基于载波通信的智慧路灯精准控制.docx

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基于载波通信的智慧路灯精准控制

基于载波通信的智慧路灯精准控制

引言

智慧照明是智慧城市建设的一部分。

传统的路灯只能实现对某条街道单一的开关控制[1]，而智慧路灯则是对路灯公共照明实行统一管理，每个路灯能够自行侦测毁损，并实时传送信号给控制中心以便维修，最终达到照明远程监控、智能管控、节能降耗“三位一体”的成效[2-4]。

采用SPSS18.0统计学软件的数据进行处理，计数资料以百分数（%）表示，采用x2检验，计量资料以“±s”表示，采用t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

1.4统计学分析运用SPSS23.0对本研究数据进行统计学分析，计量资料以表示，数据比较采用t检验，计数资料以[例（%）]表示，数据比较采用χ2检验，P<0.05为差异有统计学意义。

考虑到我国路灯控制系统的现状以及对节能减排、智慧照明的迫切需求，我们搭建了一个智慧路灯的远程通信与控制系统，并进行了实验验证。

该系统在基于GPRS为一级网络，低压电力载波通信（PLC）为二级网络的基础上[5]，给每一个路灯终端定义唯一的地址，实现上位机对所有路灯的精准控制，最终达到对城市照明网络化、实时化、精确化和动态化的控制。

图1所示为二级网络的系统结构图，其中能够直接和监控中心进行通信的终端称为集中控制主终端，其他为子终端。

图1路灯组网系统结构图

Fig.1Structureofstreetlightnetworksystem

1系统总体框架

智慧路灯控制系统主要由控制中心、若干路段集中控制主终端和若干路灯子终端组成[6]。

控制中心即上位机对整个路灯组网系统的运行集中管理，包括远程实时控制、系统运行信息的采集和反馈。

集中控制主终端负责所辖路段的通信和调光控制，路灯子终端负责单个路灯的控制和状态检测。

任意一个路灯子终端可外接GPRS-DTU模块升级成集中控制主终端，多个路段及其GPRS构成分布式路灯远程控制系统，图2所示为智慧路灯控制系统的组网模型。

图2智慧路灯控制系统组网

Fig.2Networkingofintelligentstreetlightcontrolsystem

2系统通信机制

系统的通信方式采用无线GPRS网络与低压电力载波通信（PLC）相结合。

上位机与集中控制终端之间采用GPRS进行数据传输[7]，集中控制终端与子终端之间采用电力载波通信方式进行数据传输。

这种通信方式的好处是不需要重新架设网络，建设周期短且成本低，是智慧路灯通信系统的首选[8]。

将上部模型在-0.5m增加1层零层板，作为上部结构的1层考虑，同时输入地面荷载，其中包括地面作法，堆载，覆土等，以便在基础设计中导荷至基础[2]。

“粉丝”们为什么热爱孙悟空？

那些作为孙悟空的超级粉丝，伟大领袖毛泽东就曾为其作诗“金猴奋起千钧棒，玉宇澄清万里埃”。

与被体制化的杨戬相反，孙悟空一心革命，一心要做叛逆者。

王母不许他吃蟠桃，他偏要吃；阎罗要让他下地狱，他偏要活；神佛不许他拥有爱，他偏要爱。

在奉行“食君之禄，忠君之事“、”礼仪纲常“等儒家文化的中国，孙悟空堪称一个特立独行的存在。

我们或许不是叛逆者，但是不是每一个人，都有或曾经有过一颗热血的、渴求叛逆的心？

2.1Modbus通信协议

Modbus是一种总线型单主站、主从式的串行数据传输协议，上位机可完全控制和管理通信进程，既能单独和从设备通信，也可以广播方式和所有从设备通信。

通信开始时主站首先向从站发送包含从站地址和通信要求的命令帧，从站接收到该命令帧并通过CRC校验后，先将命令帧中包含的从站地址号与本站地址相比较，如果地址一致，从站立即对该命令进行解析，并按照命令帧中的通信要求组织和装配响应帧向主站回传[9]。

2.2路灯终端地址分配

Modbus寻址空间分配如表1所示，其中00H为广播地址，专门用于对所有终端进行统一控制；F8H～FFH保留备用；01H-0F7H则用来给每个子终端定义地址。

为了使上位机对精准的控制到每一个子终端，将拨码开关接入在芯片的P0口，开关打开代表高电平1，断开代表低电平0，从而给每个路段以及子终端定义了唯一的地址。

当主机与终端通信时，先呼叫某个子节点的地址，唤醒被呼叫的子节点后，主机与子节点之间进行数据交换，未被呼叫的终端则继续进行各自的工作。

表1Modbus寻址空间分配

Table1TheModbusaddressspaceallocation

01～247248～255广播地址子节点单独地址保留

3软硬件设计

系统的载波控制流程如图3所示，上位机通过串口调试软件发送对路段的控制命令，由PL3106对数据进行直序扩频，扩频后的信号经调制后输出，依次通过功率放大、滤波、耦合电路发送到低压电力线上[10]。

