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Smart Grid
智能电网
, 2013, 3, 1-7
http://dx.doi.org/10.12677/sg.2013.31001
Published Online February 2013 (http://www.hanspub.org/journal/sg.html)
Internet of Things in the Street Lighting
Using PLC Technologies
Zhouming Mao
1
, Peng Jin
2
, Wenping Zhan
3
1
Shenzhen Chinawisest Technology Co., Ltd., Shenzhen
2
School of Environmental and Energy, Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen
3
Wuxi Rave Optoelectronics Co., Ltd., Wuxi
Email: jinpeng@pkusz.edu.cn
Received: Dec. 12
th
, 2012; revised: Dec. 30
th
, 2012; accepted: Jan. 8
th
, 2013
Abstract:
This paper introduces the basic features of Power Line
Carrier technologies (PLC) and the Internet of Things
(IOT), and brings up an integrated street-lighting IOT model based on PLC. The paper also gives a thorough analysis of
this model including its principles, network mapping, basic functionalities, and implementations to some key features. It
concludes that combining LED and PLC technologies for the smart street lighting is a right way to go based on matur-
ing technologies and coming standardizations.
Keywords:
Power Line Carrier (PLC); Internet of Things (I
OT); Street Lighting; Remote Terminal Unit (RTU)
基于电力线载波的道路照明物联网技术
毛周明
1
,金
鹏
2
,詹文平
3
1
深圳华智测控技术有限公司,深圳
2
北京大学深圳研究生院,环境与能源学院,深圳
3
无锡瑞威光电科技有限公司,无锡
Email: jinpeng@pkusz.edu.cn
收稿日期:
2012
年
12
月
12
日;修回日期:
2012
年
12
月
30
日;录用日期:
2013
年
1
月
8
日
摘
要:
本文分析了电力线载波技术和物联网的基本特征,提出了一个完整的基于电力线载波技术的道路照明
物联网模型;详细介绍了此模型的原理、架构和基本功能要求,并针对其中的一些重要功能,给出了其设计和
实现。结合
LED
和电力线载波的物联网道路照明在技术、标准和市场上日趋成熟,也代表了城市道路照明技术
和管理模式的发展方向。
关键词:
电力线载波;物联网;道路照明;远程终端装置
1.
引言
国内道路照明管理已经呈现出显著的智能化趋
势,物联网
(Internet of Things
,
IOT)
技术作为智能化
的一个重要手段,已经被广泛地应用到路灯智能管理
领域。道路照明具有以户外为主、通讯距离不定、干
扰源多、节点多、可靠性要求高等特点。虽然无线通
讯技术的解决方案如
Zigbee
和蓝牙、红外线、
GPRS/
CDMA
等在道路照明管理领域已做过有意义的尝试,
但验证的效果均不理想。无线通讯的缺点主要表现在
成本高,随车流和灰尘干扰造成的通信可靠性降低
等。基于有线通讯技术的道路照明物联网的基础通信
平台,包括
DALI(Digital Addressable Lighting Inter-
face
,数字可寻址照明接口
)
,
RS-485
,电力线载波
(Power-Line Carrier
,以下简称
PLC)
,已逐渐成为公共
照明智能控制系统中主流通信模式。其中基于道路照
明电网系统中的电力线,
通过
PLC
通讯技术和无线互
Copyright © 2013 Hanspub
1
基于电力线载波的道路照明物联网技术
联网技术构建的道路照明物联网模式以其施工方便、
成本低等优势,逐渐成为主流。
2.
