基于電力載波技術(shù)的智能路燈單燈控制解決方案

摘要

基于電力載波通信技術(shù)，可以構(gòu)建一個(gè)實(shí)現(xiàn)路燈單燈控制 功能的智能路燈解決方案，現(xiàn)已成功應(yīng)用在歐洲、美國(guó)、中國(guó)等眾多城市。該系統(tǒng)的實(shí)施使得城市路燈管理部門可節(jié)省至少 50%的能耗，并降低了路燈系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本、提高路燈系統(tǒng)的服務(wù)效率。這種智能化的路燈系統(tǒng)還可以節(jié)約 30%的維護(hù)成本，是實(shí)現(xiàn)綠色、節(jié)能城市的重要手段。

關(guān)鍵詞

電力線載波通信、智能路段服務(wù)器、自動(dòng)中繼通信技術(shù)

城市路燈照明是現(xiàn)代化城市的重要公共設(shè)施，路燈照明也因此成為一個(gè)城市電能支出的重要部分——高達(dá) 40%的電力消耗以及大量的維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本。雖然已經(jīng)有一些解決方案， 比如按時(shí)隔一盞路燈關(guān)閉一盞路燈，或者在一個(gè)路燈區(qū)域的變壓器端加裝控制等等，這些方案實(shí)現(xiàn)了一定程度的節(jié)能效果，但是卻存在一些不足的地方，比如路面照度不均勻，不能實(shí)現(xiàn)單個(gè)路燈的狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。如今的城市需要更智能的路燈系統(tǒng)，在節(jié)省電力消耗、降低運(yùn)營(yíng)成本和減少碳排放的同時(shí)改善城市的環(huán)境。

我公司是提供智能路燈解決方案和設(shè)備的專業(yè)提供商，目前已為世界各地的 40 多座城市提供智能路燈單燈控制解決方案。將路燈轉(zhuǎn)換成高效節(jié)能的智能化遠(yuǎn)程管理網(wǎng)絡(luò)，能源消耗平均減少 30%。更重要的是，由于該平臺(tái)具有開放性，因此可以用來連接其他城市能源管理系統(tǒng)。對(duì)現(xiàn)代化城市而言，我公司的智能路燈照明解決方案是邁向智能城市的步。

如圖一所示的該系統(tǒng)具有性能可靠，易于升級(jí)的特點(diǎn)。該系統(tǒng)由三級(jí)部分構(gòu)成：層每一路燈均包含一個(gè)基于電力線載波通信技術(shù)的智能單燈控制器；中間層的 SmartServer 智能路段服務(wù)器通過電力線載波和每一個(gè)路燈通信，同時(shí)可以通過 TCP/IP、GPRS 或 3G 等與城市路燈管理中心通信；作為上層的系統(tǒng)管理層，在路燈管理中心運(yùn)行有路燈控制系統(tǒng)管理平臺(tái)。

1、智能路燈單燈控制器

在每一個(gè)路燈中都嵌入一個(gè)基于電力載波芯片的智能控制器，這些路燈控制器和 SmartServer 智能路段服務(wù)器之間使用電力線載波進(jìn)行通信，這樣做不需要額外的通信線路，數(shù)據(jù)通信信道和路燈供電共用供電信道。每一個(gè)路燈單燈控制器均包含物理地址和邏輯地址，這便于和 GIS 地理信息系統(tǒng)匹配。

電力載波通信技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)被采納為多個(gè)國(guó)家和國(guó)際組織的標(biāo)準(zhǔn)，包括：

該技術(shù)已有超過八千萬的基于該技術(shù)的電力載波設(shè)備應(yīng)用在世界各地的智能電網(wǎng)、工業(yè)控制、智能家庭、交通控制等領(lǐng)域，性能穩(wěn)定可靠。

我司采用的電力載波的通信芯片為PL 3120/PL 3150，這兩種芯片內(nèi)置 ISO/IEC 14908控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，采用 BPSK 的調(diào)制方式傳輸信號(hào)，通信速率在 C 波段的情況下為 5.4 kbps。PL 3120/PL 3150 的 BPSK 技術(shù)稱為二進(jìn)制相移健控（Binary Phase Shift Keying）調(diào)制技術(shù)，當(dāng)工作在 C 波段時(shí)有兩個(gè)載波頻率：載波頻率為 132kHz，第二載波頻率為 115kHz。載波頻率具有更好的畸變糾正能力和更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)包分辨能力和抗噪聲能力，第二載波頻率比載波頻率的誤差校正能力強(qiáng)。埃施朗公司把噪聲抑制和畸變糾正的算法技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字信號(hào)處理（DSP）內(nèi)核中。這些性能使得收發(fā)器可以糾正電力線信號(hào)中多種多樣的干擾，包括脈沖噪聲，連續(xù)音頻噪聲、相位畸變等。

