基于电力载波通信的路灯监测系统设计

刘金华 赵一凡

（西安工程大学电子信息学院 西安 710048）

1 引言

现阶段，我国城市在城市路灯照明的监测控制方面，还存在着调控能力不足、不具备状况监测功能、不具备设施防盗监测功能等缺陷［1］。所以，建立恰当的监控系统，对路灯进行管理越来越重要。针对电力载波通信［2］不需要另外铺设线路，节省人力物力，使用方便灵活等特点［3］，设计运行可靠、使用维护方便的路灯监测系统，是社会发展的必然要求。

基于电力线载波通信的路灯监测系统的设计，考虑系统的稳定性，选择用工控机和linux系统结合来实现；考虑到路灯安装时，长距离传输，选择MAX2992通信模块；并且选择用轮询数据交换方式接收每条线路上设备的监测数据，实现实时的故障报警。本文设计的系统可以实现远距离实时监测控制，同时节省了人力成本以及管理维护成本。

2 电力载波通信系统设计方案

本文设计对于网络结构的设计是多主多从组网方式，将设备按检测终端的不同分配，提高了通信速度和带负载能力；硬件的设计是选择符合C3-PLC通信标准的MAX2992通信模块，确保设备入网合法性和网络通信安全［4］；数据交换方式的设计是选择轮询数据交换方式［5］，用户可以实时监控设备状态，及时处理发生的故障；软件设计是选择多线程，每一路线程分别对应控制一路子网，提高了网络数据交换速度，并且设另一路线程监测PC机，及时响应PC机对网络终端设备的控制［6］。

为了更好的与用户交互，中央控制器应该连接PC机，将电网上设备运行状态实时的反映到PC机，便于我们观察，并且，对电网的控制指令也应交由PC机下发，方便用户更好地完成对网络终端设备的操作。本文系统的网络结构设计［7］如图1所示。

图1 系统的网络结构图

3 电力载波通信信号检测系统技术

3.1 检测系统系统硬件结构设计

3.1.1 载波通信模块的设计

本文硬件选择由MAX2992载波芯片、MAX2991模拟前端集成开发的电力线载波模块，具有体积小巧，集成度高等优点［8］。模块和用户之间采用UART连接。载波通信模块的结构如图2所示。

图2 载波通信模块的结构图

3.1.2 检测终端电路的设计

本文的中央控制器选择EMB3500工控板作。选择LPC1768芯片作为检测终端设备的MCU，其基于ARM Cortex-M3的内核设计，多用于高集成度和低功耗的嵌入式应用中［9］。外接传感器采集数据，通过PLC-Modem实现和中央控制器的通信。MCU模块的结构如图3所示。

图3 MCU模块的结构图

路灯通断检测以流过灯丝的电流为检测量，电流测量电路如图4所示，应用ACS712芯片，由一个低偏移线性霍尔传感器电路和铜箔（位于IC表面）组成［10］。原理是将检测到的电流信号通过铜箔时产生磁场，由霍尔元件感应产生一个线性的电压信号，经过内部的放大、滤波和修正电路，最后，输出一个电压信号，通过运放SA534D放大3.3倍，同时C2和R2的作用舍去电压信号中的交流成分，降低输出电压纹波系数，使波形更加平滑。经过电路产生的电压信号V_OUT直接连到MCU上进行采样，根据测量的电压值计算流入的电流。

图4 电流检测电路

监控箱盒检测电路如图5所示，通过光耦二极管的通断来判断路灯箱盒是否被非法打开，其原理是将2N7002场效应管做为电子开关在ROTE_CTOR端有两种情况的电压值分别对用箱盒的开合状态。正常接通开关时，R5分12V全部电压，光耦不导通故在ROTE_CTOR端进行检测电压为零或极小值；开关关断瞬间，电源12V电压分给R5和光耦，光耦导通，则在ROTE_CTOR端进行检测电压为3.3V。

图5 监控箱盒检测电路

3.2 检测系统软件结构设计

主控板Linux系统上应用程序的设计，考虑到对网络节点设备进行访问，并反馈结果给PC机，同时也要接受第三方用户经由PC机下达的操作控制。因此，本文对系统的设计是同时开设两个线程，设置线程一为写数据，同时设置四条线程分别对应四条子网的数据轮询，最后将结果写入分别对应的队列中去；设置线程二为读数据，按次序分别读取对应队列的头结点，最后将读到的数据上传到PC机。具体流程如图6所示。

图6 轮询过程流程图

4 系统测试

依据上述的设计，在实际现场中，分别安装了一个中央控制器和四条子网，其中每条子网由六十个单灯组成，连续测试了一个月，最后，通过反馈到上位机数据来验证系统的实用性和稳定性。

在现场测试中，路灯四条子网组成的网络系统在对远距离检测灯丝通断情况，监控箱盒是否非法打开等功能上均验证成功。其中实验测试时采用的电缆型号是RVV2芯1.0平方软护套，各终端路灯的最远传输距离为2km，各条线路的平均通信速率90.5Kbps。

通过程序运行时产生的log文件，验证整个网络的运行情况，产生的log文件如图7所示。

图7 程序运行产生的log文件

根据现场实时数据的检测，在一个月的时间中，组成四个子网的所有线路上的路灯均正常，并且能够检测出安装到现场的检测箱盒开合的情况。

5 结语

经过前期的实验到最后现场实地测试，基于电力线载波通信技术的信号检测系统均达到了设计要求，并且具备远距离通信、安装简便、易操作等优点，能够有效地完成对路灯的远程监控。但是可以在许多方面进行进一步的研究和提高，增加一些模块实现更加节能有效的供电控制。