電力線載波SoC實(shí)現(xiàn)路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用實(shí)例

1、電力線載波SoC實(shí)現(xiàn)路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用實(shí)例上網(wǎng)日期: 2012年01月17日  打印版 訂閱 關(guān)鍵字： 遠(yuǎn)程監(jiān)控  LED路燈  電力線載波  城市路燈是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚墓苍O(shè)施，近年來，具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的智能化路燈監(jiān)控系統(tǒng)逐漸得到推廣應(yīng)用，除了傳統(tǒng)的高壓鈉燈、鹵素?zé)敉?，新型的LED路燈更是廣泛采用遠(yuǎn)程監(jiān)控接口，以達(dá)到節(jié)能降耗，集約化，智能化管理的目標(biāo)。 電力線載波具有安裝方便，免布線的天然優(yōu)勢(shì)，在各種遠(yuǎn)程控制中很早就有應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)載波在防雷方面具有較好的效果，載波信號(hào)通過磁環(huán)與外部線路耦合，可有效減少傳導(dǎo)到芯片端的脈沖能量，減少器件損壞

2、的風(fēng)險(xiǎn)。另外，在現(xiàn)有路燈的智能化改造中，載波模塊可直接安裝在燈桿底端的控制箱中，無需安裝到燈頭處，施工成本大幅降低。 本文介紹基于中穎工業(yè)級(jí)電力線載波SoC-SH99F01的路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，并對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議棧PLC-NT-SSL進(jìn)行詳細(xì)介紹。 SH99F01芯片特點(diǎn) SH99F01是一顆工業(yè)級(jí)電力線載波通信SoC，內(nèi)建高性能載波調(diào)制解調(diào)模塊，處理器為1T增強(qiáng)型8051 MCU，主要特點(diǎn)如下： 載波模塊部分： 系統(tǒng)方案：零中頻全數(shù)字收發(fā)機(jī)。 調(diào)制解調(diào)：63位直接序列擴(kuò)頻調(diào)制及DBPSK窄帶調(diào)制雙模方案。 模擬前端：90dB總接收增益，內(nèi)建模擬低通，帶通濾波，10位DAC波形輸出，

3、輸出增益4級(jí)可調(diào)。 增強(qiáng)功能：真實(shí)RMS的接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)，數(shù)字頻率合成，載波頻率可寄存器設(shè)定，接收雙通道分時(shí)復(fù)用。 糾錯(cuò)編碼：級(jí)聯(lián)編碼(RS編碼+卷積編碼+交織)。 系統(tǒng)功耗：收發(fā)不超過10mA(發(fā)送不包含線路驅(qū)動(dòng)功耗)。 MCU部分： CPU：增強(qiáng)型8051(1T)內(nèi)核，最大工作頻率16M。 片上存儲(chǔ)器：16K Bytes Flash程序空間；768 Bytes 片上SRAM；2K Bytes類EEPROM。 IO端口：最多16個(gè)IO端口，每個(gè)端口10mA驅(qū)動(dòng)能力，內(nèi)建上拉電阻。 外設(shè)：1個(gè)增強(qiáng)型UART；3個(gè)16位定時(shí)器(Timer2具捕獲功能)；4通道10位SAR ADC。

4、 其他：工作電壓VDD = 3V5.5V；具備ISP功能，可在線更新程序并支持SSP，JTAG仿真接口；BOM成本低，業(yè)界最具性價(jià)比的載波SOC方案。 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 基于電力線載波方案的路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。每個(gè)集中控制器下設(shè)一個(gè)控制子網(wǎng)，通過電力線連接各個(gè)單燈控制器，集中控制器再通過GPRS或其他無線或有線技術(shù)連接遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。集中控制器作為本地監(jiān)控主機(jī)，負(fù)責(zé)解析遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的控制命令，監(jiān)測(cè)本地路燈的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)上報(bào)給監(jiān)控中心。每個(gè)單燈節(jié)點(diǎn)都有獨(dú)立的編號(hào)，在邏輯上構(gòu)成一個(gè)樹形網(wǎng)絡(luò)。 圖1: 基于電力線載波方案的路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu) 在圖1的架構(gòu)中，基于SH99F01的載波