电力线载波技术简介
目前我国道路照明使用的电力线多是
380 V/220
V
的低压电力线,经过国家电网及南方电网多年的布
局和建设已覆盖全国,铺设总量世界第一。
PLC
通讯
是电力系统独有的一种通讯方式,其最大的特点是用
现有电力系统网络中的电力线进行数据传输,不需要
单独布线和架设网络,只要有电力线的地方,通过一
定的调制和解调就可以实现数据的传输。从成本上和
施工复杂度上,
PLC
通信相较其他的有线数据传输模
式也具有非常大的优势。
PLC
通信技术最早出现在上世纪二十年代,最初
的
PLC
只能传输一些简单低速率的数据。经过近百年
的发展,
PLC
通讯技术向宽带化和高速化方向飞速发
展,并取得可观的成绩。
2004
年西班牙
DS2
公司
(2010
年
3
月被
Marvell
收购
)
率先推出了物理带宽高达
200
Mbps
的宽带
PLC
芯片,实际使用中达到
80 Mbps
。
当前较流行的电力猫,如台湾
Zinwell
公司的
ZPL-
5100
和
PLQ-5100
[1]
,可以达到最高
500 MBps
的通讯
速率,如图
1
所示。在实际应用中,电力猫已经可以
取代传统的路由器、交换机和以太网线,并且具有很
多无线网络和有线网络难以比拟的优势,主要体现
在:高达
500 Mbps
传输速度、无需单独布网线、最
高达
500
米的远距离稳定传输、网络拓展性强、无电
磁辐射,节能环保。
PLC
通信技术在用电管理
AMR(Automatic Meter
Reading
,自动抄表
)
领域已取得成功和大规模应用,
而在电力线上网、智能家居、路灯控制等领域也刚起
步。其主要原因有以下几点:
Figure 1. Zinwell 500 Mbps PLC modem
[1]
[1]
图
1.
Zinwell 500 Mbps
电力猫
第一,
PL
侧传输,即
“无法跨
本身固有的脉冲干扰。国内广泛使
用的
过程中的衰减。低压电力
线面对的
道路照明物联网介绍
物联网,
The Internet of Things
,是指“物物相连
的互联网
斯举
领
联网的,故物联网中所有
的“
互连的特征
上应该具有唯一性,
即各设备
中的设备,通过嵌入式技术手
段可以实
C
信
号一般在配电变压器一
变电器”,因为配电变压器对载波信号有明
显的阻隔作用。
第二,电力线
低压电力线上的交流电频率为
50 Hz
和
60 Hz
,
其周期为
20 ms
和
16.7 ms
;在每一交流周期中,出现
两次峰值,从而会带来两次脉冲干扰,持续的时间约
为
2 ms
[2]
。对
PLC
通信中这些固有干扰的处理一直是
具有挑战性的课题。
第三,
PLC
信号在传输
是终端的市电用户,用户电力线上的负载状
况复杂,各个节点之间的阻抗匹配差异性大,造成载
波信号易产生反射、谐振现象
[3]
,从而使得
PLC
信号
的衰减规律变得极为复杂。
3.
”。物联网的概念最早是由
Kevin Ashton
于
1999
年在
P&G
公司内部的一份演示文稿中作为标题
提出来的
[4]
;而其在国际上正式被明确提出是在
2005
年在突尼 行的信息社会世界峰会
(WSIS)
上,当时
发布了一份《国际电信联盟互联网报告
2005
:
物联网》
[5]
。物联网的定义和范畴已经远远超过了当初的
RFID
域,其应用模式的具有如下特征:
1)
互联网的特征
物联网本质上是基于互
物”必须具备可以接入互联网的特性。有些设备
可能本身无法直接接入互联网,但是可以通过连接其
他的设备达到此目的。如路灯本身无法接入互联网,
但通过带
GPRS/CMDA
连接功能的集中控制器接入
互联网。
2)
识别性和
物联网中的各个设备在标识
均有一个
UID(Unique Identification)
,并以此
UID
达到自动识别的目的。
UID
是物联网中设备间数
据相互传递的基础。
3)
智能化的特征
智能化是指物联网
现智能控制和操作。如道路照明系统中远端
控制装置
(Remote Terminal Unit, RTU)
,具有自动组
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yright © 2013 Hanspub
2
基于电力线载波的道路照明物联网技术
网、自动路由的功能,集中控制器具有自动下发离线
的定时任务的功能等。
通过引入互联网技术、自动控制技术、无线通信
技术
在这一部分,对
PLC
技术和物联网技术
的整
本平台模型的设计基于
PL
C
技术和物联网技术,
充分
通过无线网络
(
如
GPR
4.2. RTU
网的要求,每一盏路灯必须具有可以识
别和
和数据库技术的道路照明管理可以做到对单灯
的远程监
控、数据采集、故障报警、进而可对整个系
统资产管理、统计分析等,完全具备了物联网的各项
特征和要求。基于物联网技术的道路照明管理理念经
过短短几年发展,已经成为道路照明管理的新模式和
发展趋势。在道路照明管理物联网中,“物”的定义
不再局限于路灯本身,而应该扩展为一切与路灯及路
灯控制相关的设备。
例如,
安装路灯的物理载体灯杆、
路灯的驱动电源、对路灯灯具进行智能控制时需要用
到的远端控制装置
(RTU)
、对
RTU
进行统一管理用的
集中控制器、还有配电柜里用到的变压器、交流接触
器、用于采集电量的电能表、位于监控中心的服务器、
客户端的
PC
、手机、平板电脑等,均 应该 纳入道 路
照明物联网中“物”的范畴,如图
2
所示。
4.
