LED信号电力载波通信系统.docx

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LED信号电力载波通信系统

LED信号电力载波通信系统

摘要：

本文提出了一种基于GPRS无线通信和电力线载波通信（PLC）相结合的LED路灯远程监控系统"设计工作要紧围绕系统差不多架构的搭建!

数据通信以及路灯操纵器设计三个方面展开,本文将AODV路由算法改进应用到LED路灯网络的路由算法当中,解决LED路灯网络的路由问题和中继问题,在保证系统正常通讯的前提下,提高系统信号传输的质量。

关键词:

灯具操纵系统;传感网络;路由;电力载波;AOD。

1引言

LED照明、亮化应用越来越广，尚有专门多技术难题有待解决。

在应用中有专门多数据需测试，在实际使用中，灯具置于高空中，难以现场测试，故击破远程监控。

本课题通过传感器实时采样，把运行信息通过电力载波方式上传到治理中心，并按需处理。

本设计通过操纵模块，故障报警报警模块，电力载波模块以及GPRS模块组成。

可编程恒功率节能各灯自动恒功率，节电率最正确；保证各用电器免受高压腐蚀延长用电器使用寿命；有效克服离散性熄灯，降低爱护成本，掌控到单灯，足不出户知晓各灯运行情形，减少人查勘，降低运行成本。

2总体方案设计

依照任务书上的要求进行综合分析，总设计方案分为以下几个步骤：

1）依照路灯操纵系统的功能，选用合理元器件并画出总体原理图。

2）画出各个程序流程图的各模块。

3）依照流程图编写出各模块的程序。

4）完成主程序及实现模块调用。

5）硬件电路的焊接及调试。

6）硬件软件的综合调试及程序烧制。

7）制作PCB版

8〕右图为总体设计方案流程图

2．1方案一：

集中式操纵方式:

系统以中心操纵节点为中心,巾心操纵节点与子节点直截了当连"路灯操纵器等设备直截了当与操纵中心相连接,操纵中心直截了当发送操纵指令给路灯操纵器"采纳集中式操纵方式具有的优点为:

能高效率地操纵路灯,故障的诊断和排除简单,操纵速率较高"但因为系统中操纵中心与路灯操纵器直截了当互联,路灯的操纵都直截了当来自操纵中心的命令,操纵中心不能离路灯太远"此外,系统的容量受操纵中心的处理能力限制,这往往会导致系统的可靠性,效率较低,爱护成本增高等"尽管能够采纳多种辅助措施来进行改进,使操纵中心和系统的可靠性都有较大幅度的提高,但这种操纵方式的系统成本仍旧专门高。

2．2方案二：

分布式操纵方式:

操纵功能部分下放至照明终端设备,处于最终端的照明设备既受操纵设备操纵,同时也能依照时刻,光照等传感参数进行自主操纵,实现对路灯运行参数的设定操纵功能"这种操纵方式的优点:

由于每个操纵单元都能够独立工作,其功能也比较单一,操纵系统的可靠性较高,易于日后进行扩展"这种方案节约了能源消耗,还延长了灯具的使用寿命,促进了照明技术的进展,在有用意义和经济意义两方面来说都具有重要的意义"。

2.2.1框图

图2-1路灯操纵器硬件框图

2.3方案的确定

综合考虑,分布式路灯监控系统与采纳其他方式的系统相比有专门多优势,此监控系统能够收集路灯系统运行的大量信息,然后依照一些重要数据做出规划"系统的运营成本因此能大幅度下降,灯具的使用寿命增加,能耗降低"总之,通过采纳分布式路灯监控系统,都市公共照明系统的安全性得到了保证,在环境爱护方面,采纳这种分布式的系统能更为合理的调光操纵,使得照明设备更加高效。

3单元电路设计和论证

3．1单片机最小系统

图3-1单片机最小系统

3.2载波LED路灯操纵系统介绍

完整的电力载波LED路灯操纵系统,包括操纵中心软件!

基站操纵器!