5、SoC只負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建以及協(xié)議數(shù)據(jù)的透明傳輸，通過PLC Master與PLC Slave模塊，在Host與Client之間建立透明傳輸通道，其中Client負(fù)責(zé)具體燈具的監(jiān)控動(dòng)作。在一些簡單的系統(tǒng)中，也可整合PLC Slave與Client功能，使用SH99F01的片內(nèi)外圍電路做一些簡單的監(jiān)控應(yīng)用，如通斷控制、PWM調(diào)光、電流電壓采樣、電纜防盜檢測(cè)等。 載波用于路燈網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì) 電力線載波很早就用于中高壓的電力調(diào)度，電力監(jiān)控，低壓的遠(yuǎn)程抄表，遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域， 在中高壓的電力載波機(jī)技術(shù)已經(jīng)是種成熟技術(shù)，而低壓的抄表，監(jiān)控等應(yīng)用也取得了不錯(cuò)的效果，但也遇到通信可靠性，穩(wěn)定性方面的問題，這主要是由于

6、電力線信道的開放性，時(shí)變性，強(qiáng)干擾與強(qiáng)衰減特性與載波芯片物理層技術(shù)的局限性所致，實(shí)際應(yīng)用中必須配合組網(wǎng)技術(shù)來彌補(bǔ)物理層的不足。 路燈網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的電力線網(wǎng)絡(luò)，首先，路燈網(wǎng)絡(luò)負(fù)載單一，一般一條線路采用同一類型路燈，可以有針對(duì)性的對(duì)線路負(fù)載與干擾進(jìn)行一定優(yōu)化，同時(shí)載波也可有針對(duì)性的采取一些對(duì)抗措施，獲得較理想的傳輸通道，尤其是新型的LED路燈，其自身供電模塊就有很高的EMI要求，對(duì)載波的影響更?。黄浯?，路燈網(wǎng)絡(luò)線路走向比較確定，拓樸結(jié)構(gòu)簡單，組網(wǎng)可以采用較為簡化的方法進(jìn)行，而每個(gè)路燈有規(guī)律分布，不太會(huì)出現(xiàn)通信無法達(dá)到的“孤島”節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)路燈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量也有限，協(xié)議開銷不高；再次，路燈網(wǎng)絡(luò)控制

7、方法也較為簡單，以主從控制為主，由集中器以輪詢或組播方式控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)，必要時(shí)增加各個(gè)節(jié)點(diǎn)到集中器之間的主動(dòng)報(bào)警功能以提高異常響應(yīng)速度；最后，每條路燈線路都是一個(gè)獨(dú)立的小系統(tǒng)，通過配變與10KV線路隔離，載波信號(hào)被局限在該配變下，配變與配變之間載波相互隔離，容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)復(fù)用，達(dá)到大范圍組網(wǎng)?；谝陨显颍d波應(yīng)用于路燈網(wǎng)絡(luò)具有比傳統(tǒng)載波應(yīng)用更高的可靠性與適用性。 PLC-NT-SSL協(xié)議 PLC-NT-SSL協(xié)議是中穎PLC組網(wǎng)通信協(xié)議的一種，采用集中式主從控制方式，適用于路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控及類似系統(tǒng)。該協(xié)議具有如下特點(diǎn)： * 基于主從控制，載波集中器(PLC Master)為主節(jié)點(diǎn)，載波終端(PLC

