電力線通信技術(shù)是利用電力線傳送數(shù)據(jù)和語(yǔ)音信號(hào)的一種通信方式。該技術(shù)將載有信息的高頻信號(hào)加載到電力線上，用電線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)專(zhuān)用的電力線調(diào)制解調(diào)，將高頻信號(hào)從電力線上分離出來(lái)，傳送到終端設(shè)備[1]。本文在我國(guó)配電網(wǎng)分布廣泛的基礎(chǔ)上，研究和設(shè)計(jì)了一種以電力線載波傳輸?shù)姆绞綄?duì)路燈進(jìn)行控制的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于電力線在進(jìn)行跨變壓器傳輸時(shí)信號(hào)衰減大，所以根據(jù)實(shí)際需求可以采用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的方式傳輸或者通過(guò)路由接入廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)數(shù)據(jù)通信。管理人員只需要對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作，通過(guò)電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，就能對(duì)路燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制和對(duì)路燈的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查詢，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈及時(shí)有效的管理控制。

1.1 設(shè)計(jì)思路

路燈控制系統(tǒng)由主控中心、路燈智能控制中心、路燈控制盒三大部分組成。配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送，主控中心可以通過(guò)GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)或路由器與路燈智能控制中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。智能控制中心接收到主控中心的命令后再通過(guò)電力線載波的方式將監(jiān)控中心的命令傳送到各支路的路燈分控盒。與此同時(shí)，路燈智能控制中心通過(guò)電力線載波模塊對(duì)每一個(gè)路燈的溫度、亮度、電壓、電流等情況進(jìn)行檢測(cè)，并向主控中心發(fā)送電壓電流異常報(bào)警、路燈故障報(bào)警、超高溫度報(bào)警等信息，以達(dá)到對(duì)每個(gè)路燈進(jìn)行管理控制的目的。如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

主要對(duì)路燈控制系統(tǒng)的控制器模塊與電力線傳輸模塊的接口和電力線傳輸模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2.1 MI200E電力線載波芯片

電力傳輸模塊選用上海彌亞微公司生產(chǎn)的MI200E電力線載波通信芯片，它采用復(fù)雜的正交調(diào)制原理，該原理應(yīng)用在信號(hào)衰減變化劇烈的電力線傳輸中有極大的優(yōu)越性。相比較于當(dāng)前主要的窄帶通信方式、擴(kuò)頻通信方式、正交頻復(fù)用技術(shù)，它能夠更有效地阻止相位和正交之間的關(guān)聯(lián)所帶來(lái)的消極影響。MI200E是專(zhuān)門(mén)針對(duì)低壓電力線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的高集成度、高性能的電力線載波通信芯片，具有通信可靠，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，用戶可以非常容易地將模塊嵌入到系統(tǒng)中[2]。

1.2.2 控制器模塊

選用LM3S6916的32位ARM處理器作為智能控制中心的控制器，它支持最大主頻為50 MHz的ARM Cortex-M3內(nèi)核，集成的嵌套向量中斷控制，它相比于其他控制器的最大優(yōu)勢(shì)在于其集成了100 MHz的以太網(wǎng)[3]。當(dāng)智能控制中心與主控中心處于不同的局域網(wǎng)時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)路由器與廣域網(wǎng)連接，只要對(duì)IP地址進(jìn)行配置就能實(shí)現(xiàn)通信，或者也可以采用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?？刂破髋c電力線傳輸模塊采用SPI接口，它不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，簡(jiǎn)單而高效，最高速率可達(dá)幾Mb/s。接口硬件原理圖如圖2所示。

控制器LM3S6916的CPU主頻采用6 MHz、3.3 V的電源供電，25 MHz晶振用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)采用按鍵復(fù)位操作。CS是MI200E的片選輸入，SDO是串行數(shù)據(jù)輸出，SDI是串行數(shù)據(jù)輸入，SCK是串行時(shí)鐘輸入。讀指令時(shí)，將片選信號(hào)CS設(shè)置為低電頻，此時(shí)SDO為高阻態(tài)，串行數(shù)據(jù)由SDI輸入，并且時(shí)鐘信號(hào)SCK的上升沿被鎖存。寫(xiě)指令時(shí)，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)SCK的下降沿由SDO輸出。PLC_AC接通電源后，通過(guò)電力線載波的傳輸方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

1.2.3 電力傳輸模塊

智能控制中心的控制器通過(guò)電力載波模塊與分控盒電力載波模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。由于MI200E電力線載波芯片高度集成的特點(diǎn)，使得它的外圍電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，故本設(shè)計(jì)選用MI200E作為電力線載波通信芯片，電路原理圖如圖3所示。

