摘  要： 針對(duì)城市路燈線路的損壞以及被盜等問(wèn)題，在分析比較現(xiàn)有路燈監(jiān)控系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)今社會(huì)對(duì)路燈控制管理的要求，提出了基于電力線載波通信的城市路燈線路檢測(cè)方案，設(shè)計(jì)了以51單片機(jī)為核心的線路檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由控制端和接收端組成，當(dāng)檢測(cè)到線路故障時(shí)控制端可以把信息反饋給路燈管理中心，同時(shí)發(fā)送指令啟動(dòng)無(wú)線檢測(cè)模塊，以確認(rèn)該線路的具體故障位置。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到路燈線路狀況，改變?nèi)肆z修排查的低效性，具有較好的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞： 路燈線路監(jiān)控系統(tǒng)；電力線載波通信；51單片機(jī)

0 引言

　　路燈線路的損壞（如短路引起線路燒毀）或被盜將造成大面積的路燈無(wú)法供電。現(xiàn)有的許多路燈線路狀況監(jiān)控系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)有效地檢測(cè)路燈的照明情況，導(dǎo)致維護(hù)不及時(shí)，給市民生活造成不便。并且已有的系統(tǒng)存在線路狀況誤報(bào)的缺陷，必須以人工巡查為輔助，對(duì)線路進(jìn)行檢查與管理。該方法不僅效率低，而且耗費(fèi)人力。本文提出了基于電力線載波通信的城市路燈線路檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。電力線載波（PLC）技術(shù)是指利用現(xiàn)有電力線，通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)[1]，該技術(shù)近年來(lái)陸續(xù)在許多行業(yè)中得以廣泛應(yīng)用[2]。由于該技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)把電力線作為通信信道，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)就不需另外鋪設(shè)專門通信線路，節(jié)省了大量的布線費(fèi)用[3]。電力線載波通信與其他通信方式相比，具有傳輸距離遠(yuǎn)、通信可靠性高、安全保密性好、投資少、經(jīng)濟(jì)效益高、建設(shè)與電網(wǎng)建設(shè)同步等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的通信方式之一[4]，未來(lái)有更大的應(yīng)用前景。

　　針對(duì)現(xiàn)有路燈管理系統(tǒng)的缺點(diǎn)，基于電力線載波通信的成熟技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一套能有效檢測(cè)路燈線路故障的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無(wú)線與有線相結(jié)合的方式，利用相關(guān)的計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)路燈線路的遠(yuǎn)程控制與實(shí)時(shí)檢測(cè)[5]。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到某段線路發(fā)生故障時(shí)，啟動(dòng)無(wú)線模塊，通過(guò)檢測(cè)路燈是否點(diǎn)亮，來(lái)確定具體的故障位置，然后將信息反饋給路燈管理中心，從而做出及時(shí)準(zhǔn)確的處理。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：能及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈電纜被盜、線路老化、線路短路而引起燒毀等異常情況；能在線路發(fā)生故障時(shí)及時(shí)反饋報(bào)警信息，便于及時(shí)解決問(wèn)題，方便市民出行；克服了原有系統(tǒng)存在誤報(bào)的缺陷；有效解決人工巡查效率低、工作量大等弊端，從而減少管理及維護(hù)成本。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

　　本文旨在利用電力線載波通信進(jìn)行路燈線路檢測(cè)，被檢測(cè)電纜兩端各安裝一個(gè)控制模塊與一個(gè)接收模塊，多個(gè)控制模塊集成在一個(gè)控制端當(dāng)中，并安裝在控制箱內(nèi)，對(duì)多路電纜進(jìn)行檢測(cè)，如圖1所示。

2系統(tǒng)工作原理

　　該系統(tǒng)以有線檢測(cè)為主、無(wú)線檢測(cè)為輔，有線檢測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)路燈線路故障檢測(cè)，無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)故障位置的確定。圖2為該系統(tǒng)工作原理框圖。