8、 Slave)為從節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)可以輪詢或組播方式控制或查詢從節(jié)點(diǎn)狀態(tài)； * 支持主動(dòng)上報(bào)，載波終端可主動(dòng)向載波集中器發(fā)送狀態(tài)異常及報(bào)警信息； * 使用載波偵聽，沖突退避算法(CSMA / CA)，在多節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)可減少?zèng)_突； * 使用自動(dòng)方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，無需人工配置，路由表存儲(chǔ)在載波集中器的EEPROM中，同時(shí)也可把組網(wǎng)拓?fù)鋫魉徒o遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)，以樹狀形式在主機(jī)界面顯示； * 每條路徑均提供備用路由，支持自動(dòng)調(diào)整路由，支持自動(dòng)搜索新路由； * 支持人工調(diào)整路由，支持新增節(jié)點(diǎn)及刪除節(jié)點(diǎn)； * 支持五級(jí)中繼，支持254個(gè)節(jié)點(diǎn)； * 物理層支持高頻150KHz以上及低頻150KHz以下載波頻點(diǎn)，

9、以滿足不同地區(qū)頻譜規(guī)范要求。 PLC- NT-SSL協(xié)議設(shè)計(jì)為基于載波的“透明”傳輸協(xié)議，協(xié)議只負(fù)責(zé)構(gòu)造PLC Master與PLC Slave之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸通道，至于數(shù)據(jù)內(nèi)容及應(yīng)用層控制方式，則由終端應(yīng)用廠商自行定義及開發(fā)。如圖2所示，藍(lán)色字體部分為協(xié)議棧的核心內(nèi)容，分成 4個(gè)層次，CL層為匯聚層，完成長數(shù)據(jù)包的拆解與拼接，NET層為網(wǎng)絡(luò)層，完成路由尋址功能，MAC層為介質(zhì)接入層，完成多點(diǎn)接入時(shí)的沖突避讓，PHY層完成最底層的載波數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)Host與Client而言，無需關(guān)心PLC層面的通信架構(gòu)及具體執(zhí)行，只需按照應(yīng)用要求給出目標(biāo)地址及相應(yīng)的控制命令。 圖2: PLC-NT-SSL協(xié)議

10、棧 PLC-NT-SSL協(xié)議采用軟中繼方法，通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，圖中PLC Relay在物理上就是個(gè)普通終端節(jié)點(diǎn)。 協(xié)議棧使用 PLC-NT-SSL協(xié)議分成網(wǎng)絡(luò)初始化和端到端數(shù)據(jù)透?jìng)鲀蓚€(gè)工作階段，下文具體說明。 1） 網(wǎng)絡(luò)初始化階段 此階段在硬件安裝完成后進(jìn)行，通過一種優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)搜索算法，搜索網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)，每搜到一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即存儲(chǔ)該節(jié)點(diǎn)路由信息，并把該節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)標(biāo)志為“聯(lián)網(wǎng)”，同時(shí)路由信息也會(huì)發(fā)送給主機(jī)。如在此過程中由于某種原因未找到某個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)狀態(tài)保持為“斷網(wǎng)”，可在澄清原因后用自動(dòng)或人工添加的方法把該節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。 每個(gè)路燈終端的識(shí)別信息(SN)可存放在Client主機(jī)中，

11、也可存放在PLC Slave中，PLC-NT-SSL協(xié)議默認(rèn)存放在PLC Slave中(存放在SH99F01內(nèi)部的EEPROM中，可在生產(chǎn)時(shí)燒入)，支持6字節(jié)SN信息。在協(xié)議工作時(shí)使用網(wǎng)絡(luò)地址(netID)進(jìn)行尋址，該 netID在網(wǎng)絡(luò)初始化之前需分配好，并建立SN與netID之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，一旦完成網(wǎng)絡(luò)初始化，所有尋址都以netID進(jìn)行，SN不再參與。 參與網(wǎng)絡(luò)初始化過程的設(shè)備為Host，PLC Master以及各個(gè)PLC Slave，而Client在此過程中不參與。初始化幀格式是針對(duì)Host與PLC Master之間的通信設(shè)置，不涉及到終端的Client。用戶使用PLC-NT-SSL協(xié)