基于
PLC
技术的道路照明物联网的
设计和实现
笔者通过
合,提出了一个完整的基于
PLC
的路灯物联网平
台模型的设计和实现。
4.1.
设计原理和架构
利用
PLC
技术无需布线的优势和无线互联网技
术的优势。根据多年的路灯工程现场施工经验,笔者
将此平台模型的架构分为三层,分别是:路灯端、配
电柜端、监控中心端,如图
3
。
位于监控中心端的服务器
S/CDMA
公用信道
)
与配电端的集中控制器进行
通信;而集中控制器通过低压电力线与路灯端的
RTU
相连,通过
PLC
技术进行通信。
根据物联
互连
的特性。路灯作为一种道路照明用的独立设
备,本身无法做到互相识别和互连,但可以在灯具端
加上
RTU
实现。
RTU
应该是基于
LonWorks
国际标
Figure 2. Street light IOT
图
2.
路灯“物”联网
Figure 3. Street light IOT structure based on PL C
设计,即兼容
EIA-709.1
和
EIA-709.2
规范或者
GB/Z
图
3.
基于
PLC
的道路照明物联网架构
准
20177.1
和
GB/Z 20177.2
规范
[6-9]
。
EIA-709.2
定义了
在电力线媒体上实现数据和控制信息交换的基本规
范,包括网络拓扑和配置规则、物理媒体规范、频段
分配规范、媒体物物理和电气规范、节点的物理媒体
规范等。
EIA-709.1
规定了基于电力线的控制网络的
通信协议,基于
OSI
七层协议,定义了第
2~7
层的规
范。按照
LonWorks
标准设计的路灯
RTU
,可以保证
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3
基于电力线载波的道路照明物联网技术
各个控制器在低压电力线网络中的可识别性和互连
互通性。
RTU
的基本功能要求包括两个方面:一是对路灯
的开
RTU
之间,以及
RTU
与集中控制器之间通过
低压
者提出
如下
的控制核心,执行如
下多
、电流、功率等数据;
载短路报警;
源设计,其工作电源
输入
灯、关灯和调光
(
主要针对
LED
路灯
)
的控制;另
一个是对路灯的一些基本电气数据的采集,包括对路
灯当前的电流、电压、功率、功率因数、温度等的采
集。
各
电力线进行通信。
根据
EIA-709.1
规范,每个
RTU
应具有自动组网、自动路由、自适应、冲突检测的功
能。从集中控制器发过来的控制信号通过
RTU
的自
动路由和转发,可以到达更远距离的
RTU
。
基于上述
RTU
基本功能要求的分析,笔
RTU
设计模型,如图
4
。
MCU
部分:
MCU
为
RTU
项任务:
1)
读取电压
2)
与载波模块通信;
3)
控制继电器动作;
4)
过流保护
(
报警
)
和负
5)
输出
PWM
调光信号。
系统电源部分:采用开关电
为
220 V
AC
,
50 Hz
。具备过压保护功能,在输出
短路以及反馈回路开环时进入保护状态。输出一组
Figure 4. RTU internal structure
图
4. RTU
内部架构
+5 V
DC
和一组 效率
≥
75%
,
信
模块:在本
RTU
设计模型中,载波通
信模
用于获取灯具电
流参
取灯具电
压参
TU
内部整合电压
/
电流数据采集的
专用
调光功能,
笔者
单
灯的
4.3.