子终端直接从电力线上接收到集中控制器发送来的信号，在芯片内部进行解调、校验，并执行相应的控制命令，最后将处理结果返回至上位机。

图3载波控制流程图

Fig.3Flowchartofcarriercontrol

3.1载波通信电路

载波线上的每一个终端既可以作集中控制终端也可以作子终端，载波通信电路如图4所示。

集中控制终端可直接从上位机接收命令，在芯片内部进行调制后输出并经电力载波线传输给其他子终端，图5所示为集中控制主终端测得的收发波形对比图。

子终端则直接从电力线上接收信息到芯片内部，图6所示为子终端测得的收发波形对比图。

图4载波通信电路

Fig.4Carriercommunicationcircuit

图5控制终端收发波形对比

Fig.5Comparisonofmasterterminaltransceiverwaveform

图6子终端收发波形对比

Fig.6Comparisonofsub-Terminaltransceiverwaveform

3.2软件设计

1）路灯控制总体设计流程。

控制软件的总体流程如图7所示,控制终端默认工作在待机状态，当接收到上位机的控制命令后，采用中断的方式实现控制软件的不同功能。

初始化后，程序处于等待状态，根据不同控制终端地址差异；当接收到串口命令信息后，进入串口中断；当接收载波命令时，进入载波中断；进入各自中断后先对信息地址进行判断，地址判断正确，接收剩余信息，CRC校验正确，进入信息处理程序；当处理程序完成后同样利用中断将返回信息发出，再次进入待机状态等待下一个命令的到来。

图7路灯控制主程序设计流程

Fig.7Processofstreetlampcontrolmainprogramdesign

2）路灯寻址设计流程。

图8所示为控制终端寻址流程图，当控制终端接收到上位机发送的命令后，识别并判断其地址位。

若为广播地址，则对所有路段进行统一控制；若为路段地址，则对被控路段进行相应的功率控制和调节，其余路段保持不变；若为控制子终端地址，则对单个子终端进行精准控制和通信，最终实现在不同情况下的不同功率调节，并向上位机返回处理结果。

图8控制终端寻址流程

Fig.8ProcessofterminalControladdressing

4数据测试

串口通信采用10位异步收发的工作方式，上位机通过串口调试软件分别向路段F0发送100%的功率控制命令（F0050001FF00DBC8）；路段E0发送75%的功率控制命令（E0050002FF004B3A）；单个路灯路灯F2、E3发送50%功率控制命令（F2050003FF0039C9）（E3050003FF00783A），通信结果如图9所示。

5结论

对上位机在全路段、单个路段以及若干子终端进行控制的情况下，进行载波通信测试，我们发现：

各个路段以及子终端能够精确地接收到上位机发送的指令，并对该指令进行相应的处理，最终成功地将处理结果返回至上位机。

由实验可知整个通信过程中收发信息完全一致，即我们实现了路灯的远程精准控制与通信。

图9通信串口收发数据

Fig.9Communicationserialporttosendandreceivedata

参考文献

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[2]刘义平,张明明,张畅,等.智慧路灯建设的实践与思考[J].照明工程学报，2017,28（5）:

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[3]MENGZG,JIEGC.Thedesignofthewirelessintelligentlightingcontrolsystem（SSLCHINA）[C].IEEE2014:

1-4.

[4]张万奎.照明节电技术及其应用[C]//海峡两岸第二十二届照明科技与营销研讨会专题报告暨论文集.北京：

中国照明学会，2015.

[5]李儒,程为彬,郭颖娜,等.基于Modbus协议的城市路灯监控系统设计[J].照明工程学报,2015,26（5）:

19-23.

[6]张伟,王宏刚,程培温.基于GPRS的智能路灯监控系统研究[J].计算机测量与控制,2010,18（9）:

2104-2106.

[7]杨蕊冰,程为彬,郭颖娜,等.路灯电子镇流器组网的通信实验研究[J].现代电子技术,2017,40（23）:

175-178.

[8]向敏,王时贺,赵星宇.一种基于电力载波通信的智能路灯控制系统集中器的设计[J].重庆邮电大学学报,2013,25

（2）:

161-165.

[9]ChengWB,GeorgesZissis.FlickinglightdesigneforstagelightingwithHPSlamp[C].IEEEIndustryApplicationsSocietyAnnualMeeting,2012,1-4.

[10]彭红娟,郭颖娜,程为彬.基于PL3106的路灯电子镇流器调光设计[J].电气应用,2015,34（10）:

34-37.