　　2.1有線檢測(cè)系統(tǒng)的組成與功能

　　該線路監(jiān)控系統(tǒng)分為五部分：主控模塊、接收模塊、液晶顯示單元、SIM900模塊和載波模塊。信息傳送信道為220 V低壓電力線，通信方式為工頻通信方式[6]。該系統(tǒng)在路燈供電情況下，從路燈控制箱獲得電源，進(jìn)行工作。在通電情況下，可一直處于工作態(tài)，能對(duì)線路狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。該系統(tǒng)可檢測(cè)各段線路的故障。

　　系統(tǒng)各模塊功能描述如下：液晶顯示單元用來(lái)顯示控制端接收到的信息，能實(shí)時(shí)顯示路燈線路的通斷情況；主控器模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)線路的通斷情況，可進(jìn)行故障檢測(cè)、電纜防盜；接收模塊由分布在多條線路上的單片機(jī)模塊組成，負(fù)責(zé)查詢信號(hào)的接收、處理以及反饋信息，各接收模塊將線路的通斷信息都返回到控制端進(jìn)行統(tǒng)一處理，從而能同時(shí)檢測(cè)多條線路狀況；SIM900模塊用于遠(yuǎn)程信息傳輸，把控制端收集到的各條線路的信息傳送到路燈管理中心。控制器模塊與接收模塊都由單片機(jī)完成，功能通過(guò)C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)模塊之間通信的信息加載在電力線上進(jìn)行傳輸。

　　系統(tǒng)具體采用HL-PLC V3.0載波通信模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使得信號(hào)能在電力線中傳輸。該模塊采用FSK通信方式，軟件采用模糊算法，即使傳輸信號(hào)被干擾或丟失達(dá)40%，也能較準(zhǔn)確地還原出原載波信號(hào)，抗干擾能力較強(qiáng)。載波中心頻率為72 kHz，模塊可在過(guò)零發(fā)送模式和正常發(fā)送模式間自由切換。正常模式下傳輸速度快，但抗干擾能力弱，適合負(fù)載輕、干擾少的線路環(huán)境；過(guò)零模式速度稍慢，抗干擾能力強(qiáng)，適合絕大多數(shù)線路環(huán)境。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用過(guò)零模式，如圖3為交流220 V環(huán)境下的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)下無(wú)需架設(shè)專門的通信電纜，安裝方便，抗干擾能力強(qiáng)，通信距離遠(yuǎn)，比較適于復(fù)雜多變的電網(wǎng)環(huán)境[7]。

　　2.2 無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)的組成與功能

　　無(wú)線模塊開(kāi)始工作的指令由控制端給出，未出現(xiàn)線路故障時(shí)，該模塊一直處于休眠狀態(tài)，當(dāng)控制端檢測(cè)到某段線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)給相應(yīng)段線路的無(wú)線模塊發(fā)送啟動(dòng)指令，使該線路的無(wú)線模塊工作。無(wú)線模塊收到指令后，通過(guò)配備的光感模塊檢測(cè)路燈的亮滅情況，從而確定出該段線路的具體故障位置。

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編寫單片機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)端到端的線路的單線測(cè)試。即控制端的單片機(jī)發(fā)送檢測(cè)信號(hào)到載波模塊，通過(guò)載波模塊的調(diào)制作用，將信息加載到220 V的電力線上，在接收端，信號(hào)通過(guò)載波模塊的解調(diào)后將信息發(fā)送到接收模塊。低壓電力線上存在著噪聲干擾，電壓、電流不穩(wěn)定等不確定因素[8]，因而會(huì)在線路正常的情況下，出現(xiàn)控制端無(wú)法收到反饋信息的情況，從而對(duì)線路狀況誤判。因此每次線路查詢，需多次發(fā)送進(jìn)行驗(yàn)證，以排除由于干擾而引起誤判的可能性。經(jīng)實(shí)際測(cè)試分析得到：每一輪查詢，連續(xù)發(fā)送多次信號(hào)，即可排除線路干擾引起的錯(cuò)誤判斷；考慮到信號(hào)的發(fā)送與接收需要時(shí)間，因此每次發(fā)送的信號(hào)之間需要間隔一段延時(shí)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試得到：從控制端向接收端發(fā)送信號(hào)到接收端返回信號(hào)給控制端，這個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間為500 ms，因此延時(shí)時(shí)間設(shè)定為500 ms。

