LED信号电力载波通信系统Word格式.docx
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2．1方案一：
集中式控制方式:
系统以中心控制节点为中心,巾心控制节点与子节点直接连"
路灯控制器等设备直接与控制中心相连接,控制中心直接发送控制指令给路灯控制器"
采用集中式控制方式具有的优点为:
能高效率地控制路灯,故障的诊断和排除简单,控制速率较高"
但因为系统中控制中心与路灯控制器直接互联,路灯的控制都直接来自控制中心的命令,控制中心不能离路灯太远"
此外,系统的容量受控制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,维护成本增高等"
虽然可以采用多种辅助措施来进行改进,使控制中心和系统的可靠性都有较大幅度的提高,但这种控制方式的系统成本仍然很高。
2．2方案二：
分布式控制方式:
控制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控制设备控制,同时也能根据时间,光照等传感参数进行自主控制,实现对路灯运行参数的设定控制功能"
这种控制方式的优点:
由于每个控制单元都可以独立工作,其功能也比较单一,控制系统的可靠性较高,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,促进了照明技术的发展,在实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路灯控制器硬件框图
2.3方案的确定
综合考虑,分布式路灯监控系统与采用其他方式的系统相比有很多优势,此监控系统能够收集路灯系统运行的大量信息,然后根据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,通过采用分布式路灯监控系统,城市公共照明系统的安全性得到了保证,在环境保护方面,采用这种分布式的系统能更为合理的调光控制,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路灯控制系统介绍
完整的电力载波LED路灯控制系统,包括控制中心软件!
基站控制器!
路灯控制器以及完成总站控制中心到基站控制器,实现基站控制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,并应用于城市路灯监控系统中"
如图2一1所示,本系统采用三级结构形式,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控制,既降低了系统的硬件成本和路灯的电能消耗,又提高了管理效率,节约了管理维护的成本"
图3-2LED路灯控制系统结构
3.2.1系统结构
如图3-2所示,本文的LED路灯控制系统分为三层,底层为LED路灯控制器,负责路灯开关控制以及LED路灯运行参数信息的反馈,中间层为基站控制器,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设备与总控制器进行数据交互"
上层为总控制器,将用户命令通过GPRS/GSM设备与基站控制器交互,并显示管辖路灯网络的运行情况系统运行时,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控制的控制命令时,就通过总控制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控制器的GSM模块"
目标GSM模块解开该数据包,根据数据包的控制命令,将控制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控制包"
目标路灯控制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控制器,最终反馈到总控制器"
总控制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维护,从而实现城市路灯控制的远程化和智能化"
3.2.2组成要素
从技术的角度来说,路灯监控的实质就是要测量!
记录!
设定路灯运行的参数"
典型的路灯控制器一般由以下几个部分组成:
.传感器:
所谓传感器是固定在路灯控制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控制的决策依据以及上传给总站控制器以供用户决策"
这样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计算机系统进行处理,而数据传输设备就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控制器后需要进行数据的处理分析,在本系统中由总控制器负责数据从处理"
在路灯控制器和总控制器之间起桥梁作用的是基站控制器"
路灯控制器可视为传感节点,利用电力载波通讯技术与基站控制器进行数据的交互"
基站控制器得到需要的数据后通过GPRS/GSM方式与总控制器进行数据交互"
采用这种方式即减轻了总控制器的负担,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控制方法等技术决定了网络特征[l9l"
与一般的计算机网络不同,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,故对于数据传输而言,其信道特性非常不理想,这具体表现为噪声显著且信号衰减较为严重"
.有色背景噪声"
有色背景噪声的功率谱密度较低,并且,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非常相关,这一点与不连续的,与频率不相关的白噪声不同"
此外,随时间变化,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,重复速率的出现造成了频率空白,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非常接近"
.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"
这类脉冲持续时间短,一般在毫秒级,并且随着频率增加,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,其持续时间较短,持续时间从几微秒到几毫秒不等"
此外,其频谱强度可以比背景噪声高SOdB,这使其成为PLC网络数字通信出错的主要原因"
这些噪声对电力载波通讯中的数据传输造成很大的影响,很多情况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,特别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"
所以,在距离较长的电力载波网络中需要采用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,所以路由问题以及相关数据确认
就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障"
所以在研究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
的敏感性"
为了在这样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
对于电力载波LED路灯网络,确保数据传输的协议主要包含物理层!