路灯操纵器以及完成总站操纵中心到基站操纵器,实现基站操纵器与路灯网络之间通讯过程的协议软件"本文将GPRS无线通信技术和电力线载波技术结合起来,并应用于都市路灯监控系统中"如图2一1所示,本系统采纳三级结构形式,远程通信问题和中继通信的问题都因此被解决"此外,本系统做到了更好的成本操纵,既降低了系统的硬件成本和路灯的电能消耗,又提高了治理效率,节约了治理爱护的成本"。

图3-2LED路灯操纵系统结构

3.2.1系统结构

如图3-2所示,本文的LED路灯操纵系统分为三层,底层为LED路灯操纵器,负责路灯开关操纵以及LED路灯运行参数信息的反馈,中间层为基站操纵器,通过电力载波网络负责对所属LED路灯网络进行监控,并通过GPRS/GSM设备与总操纵器进行数据交互"上层为总操纵器,将用户命令通过GPRS/GSM设备与基站操纵器交互,并显示管辖路灯网络的运行情形系统运行时,用户需要下达开关灯,采集路灯工作状态,或是对路灯实施节能操纵的操纵命令时,就通过总操纵器的软件进行命令操作"命令被打包成数据包,通过GSM网络发送到目标基站操纵器的GSM模块"目标GSM模块解开该数据包,依照数据包的操纵命令,将操纵数据封装成电力载波通信协议的格式,通过电力载波收发模块发送操纵包"目标路灯操纵器的电力载波模块收到数据包后执行相应动作,或将采集到的传感器数据通过电力载波网络传回相应基站操纵器,最终反馈到总操纵器"总操纵器将路灯运行状态返回给用户,方便用户及时对路灯线路进行爱护,从而实现都市路灯操纵的远程化和智能化"。

3.2.2组成要素

从技术的角度来说,路灯监控的实质确实是要测量!

记录!

设定路灯运行的参数"典型的路灯操纵器一样由以下几个部分组成:

.传感器:

所谓传感器是固定在路灯操纵器中的数据采集装置,在本系统中,它将系统路灯运行的参数如电压!

电流!

温度!

光照强度等参数记录下来以作为路灯操纵的决策依据以及上传给总站操纵器以供用户决策"如此的传感器包括光照传感器,温度传感器,电流传感器等"。

.数据传输设备:

该设备负责将采集到的传感数据从底层采集设备传输到运算机系统进行处理,而数据传输设备确实是用来完成此项工作的"在本系统中电力载波调制解调器和GSM收发器负责数据从传输"。

.数据处理设备:

通过传感器采集的数据汇总到总操纵器后需要进行数据的处理分析,在本系统中由总操纵器负责数据从处理"在路灯操纵器和总操纵器之间起桥梁作用的是基站操纵器"路灯操纵器可视为传感节点,利用电力载波通讯技术与基站操纵器进行数据的交互"基站操纵器得到需要的数据后通过GPRS/GSM方式与总操纵器进行数据交互"采纳这种方式即减轻了总操纵器的负担,又方便日后系统的扩容"。

3.3电力载波通信介绍

传输数据的传输介质!

连接设备形成拓扑结构和共享资源的介质操纵方法等技术决定了网络特点[l9l"与一样的运算机网络不同,电力线介质设计的初衷是为了完成电能而不是数据的传输,故关于数据传输而言,其信道特性专门不理想,这具体表现为噪声显著且信号衰减较为严峻"。

.有色背景噪声"有色背景噪声的功率谱密度较低,同时,随着频率增加,其功率谱密度减小"有色背景噪声由于信道上的大量低强度噪声源叠加而产生"有色背景噪声跟频率专门相关,这一点与不连续的,与频率不相关的白噪声不同"此外,随时刻变化,有色背景噪声的参数也会发生变化"。

.窄带噪声"窄带噪声中只有小部分不是调幅正弦波"中波和短波广播进入介质产生了窄带噪声,其中幅值在白天通常是时变的,在晚上大气反射效应会加强,因此幅值会增大"。

.同电网频率不同步的周期性脉冲噪声"其重复频率在50一ZO0kHz,其频谱为分散的线,重复速率的显现造成了频率空白,此类噪声多由开关电源产生"此外,同电网频率不同步的周期性脉冲噪声占用的频段彼此专门接近"。

.同电网频率同步的周期性脉冲噪声"这类噪声为重复频率soHz或100Hz并同供电网络主频率同步到脉冲"这类脉冲连续时刻短,一样在毫秒级,同时随着频率增加,其频谱密度减少"由于电源与电网频率的同步运行造成了此类噪声,例如连接到电网的整流器"。

.非同步脉冲噪声"电网切换暂态信号造成了非同步脉冲噪声"这些噪声随机产生,其连续时刻较短,连续时刻从几微秒到几毫秒不等"此外,其频谱强度能够比背景噪声高SOdB,这使其成为PLC网络数字通信出错的要紧缘故"。

这些噪声对电力载波通讯中的数据传输造成专门大的阻碍,专门多情形下噪声干扰太强而致通讯失效"因此在解决电力载波通讯时效性的问题时要充分考虑信道的噪声干扰特性"PLC网络中信号的衰减取决于电力线的长度!

