电力线载波路灯远程控制系统.pdf

中 穎 電 子 股 份 有 限 公 司 中 穎 電 子 股 份 有 限 公 司 SINO WEALTH ELECTRONIC LTD.頁次(PAGE)1/6 第 1 页 共 6 页 基于中颖载波基于中颖载波 SOC 的路灯远程监控应用的路灯远程监控应用 城市路灯是人们日常生活中必不可少的公共设施，近年来，具备远程监控功能的智能化路灯监控系统逐渐得到推广应用，除了传统的高压钠灯、卤素灯外，新型的 LED 路灯更是广泛采用远程监控接口，以达到节能降耗，集约化，智能化管理的目标。电力线载波具有安装方便，免布线的天然优势，在各种远程控制中很早就有应用。实际应用中也发现载波在防雷方面具有较好的效果，载波信号通过磁环与外部线路耦合，可有效减少传导到芯片端的脉冲能量，减少器件损坏的风险。另外，在现有路灯的智能化改造中，载波模块可直接安装在灯杆底端的控制箱中，无需安装到灯头处，施工成本大幅降低。本文介绍基于中颖工业级载波 SOC 芯片 SH99F01 的路灯远程监控系统方案设计，并对监控系统的通信协议栈 PLC-NT-SSL 进行了详细介绍。1.SH99F01 芯片特点芯片特点 SH99F01 是一颗工业级电力线载波通信 SOC，内建高性能载波调制解调模块，处理器为 1T 增强型 8051 MCU，主要特点如下：载波模块部分载波模块部分：系统方案：零中频全数字收发机。调制解调：63 位直接序列扩频调制及 DBPSK 窄带调制双模方案。模拟前端：90dB 总接收增益，内建模拟低通，带通滤波，10bits DAC 波形输出，输出增益 4 级可调。增强功能：真实 RMS 的接收信号强度指示（RSSI），数字频率合成，载波频率可寄存器设定，接收双通道分时复用。纠错编码：级联编码（RS 编码+卷积编码+交织）。系统功耗：收发不超过 10mA（发送不包含线路驱动功耗）。MCU 部分部分：CPU：增强型 8051（1T）内核，最大工作频率 16M。片上存储器：16K Bytes Flash 程序空间；768 Bytes 片上 SRAM；2K Bytes 类 EEPROM。IO：最多 16 个 IO 端口，每个端口 10mA 驱动能力，内建上拉电阻。外设：1 个增强型 UART；3 个 16 位定时器（Timer2 具捕获功能）；4 通道 10 位 SAR ADC。其他其他：工作电压：VDD=3V 5.5V。ISP 功能，可在线更新程序并支持 SSP，JTAG 仿真接口。BOM 成本低，业界最具性价比的载波 SOC 方案。中 穎 電 子 股 份 有 限 公 司 中 穎 電 子 股 份 有 限 公 司 SINO WEALTH ELECTRONIC LTD.頁次(PAGE)2/6 第 2 页 共 6 页 2.系统方案设计系统方案设计 系统架构系统架构 PLC SlaveClientPLC MasterHostPLC SlavePLC SlavePLC SlavePLC SlavePLC SlaveUARTUARTUARTUARTUARTUARTUARTGPRS/wirelessHost:ConcentratorEnd-Dev:Street Light ModulePLC Master:PLC Module link with HostPLC Client:PLC Module link with End-DevicePower Line集中控制器单灯控制器ClientClientClientClientClientBase StationPower Line 图 2-1 基于载波的路灯远程监控系统架构 如图所示，每个集中控制器下设一个控制子网，通过电力线连接各个单灯控制器，集中控制器再通过GPRS 或其他无线或有线技术连接远程监控中心。集中控制器作为本地监控主机，负责解析远程监控中心的控制命令，监测本地路灯的运行状况，发现异常及时上报给监控中心。每个单灯节点都有独立的编号，在逻辑上构成一个树形网络。在上图架构中，基于 SH99F01 的载波 SOC 只负责网络的组建以及协议数据的透明传输，通过 PLC Master 与 PLC Slave 模块，在 Host 与 Client 之间建立透明传输通道，其中 Client 负责具体灯具的监控动作。在一些简单的系统中，也可整合 PLC Slave 与 Client 功能，使用 SH99F01 的片内外围电路做一些简单的监控应用，如通断控制，PWM 调光，电流电压采样，电缆防盗检测等。载波用于路灯网络特殊性说明载波用于路灯网络特殊性说明 电力线载波很早就用于中高压的电力调度，电力监控，低压的远程抄表，远程监控等领域，在中高压的电力载波机技术已经是种成熟技术，而低压的抄表，监控等应用也取得了不错的效果，但也遇到通信可靠性，稳定性方面的问题，这主要是由于电力线信道的开放性，时变性，强干扰与强衰减特性与载波芯片物理层技术的局限性所致，实际应用中必须配合组网技术来弥补物理层的不足。