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围,所以下文不再展开"
数据链路层协议负责介质访问控制"
网络层协议主要负责给出网络结构,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况下实现有限速率的数据传输"
MAC协议
MAC协议的任务是通过管理网络资源可接入片段来对网络中多个节点的访问进行控制"
在本系统中,下行传输管理比较容易,因为基站控制器可对此完全控制,在这个方向上,基站向一个或多个路灯控制器发送数据"
在这种情况下,在传输介质下行方向只有来自基站控制器的数据包"
但在上行线路中,多个路灯控制器需要为介质访问权而竞争"
不同路灯控制器相互独立,在任何时候都可能发送数据,因此需要MAC协议来管理介质访问,避免在链路层的数据包冲突"
MAC协议主要分为两类,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,例如传统的电话业务"
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"
动态访问控制不同于固定访问控制,适合于数据传输"
本系统不同于传统的固定网络业务,像电话业务,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很大,有时又可能很小,所以本系统需要采用动态访问协议。
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
所有节点一般都随机访问网络介质,这是基于竞争的MAC协议中的原则"
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,因为在采用竞争协议的网络中,节点不能掌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,在采用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,这是通过节点之间协调实现的"
节点以确定方式访问介质来避免冲突"
但缺点是仲裁过程需要花费额外时间,特别是在网络规模较大的情况下,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,采用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,这样导致网络的传输时间会很长,势必会造成很大的网络延迟"
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应用不理想"
本系统数据传输量较小,对网络的利用率低,但需要较短的延时,采用竞争协议是可行的"
路由协议
在本系统中网络层协议主要负责路由"
在本路灯网络中的每个路灯节点都具
有接收数据和发送数据的能力,所以每个路灯控制器都可以作为中继节点进行数据转发"
同时,在电力载波网络中,很多情况下,通信是一对一的形式,所以在研究路灯网络相关算法时,研究网络中任意点对点数据通信的路由算法有重要的现实意义"
又由于电力载波网络的特点,在路灯网络中使用专用的路由器或交换机一方面不利于成本控制,另一方面增加了系统的铺设难度,最佳的方案是路由和中继的任务由每个路灯节点来完成"
3.4.1AODV路由协议
本文己经论述了电力载波相关路由算法的进展,并说明了距离矢量路由协议（AODV）是一个可以用在电力载波环境中的,符合我们要求的路由算法"
AODV实质上就是DSR和DSDV的综合,算法以DSDV为基础,结合了DSR中的按需路由思想并加以改进"
具体的,它借用了DSR中的基础程序,比如路由发现和路由维护,同时它也借鉴了DSDV的逐跳路由"
路由维护阶段的周期更新机制和目的节点序列号的采用进一步完善了AODV的功能"
AODV协议中,路由请求和应答的结果在每个中间节点中保存起来,搜索发现过的目的节点的范围也通过扩展环搜索的方法得到了限制"
AODV只建立维护需要的路由线路"
AODV的设计理念是符合网络的动态变化拓扑,减少路径所需的路由开销"
下面按照路由发现和路由维护来介绍AODV路由协议"
路由的发现过程
AODV使用广播路由发现机制,它依赖中间节点动态建立路由表来进行分组的传送"
当节点需要一条到目的节点的路径时,节点广播一个RouteRequest（RREQ）包,然后等待接收RouteRePly（RREP）包"
RREQ分组包含源节点,目标节点地址!
广播ID!
源节点的序列号的信息,如图2一5所示"
中间节点收到RREQ包后会缓存相关信息,如果之前没有收到同信息的RREQ包,则更新信息,然后广播更新后的RREQ包"
如果已经有相同信息的RREQ在缓存中,则丢弃此RREQ包"
节点在收到RREQ包后会建立一条指向源节点到目标节点反方向的路由线路"
目的节点收到RREQ包后依据建立的反向路由线路发回RREP包"
中间节点收到RREP包后会建立源节点到目标节点的正向路由线路"
然后转发RREP包给上游节点"
最终源节点收到R丑EP包,路由发现过程结束"
路由的维护过程
网络中每个节点定时广播hello包,节点依据周围节点发送的helfo包来判断网络拓扑变化情况以及是否有路由链路断裂"
当有节点信息从当前节点的路由表中清除时该节点发送RouteError（RERR）分组,通知周围节点特定路由失效"
相关路由失效之后,源节点可重新发起路由发现过程建立路由"
3.5系统节点的设计
本文研究的电力载波LED路灯控制系统需要2种不同的节点,分别是路灯
控制器和基站控制器"
硬件设计包括器件选择!
原理图和PCB图设计!
PCB板
制作等"
网络中两种类型节点的功能各异!
对资源的要求不同,因此采用不同的
设计方法"
整个系统由电力网供电,不需要特别注重低功耗设计"
路灯控制器需
要采集路灯运行状况,配置相关传感器;
基站控制器因为要管理所辖网络,需要较大的RAM资源以及GSM通信模块"
硬件设计的难点在于保证电路的稳定可靠,减少资源需求!