智能路燈單燈控制器的結(jié)構(gòu)如圖二所示。其主要的構(gòu)成部分有：PL 3120/PL 3150 智能電力線收發(fā)器，耦合電路，電源，整流器電路和燈具等組成。

路燈單燈控制器使用基于 ISO/IEC 14908 標(biāo)準(zhǔn)的電力載波通信技術(shù)與路燈區(qū)域控制器SmartServer 智能路段服務(wù)器通信，可以接受來自智能路段服務(wù)器的命令，包括燈的開/關(guān)， 以及亮度調(diào)節(jié)命令，并對(duì)燈具實(shí)施相應(yīng)的控制。同時(shí)，單燈控制器還能夠測(cè)量供電電壓、電流、功率、功率因數(shù)、整流器溫度、整流器運(yùn)行時(shí)間以及消耗的電能等數(shù)據(jù)，并提供報(bào)警信息。這些數(shù)據(jù)可以由路燈管理中心的軟件通過 SmartServer 智能路段服務(wù)器進(jìn)行讀取。

目前市場(chǎng)上有多家公司提供該類的智能路燈控制器可供用戶選擇，包括國(guó)內(nèi)和國(guó)外的廠商。這樣，在客戶選擇產(chǎn)品構(gòu)建系統(tǒng)的時(shí)候，有較大的選擇余地，用戶從而可以得到性價(jià)比的產(chǎn)品。

對(duì)于一個(gè)路燈系統(tǒng)來說，使用壽命可能長(zhǎng)達(dá) 30 年，多種產(chǎn)品可以提供用戶在以后系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)中，可以使用不同公司的產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品使用同樣的通信技術(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不會(huì)產(chǎn)生兼容性的問題。這給最終用戶帶來的好處是，在整個(gè)系統(tǒng)的生命周期中系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本可以達(dá)到。每一個(gè)單燈路燈控制器中的應(yīng)用程序，可以實(shí)現(xiàn)在線升級(jí)，這樣同樣的硬件可以通過軟件升級(jí)來提供更加的功能。

2、路燈區(qū)域控制設(shè)備——SmartServer 智能路段服務(wù)器

SmartServer 智能路段服務(wù)器是實(shí)現(xiàn)路燈單燈控制系統(tǒng)的重要的硬件設(shè)備， 它安裝在路燈區(qū)域控制箱中，使用 ISO/IEC 14908 的電力載波通信技術(shù)和路燈單燈控制器通信，與控制中心的通信可以使用 GPRS/3G、以太網(wǎng)、Wi-Fi 或者 ADSL 等。

SmartServer 智能路段服務(wù)器中內(nèi)置多種功能，包括：

一般情況下，一個(gè) SmartServer 智能路段服務(wù)器最多可以管理 300 個(gè)路燈單燈控制器。之所以能夠構(gòu)建基于電力載波的路燈單燈控制系統(tǒng)，智能路段服務(wù)器的自動(dòng)中繼管理功能在其中起到了的作用。

簡(jiǎn)單來說，如圖四所示，在電力線傳輸線上，假設(shè) SmartServer 智能路段服務(wù)器連接有十二個(gè)單燈控制器，通信情況如下，SmartServer 智能路段服務(wù)器不能和最遠(yuǎn)的 12 號(hào)控制器進(jìn)行通信，但是 SmartServer 智能路段服務(wù)器可以和 1-4 號(hào)單燈控制器通信，而 4 號(hào)單燈控制器可以和 5-8 單燈控制器通信，8 號(hào)單燈控制器可以和 9-12 單燈號(hào)控制器通信，這樣 SmartServer 智能路段服務(wù)器，可以使用 4 號(hào)單燈控制器作為一級(jí)中繼代理，和 8 單燈號(hào)控制器通信，8 號(hào)單燈控制器作為二級(jí)代理與 12 號(hào)單燈控制器通信，也就是說 SmartServer 智能路段服務(wù)器分別使用兩級(jí)代理就實(shí)現(xiàn)和最遠(yuǎn)的 12 號(hào)單燈控制器的通信。

SmartServer 智能路段服務(wù)器最多支持 8 級(jí)中繼代理。通過我們?cè)趪?guó)內(nèi)的幾個(gè)實(shí)際路燈路段的測(cè)量，最差的情況是 SmartServer 智能路段服務(wù)器使用了兩級(jí)中繼代理就實(shí)現(xiàn)與最遠(yuǎn)的測(cè)試節(jié)點(diǎn)的通信。