12、議進(jìn)行組網(wǎng)通信，必須先由Host按照?qǐng)D3的初始化流程及圖4 的初始化幀格式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，而PLC Master通過何種方式搜索到相應(yīng)的PLC Slave，都內(nèi)建在PLC-NT-SSL協(xié)議中，用戶無需考慮。 圖4: 網(wǎng)絡(luò)初始化幀格式 2） 端到端數(shù)據(jù)透?jìng)麟A段 與網(wǎng)絡(luò)初始化不同，端到端數(shù)據(jù)透?jìng)魇窃贖ost與各終端Client之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)初始化已經(jīng)完成，路由已經(jīng)建立，Host可以輪詢或組播方式把控制命令發(fā)送給各終端Client，后者也可把報(bào)警信息上報(bào)給Host。PLC Master與PLC Slave只是按照協(xié)議棧將透?jìng)鲾?shù)據(jù)幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并不參與幀的解析。端到端數(shù)據(jù)透?jìng)鲙袷饺鐖D5所

13、示。 PLC Master與PLC Client之間進(jìn)行的是無確認(rèn)的傳輸，控制命令的確認(rèn)由Host層面完成，一般采用“命令響應(yīng)”機(jī)制，如Host發(fā)送“查詢狀態(tài)”命令，則目標(biāo)Client返回“狀態(tài)信息”響應(yīng)。 重傳機(jī)制也在Host層面增加，通過進(jìn)行重復(fù)幀檢測(cè)。netID為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，在Host下發(fā)各種控制及查詢命令時(shí)，netID為各終端Client的網(wǎng)絡(luò)地址，在Client響應(yīng)命令或主動(dòng)報(bào)警時(shí)，netID為PLC Master地址。 圖5: 端到端數(shù)據(jù)透?jìng)鲙袷?應(yīng)用設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 1） 一些傳統(tǒng)的高壓鈉燈通常會(huì)釋放較強(qiáng)的干擾，因而需要進(jìn)行線路優(yōu)化，只需在載波模塊之后，燈具電源之前增加一個(gè)

14、簡單的濾波裝置即可有效減少線路上的干擾。 2） 在對(duì)負(fù)載進(jìn)行必要優(yōu)化后，正常情況下，網(wǎng)絡(luò)初始化都能找到全部節(jié)點(diǎn)，個(gè)別情況有斷網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，一種可能是該節(jié)點(diǎn)軟件或硬件存在故障或損壞，一般由對(duì)產(chǎn)品測(cè)試不完善所致，可改進(jìn)產(chǎn)品測(cè)試流程；另一種可能是該節(jié)點(diǎn)離其他節(jié)點(diǎn)距離過長，超出單級(jí)通信可及范圍或協(xié)議中繼范圍，這種情況可在線路上增加硬中繼，或適當(dāng)增加發(fā)射功率，或局部增加無線橋接。 3） 終端的主動(dòng)報(bào)警有效提升了異常響應(yīng)速度，也是PLC-NT-SSL協(xié)議的特色之一。由于引入了主動(dòng)報(bào)警，必須處理多點(diǎn)接入時(shí)的沖突退避，相比主從控制方式，協(xié)議的復(fù)雜性大幅增加。得益于SH99F01提供的快速封包檢測(cè)功能，可實(shí)現(xiàn)快速載波偵聽并進(jìn)而改善CSMA/CA效率。 4） 某些情況下需要快速控制多個(gè)節(jié)點(diǎn)，如廣播開燈，廣播關(guān)燈，廣播調(diào)光等，以彌補(bǔ)輪詢控制速度上的不足。而由于線路負(fù)載及距離的限制，實(shí)際上無法做到對(duì)全網(wǎng)的單級(jí)廣播，廣播命令實(shí)際是按照網(wǎng)絡(luò)層次逐級(jí)傳遞，過程類似“洪泛”。PLC-NT-SSL協(xié)議采用一種簡化的組播控制方式，可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的快速控制，同時(shí)又避免了“洪泛”的無需競(jìng)爭所導(dǎo)致的低效率。 本文小結(jié) 近年來，公眾對(duì)路燈這類公共服務(wù)產(chǎn)