3G技术在LED路灯照明智能监控系统中的应用

汪义旺 张 波 吴 铄

(1.苏州市职业大学电子信息工程系，江苏苏州 215104;2.苏州新士达光电科技有限公司，江苏苏州 215128)

1 引言

作为第四代光源的LED照明产品已经广泛应用于通用照明领域，特别是大功率LED路灯，正以迅猛速度冲击传统的路灯市场［1］。近年来，已出现了大量的采用无线通信、电力载波、GPRS等技术的路灯智能管理监控系统方案［2～3］。然而，随着城市道路规模的不断增加，用于照明的路灯数量和规模都大幅增长，对其控制的数据传输容量和速率、系统稳定性等方面都提出了新的更高要求，传统的控制管理方式难以满足对现代化的智能照明控制需要。

3G(3rd Generation，第三代移动通信技术)是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术［4］，3G技术相对于GSM和GPRS无线网络具有更多的技术优势，其中传输速率可达到144kbps～2Mbps［5］，可以满足路灯监控系统的实时性和数据传输量大的要求。

低压电力线载波PLC(Power Line Carrier)通信技术是以低压配电线 (380V/220V电力线)作为信息传输媒介进行数据或语音等传输的一种特殊通信方式［6～7］。由于供电网络本身是一种方便、低成本、高可靠性的通信媒介，使得电力载波通信变得方便、成本低、易实现［6］。将低压电力线载波通信技术引入LED路灯照明控制系统，利用低压PLC可以实现远程控制每盏LED路灯具的开关、工作状态监测、调光控制和故障识别等，减少了传统远程控制通信的布线成本，但由于PLC的通信距离和控制节点数量有限，不能满足区域或多路段的大范围路灯智能监控系统的控制需要。将PLC结合3G通信技术，发挥各自的通信优势，可实现较大范围或区域的LED路灯监控。

2 监控系统结构

基于PLC和3G技术的LED路灯照明智能监控系统结构如图1所示。系统由若干智能控制终端模块、3G区域 (路段)集中控制器、远程监控中心或便携式移动控制终端组成。

图1 LED路灯照明智能监控系统结构

智能控制终端模块通过电力载波通信与集中控制器组网，集中控制器通过3G无线通信网络与控制中心或便携式移动控制终端进行数据交换，实现对路灯的实时在线监控。

3 硬件系统设计

硬件系统主要包括智能终端控制模块、集中控制器和远程监控数据采集模块的硬件设计。

3.1 智能终端控制模块

智能终端控制模块主要完成对LED路灯的恒流驱动、智能调光控制和PLC组网通信，其硬件组成原理框图如图2所示。

图2 智能终端控制模块硬件结构

主电路由前端带PFC功能的开关电源和后端恒流变换电路组成，开关电源采用基于L6562功率因数控制器［9］来实现，可以满足宽电压输入和高PF值的要求。后端的恒流驱动电路采用Buck变换电路，经PWM控制来实现精确恒流控制。MCU控制器采用uPD78F0503D单片微控制器为核心，PLC通信电路采用PL2102芯片［10］，环境亮度检测芯片采用带I2C接口的智能环境光传感器NOA1302［11］，它们与控制器间采用I2C总线连接。控制器通过AD转换接口采集输出电流反馈值，实现电流闭环精确控制。

3.2 集中控制器

图3 集中控制器硬件结构

集中控制器以PLC通信的方式与各终端控制模块进行通信，并通过3G网络与监控中心进行通信。负责采集各模块数据并转发控制中心的指令。同时，控制器还采集所连接区域 (路段)的电能数据信息。集中控制器的硬件结构图如图3所示，主要包括uPD78F0511、PLC通信模块、3G模块、时钟和存储电路、电源模块和电能计量模块等。

图3中，MCU控制器采用uPD78F0511单片微控制器，电能计量模块采用单相多功能计量芯片ATT7053A［12］，通过 SPI接口和 MCU通信，实时获取电能参数信息。微控制器通过I2C接口与PLC通信模块通信，完成PLC数据的采集和指令的传送。时钟电路采用内置高精度调整的水晶振子的I2C总线接口方式的实时计时器RX8025，存储电路采用EEPROM24C64进行数据的存储，MCU通过I2C总线读取RTC数据，并进行数据信息的存储操作。

中国电信的CDMA是3G网络里覆盖最广泛的，并且传输速率较快，上行和下行峰值传输速率分别能达到3.1Mbps和1.8Mbps［13］，能够满足路灯照明智能监控系统无线传输速率的要求。设计采用SIMCOM公司的 SIM5216E［14］模块进行3G通信设计，支持 WCDMA通信模式，模块集成了UART、USB等接口，方便与控制器的设计开发。本设计的MCU采用UART与SIM5216E模块进行通信，实现集中控制器与监控中心的3G组网。

4 软件系统设计

软件系统分为智能终端控制软件设计、集中控制器软件和远程监控的软件设计。

4.1 智能终端控制模块和集中控制器软件设计

两者都采用基于NEC的MCU为控制核心，其控制软件都采用NEC单片机集成开发环境平台PM+V6.30的进行开发设计，利用模块化设计思想，采用C语言程序编写。智能终端控制模块工作流程如图4所示，系统开始工作后，进行初始化和准备通信组网，接收集中控制器的指令信息，进行相应的操作。

集中控制器软件主要完成各终端控制模块的数据采集与指令转发，电能参数的采集等功能，其工作流程如图5所示。

4.2 监控软件设计

监控软件采用基于Visual Studio开发平台进行开发，主要由用户管理、系统运行监控、系统通信管理、能量分析管理、数据库和事件记录管理等模块组成，其构成图如图6所示。

图4 智能终端控制模块的工作流程

图5 集中控制器的工作流程

图6 监控软件模块

5 系统测试

根据所提出的设计方案，开发了基于3G通信技术的LED路灯照明智能监控系统，并对系统进行了测试实验。实验系统集中控制器5台，每个集中控制器最多可连接80W(1W的大功率LED10串8并连接，额定恒流2.5A)大功率LED路灯200套，系统联网控制规模1000套。进行了远程实时监控、智能调光、能量在线检测等实验，智能终端控制器模块实时接收集中控制器的控制指令和回传相应的数据信息，集中控制器通过3G网络与监控中心进行数据交换通信。在监控中心主机上，通过运行智能路灯监控软件，可以发送控制指令和观测各路灯的工作的参数信息等，记录部分监控中心监测数据如表1所示。

表1 部分监控中心监测数据表

在系统实验数据测试中，由于受通信距离和电力线通信信道的噪声等影响，会出现少量数据丢失或数据采集不准确等影响，为此本系统在软件设计时采用多次采样软件滤波算法，来消除数据干扰，提高数据采集的准确度。通过实验发现，也可以通过增加集中控制器数量和减少控制器所连接的路灯数量，来进一步提高数据通信的可靠性。

对比检测数据和实测数据，误差均在允许的范围内。结果表明该系统远距离通信实时可靠、LED路灯运行稳定，实现了基于3G通信技术的远程控制，达到了预期的控制效果和参数指标。

6 结束语

将3G通信技术引入到LED路灯的远程智能监控系统，可以有效地改善传统控制不足和控制容量受限等问题，系统运行稳定，可实现能量的实时在线检测与管理，能满足未来远程在线远程路灯运行状态画面检测的需要，方便功能的扩展和监控水平的提升，也能满足跨区域大范围的路灯监控需要，具有广阔的应用前景，这将对路灯控制系统的智能化、网络化发展起到很大的促进和推动作用。

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