路灯网络是一种特殊的电力线网络，首先，路灯网络负载单一，一般一条线路采用同一类型路灯，可以有针对性的对线路负载与干扰进行一定优化，同时载波也可有针对性的采取一些对抗措施，获得较理想的传输通道，尤其是新型的 LED 路灯，其自身供电模块就有很高的 EMI 要求，对载波的影响更小；其次，路灯网络线路走向比较确定，拓朴结构简单，组网可以采用较为简化的方法进行，而每个路灯有规律分布，不太会出现通信无法达到的“孤岛”节点，并且每个路灯网络节点数量也有限，协议开销不高；再次，路灯网络控制方法也较为简单，以主从控制为主，由集中器以轮询或组播方式控制各个节点，必要时增加各个节点到集 中 穎 電 子 股 份 有 限 公 司 中 穎 電 子 股 份 有 限 公 司 SINO WEALTH ELECTRONIC LTD.頁次(PAGE)3/6 第 3 页 共 6 页 中器之间的主动报警功能以提高异常响应速度；最后，每条路灯线路都是一个独立的小系统，通过配变与10KV 线路隔离，载波信号被局限在该配变下，配变与配变之间载波相互隔离，容易实现网络复用，达到大范围组网。基于以上原因，载波应用于路灯网络具有比传统载波应用更高的可靠性与适用性。3.协议栈协议栈 PLC-NT-SSL 协议协议 PLC-NT-SSL 协议是中颖 PLC 组网通信协议的一种，采用集中式主从控制方式，适用于路灯远程监控及类似系统。该协议具有如下特点：基于主从控制，载波集中器（PLC Master）为主节点，载波终端（PLC Slave）为从节点，主节点可以轮询或组播方式控制或查询从节点状态；支持主动上报，载波终端可主动向载波集中器发送状态异常及报警信息；使用载波侦听，冲突退避算法（CSMA/CA），在多节点同时发送时可减少冲突；使用自动方式进行网络初始化，无需人工配置，路由表存储在载波集中器的 EEPROM 中，同时也可把组网拓朴结构传送给远程监控主机，以树状形式在主机界面显示；每条路径均提供备用路由，支持自动调整路由，支持自动搜索新路由；支持人工调整路由，支持新增节点及删除节点；支持五级中继，支持 254 个节点；物理层支持高频 150KHz 以上及低频 150KHz 以下载波频点，以满足不同地区频谱规范要求。PLC-NT-SSL 协议设计为基于载波的“透明”传输协议，协议只负责构造 PLC Master 与 PLC Slave 之间的双向数据传输通道，至于数据内容及应用层控制方式，则由终端应用厂商自行定义及开发。如图 3-1 所示，蓝色字体部分为协议栈的核心内容，分成 4 个层次，CL 层为汇聚层，完成长数据包的拆解与拼接，NET 层为网络层，完成路由寻址功能，MAC 层为介质接入层，完成多点接入时的冲突避让，PHY 层完成最底层的载波数据传输。对 Host 与 Client 而言，无需关心 PLC 层面的通信架构及具体执行，只需按照应用要求给出目标地址及相应的控制命令。ApplicationData LinkPHY UARTPHY UARTCL LayerNET LayerPHY LayerMAC LayerNET LayerPHY LayerMAC LayerPHY UARTCL LayerNET LayerPHY LayerMAC LayerApplicationData LinkPHY UARTHOSTPLC MasterPLC RelayPLC SlaveCLIENTUARTPLCPLCUART 中 穎 電 子 股 份 有 限 公 司 中 穎 電 子 股 份 有 限 公 司 SINO WEALTH ELECTRONIC LTD.頁次(PAGE)4/6 第 4 页 共 6 页 图 3-1 PLC-NT-SSL 协议栈 PLC-NT-SSL 协议采用软中继方法，通过网络中节点进行存储转发，图中 PLC Relay 在物理上就是个普通终端节点。协议栈使用协议栈使用 PLC-NT-SSL 协议分成两个工作阶段：（1）网络初始化阶段；（2）端到端数据透传阶段。1）网络初始化阶段网络初始化阶段 此阶段在硬件安装完成后进行，通过一种优化的网络搜索算法，搜索网络中所有节点，每搜到一个节点，即存储该节点路由信息，并把该节点的网络状态标志为“联网”，同时路由信息也会发送给主机。如在此过程中由于某种原因未找到某个节点，该节点状态保持为“断网”，可在澄清原因后用自动或人工添加的方法把该节点加入网络。Host 按照初始化帧格式加载节点信息（SN 与netID）到 PLC Master 设定 RSSI 门限，启动网络初始化配置 全部节点信息加载完成？Host 根据路由信息绘制树状网络拓扑结构图 全部节点都搜索完成？每搜到一个节点，PLC Master 把路由信息存储在 EEPROM 中，同时发送给 Host 网络初始化完成，转入端到端数据透传阶段 是 否 是 否 施工人员把网络中节点信息输入 Host，包括节点 SN 以及拟分配的netID 全部节点都找到？是 否 排除节点未找到原因 自动/人工添加该节点 成功添加？是 否 图 3-2 网络初始化流程 中 穎 電 子 股 份 有 限 公 司 中 穎 電 子 股 份 有 限 公 司 SINO WEALTH ELECTRONIC LTD.