　　控制端每發(fā)起一次檢測(cè)，就會(huì)連續(xù)發(fā)送n次信號(hào)，這個(gè)數(shù)值根據(jù)實(shí)際情況而定。若控制端在發(fā)送完n次信號(hào)后，收到反饋信息，說(shuō)明線路處于正常狀態(tài)；若控制端發(fā)送完n次信號(hào)之后，仍未能接收到反饋信息，說(shuō)明線路發(fā)生故障。控制端一輪查詢結(jié)束后，會(huì)向無(wú)線模塊發(fā)送指令，給路燈管理中心發(fā)送線路狀況的信息，若線路正常則不啟動(dòng)無(wú)線模塊，只向路燈管理中心發(fā)送線路正常的消息；若線路發(fā)生故障，則控制端向無(wú)線模塊發(fā)送指令，啟動(dòng)該模塊來(lái)進(jìn)行故障位置的具體定位，并告知路燈管理中心線路發(fā)生了故障。線路檢測(cè)流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

　　在寧波市的實(shí)際路燈環(huán)境中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，在路燈控制箱安裝好發(fā)送設(shè)備，在路燈端安裝信號(hào)接收設(shè)備。測(cè)試過(guò)程主要分為兩種情況：通電與斷電。首先將控制箱與路燈端之間的線路斷開(kāi)，此時(shí)安裝在控制箱的發(fā)送設(shè)備不斷進(jìn)行信號(hào)發(fā)送，由于線路處于斷電狀態(tài)，因此安裝在路燈端的接收設(shè)備無(wú)法收到發(fā)送端發(fā)送的檢測(cè)信號(hào)，即接收端不能反饋信息給發(fā)送端，因此接收端的液晶顯示屏上顯示斷電信息。然后連接控制箱與路燈端之間的線路，此時(shí)路燈正常工作，發(fā)送設(shè)備不斷發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，接收設(shè)備能接收到信號(hào)并進(jìn)行反饋，此時(shí)在接收端的液晶顯示屏上顯示正常工作信息。兩種情況下的測(cè)試結(jié)果與預(yù)期的理論結(jié)果相符合，說(shuō)明系統(tǒng)可靠。

　　由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)地測(cè)試環(huán)境有所差異，實(shí)際環(huán)境下干擾因素以及不確定因素增多，使得測(cè)試的準(zhǔn)確率有所降低，因此需要在軟件設(shè)計(jì)中對(duì)差錯(cuò)控制進(jìn)行改進(jìn)，將每次檢測(cè)時(shí)發(fā)送的信號(hào)數(shù)增加，以排除干擾引起的誤判。

5 結(jié)論和展望

　　試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠，說(shuō)明其能對(duì)電力線通斷情況進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效地遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈線路故障，進(jìn)行快速維修，提高城市管理效率。同時(shí)該系統(tǒng)采用電力線為信息傳輸?shù)耐ǖ溃杀苊庵貜?fù)布線，具有造價(jià)低、傳輸線路牢固可靠、安裝使用方便、誤報(bào)率低、受季節(jié)干擾小、耐用性強(qiáng)、工作電壓低、傳輸線路廣等優(yōu)點(diǎn)。以電力載波為主和無(wú)線通信為輔對(duì)路燈線路進(jìn)行管理，提高了路燈管理水平和效率，實(shí)現(xiàn)了管理的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、科學(xué)化和集中化，提高了社會(huì)效益，具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　隨著計(jì)算機(jī)、通信等信息技術(shù)的發(fā)展，電力載波作為一項(xiàng)電源與通信相結(jié)合的技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種過(guò)程控制、家庭自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域。尤其是在布線困難、電磁干擾強(qiáng)、環(huán)境惡劣的環(huán)境下更體現(xiàn)出其優(yōu)越性。目前該技術(shù)已應(yīng)用于智能抄表、電力線上網(wǎng)、電梯控制、工業(yè)過(guò)程控制等場(chǎng)合，下一步更有望應(yīng)用于智能家居[9-10]、交通部門管理、無(wú)人車駕駛等通信領(lǐng)域。由于電力線是一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)資源，是一個(gè)已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需另外鋪設(shè)通信線路，因此便于利用，成本低，信息傳輸?shù)陌踩院茫且环N發(fā)展前景很好的通信方式。

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