减少软件的负担"
3.5.1路灯控制器的设计
路灯控制器是路灯控制系统的末端,主要功能是接收电力载波调制解调模块
发过来的信号,执行总控制器的控制命令,采集路灯运行参数等"
典型的路灯控
制器一般由传感器（包括光照传感器!
温度传感器!
电流传感器等）!
相应的信号
捕捉设备!
数据传输设备（电力载波调制解调器和GSM收发器）"
路灯控制器是
实现高效率!
低成本的管理不可或缺的一环"
3.5.2硬件设计
路灯控制器负责板上传感数据的采集,数据通过电力线传输,其硬件框图如图一所示"
路灯控制器主要包括几个部分:
电源模块MCU处理器模块,电力载波收发模块,光照传感器,电流传感器,温度传感器,和继电器模块,"
MCU处理器模块负责路灯的一系列操作"
路灯控制器的电源由LED路灯电源接入,输入为48V,经过路灯控制器电源模块,产生各个硬件模块所需的供电电压"
MCU模块控制3种传感器的数据采集!
继电器的控制以及电力载波收发模块的数据收发"
MCU通过电流,光照,温度传感器以及自身的模数转换模块监测路灯运行状况,根据控制参数通过继电器设定路灯的开关"
达到对LED路灯的高效节能控制"
电力载波调制解调模块负责数据通信,并结合相应通信协议实现网络多跳传输。
3.6基站控制的设计
基站控制器负责所辖网络的管理（包括自动注册!
拓扑维护）以及与总站控制器之间的数据交互"
其硬件框图如图3-5所示"
基站控制器主要包括凡个部分:
与路灯控制器相同的电源模块，MCU处理器模块，电力载波收发模块和独有的GSM通信模块"
基站控制器的电源同样由LED路灯电源接入,输入为48V,经过电源模块,产生各个硬件模块所需的供电电压"
GSM模块负责与总站控制器通过短信进行数据交互"
其他模块功能与路灯控制器相同"
3.6.1硬件设计
整个系统中有负责不同功能的部分,考虑到尽可能增加器件的通用性以方便日后的成本控制以及减少软件跨平台编程的工作量,我们在路灯控制器的基础上通过精简传感器,外扩SRAM,增加GSM通信模块得到基站控制器"
基站控制器需要对网络进行管理,并要存储所有网络子节点的信息,因此与路灯控制器相比需要更大的RAM资源"
此外,基站控制器需要与总站控制器进行通信,因此需要GSM模块"
硬件框图如图3-5所示"
基站控制器硬件框图。
图3-5基站控制器硬件框图
3.7电力载波调制解调模块设计
电力载波调制解调模块把要发送的数据信号通过调制方式加载到电力线上"
通过电力线传输信号的方式节省了专用信号线的铺设以及日后的管理维护"
在本系统中的电力载波调制解调模块上,选择的电力载波芯片是MI200E[27〕,它是专为远程监控系统设计的电力载波调制解调芯片"
低压电力线载波通信由来己久,相关技术也一直在更新,但均存在不同程度的缺点,如抗同频带的干扰能力差!
通信距离近等"
目前,低压电力载波通信普遍开始应用扩频通信技术,并已取得了很大的进展,这成为电力线载波通信的新热点[38〕"
MI200E即为采用内嵌直序扩频通信方式的一种芯片,且速度快!
易于开发;
速率可达1600bPs"
此外它具有可变扩频增益,三种可选的载波频率,八个可选的扩频码,内置CRC一16硬件校验电路,内置开关电容带通滤波器（BPF）,内置数字功率放大器（DPA）;
并且芯片提供了SPI接口"
表3一1是MIZOOE的性能指标"
表3-1MIZOOE的性能指标
由于MI200E是一款数模混合芯片,因此在进行软硬件设计时都必须遵循一定的准则"
在进行外围电路设计时,在电源电路,藕合电路与信号滤波电路的参数设定与器件选择,PCB设计上都必须仔细考虑"
而在进行软件开发时,如何正确设置MIZOOE的寄存器,才能让通讯可靠,也是需加以注意的。
3.7.1调制解调模块硬件设计
电力载波模块完成调制解调功能需要芯片之外,还需要相应的外围电路完成信号藕合,供电,信号滤波等功能"
图3一5是电力载波调制解调器的硬件框图"
MI200E的外围电路可分为电源电路!
电力线藕合电路!
发送滤波电路!
接收滤波电路!
SPI接口电路!