頁次(PAGE)5/6 第 5 页 共 6 页 每个路灯终端的识别信息（SN）可存放在 Client 主机中，也可存放在 PLC Slave 中，PLC-NT-SSL 协议默认存放在 PLC Slave 中（存放在 SH99F01 内部的 EEPROM 中，可在生产时烧入），支持 6 字节 SN信息。在协议工作时使用网络地址（netID）进行寻址，该 netID 在网络初始化之前需分配好，并建立 SN 与netID 之间的一一对应关系，一旦完成网络初始化，所有寻址都以 netID 进行，SN 不再参与。参与网络初始化过程的设备为 Host，PLC Master 以及各个 PLC Slave，而 Client 在此过程中不参与。初始化帧格式是针对 Host 与 PLC Master 之间的通信设置，不涉及到终端的 Client。用户使用 PLC-NT-SSL协议进行组网通信，必须先由 Host 按照图 3-2 的初始化流程及图 3-3 的初始化帧格式进行网络初始化，而PLC Master 通过何种方式搜索到相应的 PLC Slave，都内建在 PLC-NT-SSL 协议中，用户无需关心。Field NameField LengthstartindicatortypelengthinformationCRC1 byte1 byte1 byte1 byte bytes2 bytescommanddata1 byte bytesextcode1 bit7 bits 图 3-3 网络初始化帧格式 2）端到端数据透传阶段端到端数据透传阶段 与网络初始化不同，端到端数据透传是在 Host 与各终端 Client 之间进行的数据传输，此时网络初始化已经完成，路由已经建立，Host 可以轮询或组播方式把控制命令发送给各终端 Client，后者也可把报警信息上报给 Host。PLC Master 与 PLC Slave 只是按照协议栈把透传数据帧进行转发，并不参与帧的解析。PLC Master 与 PLC Client 之间进行的是无确认的传输，控制命令的确认由 Host 层面完成，一般采用Command-Response 机制，如 Host 发送“查询状态”Command，则目标 Client 返回“状态信息”Response。重传机制也在 Host 层面增加，通过进行重复帧检测。netID 为目标节点的网络地址，在 Host 下发各种控制及查询命令时，netID 为各终端 Client 的网络地址，在 Client 响应命令或主动报警时，netID 为 PLC Master 地址。Field NameField LengthstartindicatortypelengthinformationCRC1 byte1 byte1 byte1 byte bytes2 bytescommanddata1 byte bytesextcode1 bit7 bitsnetID1 byte 图 3-4 端到端数据透传帧格式 中 穎 電 子 股 份 有 限 公 司 中 穎 電 子 股 份 有 限 公 司 SINO WEALTH ELECTRONIC LTD.頁次(PAGE)6/6 第 6 页 共 6 页 4.关键性能注意事项关键性能注意事项 1）一些传统的高压钠灯，一般会释放较强的干扰，需要进行一定的线路优化，只需在载波模块之后，灯具电源之前增加一个简单的滤波装置即可有效减少线路上的干扰。2）在对负载进行必要优化后，正常情况下网络初始化都能找到全部节点，个别情况有断网节点，一种可能是该节点软件或硬件存在故障或损坏，一般由对产品测试不完善所致，可改进产品测试流程；另一种可能是该节点离其他节点距离过长，超出单级通信可及范围或协议中继范围，这种情况可在线路上增加硬中继，或适当增加发射功率，或局部增加 wireless 桥接。3）终端的主动报警有效提升了异常响应速度，也是 PLC-NT-SSL 协议的特色之一。由于引入了主动报警，必须处理多点接入时的冲突退避，相比主从控制方式，协议的复杂性大幅增加。得益于 SH99F01 提供的快速封包检测（Packet Detect）功能，可实现快速载波侦听并进而改善 CSMA/CA 效率。4）某些情况下需快速控制多个节点，如广播开灯，广播关灯，广播调光等，以弥补轮询控制速度上的不足。而由于线路负载及距离的限制，实际上无法做到对全网的单级广播，广播命令实际是按照网络层次逐级传递，过程类似“洪泛”。PLC-NT-SSL 协议采用一种简化的组播控制方式，可实现多节点的快速控制，同时又避免了“洪泛”的无需竞争所导致的低效率。5.本文小结本文小结 近年来，公众对路灯这类公共服务产品的科学化精细化管理的需求逐步提高，增加远程监控接口，除了能够满足路灯节能降耗及提升服务质量外，还能有效降低市政部门的路灯维护开销，获得直接的经济效益。载波在路灯网络中的应用，克服了载波在开放线路中可靠性不足的缺点，又发挥出载波自身的优势，取得了良好的应用效果。中颖工业级载波 SOC 芯片 SH99F01 具有极高的性价比优势及易用性，非常适合对传统钠灯网络的智能化改造及新型 LED 路灯远程监控应用。本文提到的方案目前已在多家路灯系统厂商实现了量产。