事故時，輸出最大光通，以便事故處理，同時提高道路安全。
2 路燈智能節點設計方案
路燈智能節點包括電力線通信部分、電子鎮流器部分和高壓鈉燈等三部分，電力線通信部分和電子鎮流器部分通過I2C 接*換數據。
（一）電力線通信智能節點
（1）電力線通信控制電路硬件設計
電力線通信控制電路主要負責數據在電力線上的可靠傳輸，其主芯片采用Echelon 公司的PL3120，PL3120 是專用于電力線系統的神經元芯片，內部集成有三個處理器單元和一個電力線收發器。電力線收發器采用窄帶BPSK 調制，且具有雙載波頻率，當主頻率受到干擾后，自動切換到預備頻率上工作，極大增強了系統抗干擾能力。
電力線通信控制電路包括高通耦合電路、功率放大濾波電路和PL3120 及其外圍電路。 高通耦合電路提取市電線路中的高頻信號，經帶通濾波電路濾波后傳輸給PL3120，解調后得到通信數據。同時， PL3120 將發送數據進行BPSK 調制，功率放大后耦合到電網上。PL3120 通過TXSENSE 引腳采樣功率放大電路的輸出電壓，得到的值用來調整TXBIAS 引腳上的電流，從而控制發送功率。
為保證電力線通信控制電路的可靠工作，必須對高通耦合電路做優化設計，使高通耦合電路濾除50Hz市電分量的同時，具有較大的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，減小信號的衰減。
（2）軟件設計
LonWorks網絡系統的最大優點是通信程序設計采用Neuron C 語言。Neuron C 在標準C 的基礎上，提供了大量的硬件接口函數，只需調用相應的函數就可以使用該硬件資源； 而且，節點間的通信通過網絡變量的綁定來實現，而通信過程完全由底層協議完成，方便了程序的開發。
電力線通信軟件定義了一個輸入網絡變量( i. Lon SmartSever 對節點的控制命令) 和一個輸出網絡變量( 節點對i. LonSmartSever 的返回數據)， 并與i. Lon SmartSever上相應的輸出、輸入網絡變量綁定。發送數據時，改變本地輸出網絡變量，與之綁定的輸入網絡變量的值就會隨之改變，而數據的傳輸過程則完全由底層協議完成，極大簡化了程序的開發過程。
（二）電子鎮流器
路燈智能節點中的電子鎮流器部分采用普通的兩級拓撲結構，前級PFC 電路加后級半橋逆變和諧振觸發電路， 并且通過中央處理器電路、采樣電路和調光電路收集鎮流器的狀態信息，并根據命令調光。
電子鎮流器有多種調光方式，調頻調光、調母線電壓調光、調占空比調光等。在大功率高壓鈉燈中，由于聲諧振的頻率點較少，所以選用比較簡單的調頻方式。
三、結束語
基于LonWorks電力載波通訊技術構建的城市路燈監控管理系統已成為城市路燈自動化管理領域最理想的解決方案。在滿足系統高可靠、高穩定運行的同時，系統可實現對各個路燈節點能夠可靠的完成上位機發出的指令，實現單點調光、多點調光和定時調光等，并且能夠準確收集自身的狀態信息，顯示到電腦上。作為分布式控制與集中管理的先進控制網絡，LonWorks系統在沒有上位機操作的情況下，監控子網運行的網絡控制器可以通過特定的算法對各個路燈節點根據設定的程序自動運行。