晶振电路和过零电路"
由于MI20OE具有较高的接收灵敏度,因此在电源的设计时要尽可能地降低电源纹波幅度"
MI200E与主控端的数据交换通过SPI（SerialPeripheralInterface）实现"
在点对点的通信中,sPI接口不需要进行寻址操作,且为全双工通信,简单高效,最高速率可达几Mbps,并且能够与MCU实现简单良好的联接"
图3-6电力线载波通信模块框图
如图3-6所示，电力线载波通信系统由载波耦合电路、信号发送电路（信号功率放大电路和输出功率控制电路）、滤波接收单元（接收滤波电路和解调电路）、电力线载波扩频通信芯片PLCI36-III-E等组成。
3.7.2载波耦合电路的论证
图3-7载波耦合电路实现图
电路功能
1、滤除220VAC／50Hz（或110VAC／60Hz）的交流信号；
2、抑制瞬时电压冲击（如：
雷击造成的过电压、电网电压的浪涌和尖峰电压、及
静电放电电压等）；
3、能够高效率地将发射信号注入电力线，保证在电力线上的有效信号功率；
4、对来自电力线上的有用信号实现最小的衰减和最佳接收；
5、最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰，具有高通滤波的功能。
电路元器件说明
信号耦合电路中，电容C3滤除交流50Hz信号，采用隔离变压器TR1使电力线回路和通信单元安全隔离，并由电容C3和隔离变压器的次级线圈电感L构成高通滤波器的功能，滤掉频率为50Hz的工频信号。
压敏电阻RV1抑制瞬时电压冲击。
瞬时电压冲击（如：
括雷击造成的过电压冲击、电网电压的浪涌和尖峰电压、某些用电设备所产生的尖峰干扰脉冲、工业火花，及静电放电电压等）会对电路系统起到破坏和干扰作用。
所以，要采取相应的措施进行防护和抑制。
压敏电阻的标称电压应按下式选择：
ACrms=1.4×
2×
220V×
110%≈480V。
电阻R1在本设计中取1M，也可以取值更大一些。
R1在本设计中的作用是在离线时使电容C3放电，防止出现瞬间的高压。
P6KE22CA是瞬变抑制二极管，它可以有效地避免后面电路被高压击穿。
电力线上的设备接入或者断开，都有可能引起尖峰脉冲，并导致收发电路的永久性损坏。
所以过压保护措施是至关重要的。
除了电力线上会产生高压脉冲破坏器件以外，当设备刚刚接上电源时，如果电力线刚好处于电压的最大值，而此时电容上的电压为0，会有300V（220V有效值，最大值311V）的高压直接加在变压器两端，引起很大的电流，从而在次级产生尖峰脉冲。
这个脉冲的电流相当大，可达几十安培到上百安培，采用一般的稳压管无法消除这个脉冲。
压敏电阻的响应比较缓慢，在出现脉冲的1μs之内仍然有几十伏的电源，足以烧坏放大电路。
它的电流虽然很大，但是能量却不是很大。
瞬变抑制二极管P6KE22CA响应时间是10-12纳秒，允许的正向浪涌电流在T＝10ns条件下，可达50～200A，可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率。
可以简单地把它看作一个具有强大吸收电流能力的稳压二极管，但它的动态电阻比较大，所以还需要D2和D3这两个肖特基二极管进一步把电压钳位在2V左右。
3.7.3信号功率放大电路
图3-8信号功率放大电路实现图
本部分设计实现的是谐振功率放大器的功能，具有选频和放大两个作用。
当调谐（通信系统的载波中心频率为fc＝270kHz），由于该电路中采用的是串联谐振，谐振阻抗最小，此时经过放大的信号可以顺利地通过选频电路；
而非调谐状态下，谐振阻抗非常大，信号基本没有通过选频电路.
电容C4和电感L1组成选频电路。
选频电路允许通过的频率为：
电路中的两个场效应管在切换的过程中会同时打开，瞬间会出现类似短路的情况。
这是MOS管电路中普遍存在的尖峰电路问题。
为了提高这个电路的可靠性，可以通过增加两个电阻来削弱尖峰电流，从而使整个载波通信电路更加稳定。
R2和R3的作用就是削弱尖峰电流。
R2、R3的具体数值可根据具体的电源情况进行确定，电源的功率越大，需要电阻的阻值和功率越大。
一颗P沟道的MOS管和一颗N沟道的MOS管组成可切换的功率放大电路的主体部分。
P沟道的耐流为1A，N沟道的耐流为1.5A，这就使整个载波电路的耐流为1A，所以供给这个放大电路的电源的功率不能太大，假如电源能提供的功率非常大，
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