SmartServer 智能路段服務(wù)器內(nèi)置的時(shí)序調(diào)度功能模塊可以根據(jù)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)單燈控制器開、關(guān)和亮度控制。該時(shí)序調(diào)度功能模塊可以由中心監(jiān)控軟件進(jìn)行配置。

SmartServer 智能路段服務(wù)器中嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，處理器為 MIPS32，時(shí)鐘頻率為 264MHz。內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以自動(dòng)與設(shè)定的時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步。內(nèi)置的 Flash 存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)數(shù)月的歷史數(shù)據(jù)?？梢赃B接 Modbus 的設(shè)備、具有脈沖輸出的計(jì)量表設(shè)備等， 另外還有兩路數(shù)字輸入和兩路數(shù)字輸出。

3、監(jiān)控中心軟件

功能實(shí)現(xiàn)：

4、系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)及所采用的技術(shù)模塊

智慧監(jiān)控管理軟件的系統(tǒng)是一套采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及多媒體信息壓縮、解壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字圖形監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)控的視頻、音頻、告警、控制信號(hào)可傳至網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，用戶可以利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在不同地點(diǎn)同時(shí)監(jiān)視、控制遠(yuǎn)程某一或某些場(chǎng)所，同時(shí)具有動(dòng)態(tài)感知、視頻存儲(chǔ)、告警管理等功能；如下圖：

技術(shù)實(shí)現(xiàn)

作為一個(gè)通用化監(jiān)控平臺(tái)，系統(tǒng)由如下一些模塊組成：

設(shè)備控制模塊

該模塊是系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)層，整個(gè)系統(tǒng)通過該模塊完成與編的通信。應(yīng)用層的設(shè)備無關(guān)指令通過該模塊翻譯成設(shè)備相關(guān)指令，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層，完成對(duì)設(shè)備的各種控制與交互。

媒體控制模塊

該模塊是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心，用以完成對(duì)大容量媒體流以及透明數(shù)據(jù)的管理。

媒體流包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一個(gè)是實(shí)時(shí)的視音頻流；一個(gè)是文件流。

數(shù)據(jù)管理包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。

軟件通過一套高效和強(qiáng)壯的流處理機(jī)制完成存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)的統(tǒng)一資源調(diào)度，從而使得系統(tǒng)的處理能力得到極大的提高。

連接管理模塊

連接管理接口是媒體控制接口的核心。每個(gè)連接由源和目的標(biāo)識(shí)。一個(gè)連接表示了一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道。系統(tǒng)為每個(gè)連接創(chuàng)建專門的處理任務(wù)。連接相互獨(dú)立，有效的避免了系統(tǒng)故障的擴(kuò)散。

每個(gè)連接可以附加一個(gè)存儲(chǔ)請(qǐng)求和若干的轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求。存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)共享數(shù)據(jù)，獨(dú)立運(yùn)行。數(shù)據(jù)的共享可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬。數(shù)據(jù)的并行處理保障了系統(tǒng)的效率和強(qiáng)壯性。

客戶端管理模塊

所有客戶端和服務(wù)器的通信都要經(jīng)過該模塊的翻譯和處理。通過該接口，客戶端和服務(wù)器可以完成各種控制信令的交互。

客戶端管理接口又可以細(xì)分為如下的幾個(gè)模塊：

服務(wù)器管理模塊

系統(tǒng)采用分布式多叉樹服務(wù)器架構(gòu)，用以分擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算壓力。服務(wù)器管理模塊負(fù)責(zé)在各個(gè)服務(wù)器之間傳遞和同步服務(wù)器狀態(tài)，協(xié)調(diào)各個(gè)服務(wù)器的工作上下文。

系統(tǒng)診斷模塊

該模塊是包括如下一些組成部分：

基于電力載波通信技術(shù)的路燈單燈控制系統(tǒng)是一個(gè)集成化的解決方案，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源成本，降低系統(tǒng)維護(hù)成本，同時(shí)構(gòu)建一個(gè)完備的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，依托該網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上任意設(shè)備的控制。主要的效益包括：

基于電力載波技術(shù)的路燈單燈控制系統(tǒng)，是一種成熟的路燈解決方案，在世界各國(guó)很多城市得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)可以有效避免現(xiàn)有一些系統(tǒng)的不足，且很好地解決了未來系統(tǒng)的升級(jí)換代問題，是一個(gè)解決城市路燈綠色照明的有效方案。