MI200E的模擬電源AVDD和數(shù)字電源DVDD分別并接入10μF的電解電容和100 nF的電容，對(duì)電源進(jìn)行濾波。電路設(shè)計(jì)中在數(shù)字電源DVDD和模擬電源AVDD間串接入磁珠，降低了數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。為了減少220 V電壓對(duì)電力載波芯片的沖擊，本設(shè)計(jì)還在VAC+和VAC-上分別串聯(lián)5.1 MΩ和220 kΩ的電阻后接入電力線。MI200E能根據(jù)不同的要求選擇不同的載波速率，本設(shè)計(jì)采用1 920 b/s的傳輸速率、12 MHz的晶振頻率，由PA和PB以76.8 kHz的載波信號(hào)輸出，載波信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合電路后發(fā)送到電力線。RAI+和RAI-接收電力線上76.8 kHz的載波信號(hào)，MI200E載波芯片對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)用Keil uVision3作為L(zhǎng)M3S6916的編程開(kāi)發(fā)工具，主程序設(shè)置時(shí)間中斷，每隔2 ms對(duì)MI200E的內(nèi)部寄存器進(jìn)行查詢。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MI200E先以200 b/s的速率傳輸幀頭、波特率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。然后用戶可以根據(jù)要求重新配置模式寄存器，改變發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率。MI200E具有硬件自動(dòng)校驗(yàn)功能，可直接從寄存器中讀出較驗(yàn)值。接收數(shù)據(jù)時(shí)，先將發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)設(shè)置的波特率和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寫(xiě)入寄存器，硬件完成CRC校驗(yàn)后，檢查接收的數(shù)據(jù)是否正確。系統(tǒng)一直默認(rèn)為接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

將系統(tǒng)的控制中心模塊通過(guò)網(wǎng)口與智能控制中心模塊連接，智能控制中心模塊通過(guò)電力線與分控盒模塊連接。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手對(duì)智能控制中心與分控盒通過(guò)電力線載波通信進(jìn)行了多次測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了兩者之間的可靠通信。主控中心通過(guò)電力線載波方式對(duì)路燈實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制開(kāi)燈、關(guān)燈、上傳系統(tǒng)時(shí)間、上傳路燈運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈的監(jiān)控與控制要求。本地端口號(hào)為默認(rèn)的4 374，本地的IP地址為192.168.1.55，設(shè)置服務(wù)器即智能控制中心的端口號(hào)為5 000， IP地址為192.168.1.191。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)口調(diào)試助手對(duì)智能控制中心與分控盒通過(guò)電力線載波通信進(jìn)行了多次測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了兩者之間的相互通信。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試如圖5所示。

以太網(wǎng)幀傳輸協(xié)議測(cè)試結(jié)果顯示，上傳強(qiáng)制開(kāi)燈或關(guān)燈命令，路燈分控盒返回?cái)?shù)據(jù)SGGOPL<1KPGO00000000表示1號(hào)路燈開(kāi)燈或關(guān)燈成功。上傳系統(tǒng)時(shí)間命令返回?cái)?shù)據(jù)0001UTGO，對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)據(jù)為30 30 30 31 55 54 47 30 20 10 12 02 04 02 16 46 OD OA，即系統(tǒng)時(shí)間為20 10 12 02 04 02 16 46，表示2010年12月2日星期四2點(diǎn)16分46秒。上傳路燈運(yùn)行參數(shù)命令返回?cái)?shù)據(jù)0002UPGO，對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)據(jù)為30 30 30 32 55 50 47 30 F1 46 46 00 00 00 00 01 01 DE OD OA，即路燈運(yùn)行參數(shù)為F1 46 46 00 0000 00 01 01 DE，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)為241 70 70 0 0 0 0 1 1 222，表示繼電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)241、路燈運(yùn)行模式70、路燈強(qiáng)制/自動(dòng)方式70、路燈亮度值0、環(huán)境亮度00、環(huán)境溫度01、CPU溫度1222。

電力線是一個(gè)廣泛存在的網(wǎng)絡(luò)，利用這一優(yōu)勢(shì)，不需要對(duì)路燈系統(tǒng)重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要利用已有的配電網(wǎng)就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這在很大程度上降低了基礎(chǔ)建設(shè)和維護(hù)的成本。本文選用的MI200E作為電力線載波通信模塊，它能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的傳輸，在此基礎(chǔ)上研究和設(shè)計(jì)了一種基于電力線載波的方式對(duì)路燈進(jìn)行控制的系統(tǒng)。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)表明，方案設(shè)計(jì)可行，性能穩(wěn)定可靠，可為今后“低碳”經(jīng)濟(jì)提供借鑒[4]。