电力线干扰特性以及信道传输特性,专门是当传输距离较长时,信号的衰减结合噪声使得长距离信号传输出错几率增加"因此,在距离较长的电力载波网络中需要采纳路由算法来中继数据包以及对收发数据进行确认来保证数据可靠性"。

针对LED路灯网络,其道路长度往往比较长,因此路由问题以及相关数据确认

确实是信号传输的关键问题,只有使用合理的路由算法以及相关协议,数据传输的正确性和及时性才能得到保证"因此在研究LED路灯网络中的电力载波通.信协议时要重点关注路由等相关算法协议"。

3.4电力载波相关协议

低压电网的特性包括低压电网本身不利的拓扑结构!

恶劣的传输环境!

电磁

兼容问题!

以及他们所导致的低数据传输速率和对来自网络自身和周围环境干扰

的敏锐性"为了在如此的环境中提供必需的传输服务,我们需要使用较好的传输

机制和协议

图3-3ISO/OSI参考模型

关于电力载波LED路灯网络,确保数据传输的协议要紧包含物理层!

数据链路层协议和网络层协议,如图3-3"物理层负责数据在通信介质上的传输,包括传输介质的电气特性!

时钟同步!

信号编码!

调制解调等"因为物理层不在本文研究范畴,因此下文不再展开"数据链路层协议负责介质访问操纵"网络层协议要紧负责给出网络结构,并对数据进行路由"。

在每个共用传输介质的系统中,MAC层是通用协议体系的组成部分"针对不同通信系统,需要对其具体传输特点!

运行环境开发不同的MAC协议来适应特定的通信系统"电力载波网络的特性包括特定的传输介质（低压电力线网络）,该网络需要在数据传输受干扰的情形下实现有限速率的数据传输"。

MAC协议

MAC协议的任务是通过治理网络资源可接入片段来对网络中多个节点的访问进行操纵"在本系统中,下行传输治理比较容易,因为基站操纵器可对此完全操纵,在那个方向上,基站向一个或多个路灯操纵器发送数据"在这种情形下,在传输介质下行方向只有来自基站操纵器的数据包"但在上行线路中,多个路灯操纵器需要为介质访问权而竞争"不同路灯操纵器相互独立,在任何时候都可能发送数据,因此需要MAC协议来治理介质访问,幸免在链路层的数据包冲突"MAC协议要紧分为两类,固定和动态访问协议"固定访问机制对用户的连接预先分配容量,例如传统的业务"用户被预选分配的网络容量与它当前对网络的需求无关"这种方式适合连续流量,不适用于突发数据流量"动态访问操纵不同于固定访问操纵,适合于数据传输"本系统不同于传统的固定网络业务,像业务,信道带宽都己固定分配好,和数据需求没有关系,数据业务不是固定不变的,各个节点有时需要传输的信息可能专门大,有时又可能专门小,因此本系统需要采纳动态访问协议。

动态访问协议又分为两类:

竞争协议和仲裁协议,如图2一4所示"网络中的

所有节点一样都随机访问网络介质,这是基于竞争的MAC协议中的原那么"当有两个或者两个以上的网络节点同时有传输数据的需求时会发生冲突,因为在采纳竞争协议的网络中,节点不能把握网络中其他节点数据传输的需求"可见冲突问题是该类MAc协议要解决的核心问题，一方面,在采纳仲裁协议的通信网络中,协议实现了节点对传输介质的专有访问,这是通过节点之间和谐实现的"节点以确定方式访问介质来幸免冲突"但缺点是仲裁过程需要花费额外时刻,专门是在网络规模较大的情形下,造成较大的网络延时。

图3-4动态MAC协议分类

低压电力载波网络在网络负载比较大时,网络节点数目比较多,采纳仲裁协议比如令牌协议,需要在各个节点间传输-冷牌0信息,如此导致网络的传输时刻会专门长,势必会造成专门大的网络延迟"本电力载波LED路灯网络为分布式自组织网络,又信道有时变性造成了网络拓扑的时变性特点,再者网络节点数目不确定"这些特点导致该类协议在本网络中的