器”通信的问题,笔者将
+16 V
载模式的电源
DC
,其带
能提供至少
8 W
功率,
16 V
DC
绕组能提供高达
1 A
瞬
时电流。
载波通
块采用
RISE3501
芯片。此芯片根据
EIA-709.1
和
EIA-709.2
协议进行改进,目前已经形成一套网络
协议用于电力载波系统,同时加入自动路由技术,可
兼容国际上通用标准,该算法的实现可靠的保障载波
系统的稳定性,可稳定的运行在电力载波控制系统
上。载波通信模块的设计如图
5
。
电流变换器:又称电流互感器,
数,以此来判断系统是否工作正常。
电压变换器:又称电压互感器,用于获
数,结合电流互感器采集的电流参数来判断系统
是否出现故障。
测量芯片:
R
集成芯片
CS5463
,通过处理来自电流
/
电压互感
器采集的电流
/
电压数据,实时地提供路灯工作情况,
如电压参数、电流参数等,用户可以在后台软件上读
取这些数据,用于作为状态判断的依据。
PWM
调光信号输出:针对
LED
路灯的
在
RTU
上设计提供
1
路
PWM
信号输出。其
PWM
信号频率为
400 Hz
,占 空 比
0%~100%
可调。
PWM
调
光信号为
5 V
电压的
TTL
输出。
PWM
调光为比较重
要的功能,这里给出其实现的原理图,如图
6
。
继电器开关:提供
1
路继电器开关,可以控制
开关。其中功率继电器的触点容量为
16 A/250 V
。
另外设计有专门的电路消除触点动作时可能产生的
电弧,保证工作的可靠性,延长使用寿命。
RTU
的基本电气参数规格表
1
。
集中控制器
针对
PLC
“无法跨变压
Figure 5. PLC module internal structure
图
5.
电力线载波模块内部架构
Cop
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4
基于电力线载波的道路照明物联网技术
Figure 6. PWM dimming diagram
图
6. PWM
调光原理图
Tale
表
1. RTU
参数表
规格
ble 1. RTU
parameter tab
序号
描述
Min Typ.ax Unit M
1
额定工作电压
180 220 250 V
AC
2
工作功耗
1 2 5 W
3
额定负载功率
5 6
继 常闭
- 16 - A
0 00 00W
4
电压测量范围
0 220 260 V
AC
5
电压测量误差
1 3 5 %
6
电流测量范围
0 - 10 A
7
电流测量误差
1 3 5 %
8
电器触点类型
9
继电器触点容量
路灯按配电变压器进行分区管理,即在每一个配
电变
如
2G
的
GPR
者
E
U
之间通过电力线媒介通信。
根据
那么
控制器则
充当着人的“心脏”的角色。大脑发出指令,
时任务。这些
操作
线维修操作,
应考
型如图
7
。
CPU
。片内集成了
USB
、以
太网
式,也可支持外部
DC
备用电源输入。
其参
通信。
于
本地维护
)
、
1
路
Ethe
压器
的同一侧配备一个集中控制器。
集中控制器里内置一个无线通讯模块,
S
或者
CDMA
模块、
3G
的
WCDMA
或者
CDMA2000
模块,或
4G
的
LT
模块。集中控制器
通过公共无线互联网直接与位于监控中心进行通信,
接收来自监控中心的控制指令,并反馈从
RTU
采集
的数据,由监控中心的管理系统通过互联网来完成跨
变压器的部署和操作。
集中控制器与各
RT
最新的
PLC
技术,一个集中控制器可以控制多达
1024
个
RTU
[10]
(
在电力线环境较为纯净的情况下
)
。
如果把整个道路照明物联网系统比做整个人体,
监控中心相当于人的“大脑”,电力线相当于人
体内的“血管”,
RTU
相当于人的“四肢”,而集中
由心脏通过血管把血液输送到四肢。
集中控制器不仅要负责与监控中心和
RTU
的通
信,还需要能够处理各种离线操作和定
和任务包括:监控电力线网络的运行状态、收集
各
RTU
反馈回来的电气数据和状态信息、连接电能
表实现用电量的统计和存储、通过外置接口如
RS-232
,
RS-485
或者
USB
等来连接一些外接设备如
光照度传感器、交通流量检测器等。
要实现这些功能,集中控制器需要内置一个实时
嵌入式操作系统,为便于现场操作和离
虑在集中控制器设计时增加
LED
屏幕和多功能
按键板。
基于以上对集中器的基本功能需求分析,笔者设
计集中器模
ARM
板:这里我们采用采用
32
位
ARM9
处理器
AT91SAM9260
作为内核
、
EBI
、
MCI
、
SSC
和
SPI
等多种通信接口,
200
MIPS
的处理速度和先进电源管理使芯片非常适合于
系统控制和通信领域。主控部分含有
32 MB SDRAM
以及
32 MB NAND FLASH
。支持庞大的数据分析和
管理能力。
电源供电部分:支持单相电源输入供电或者三相
四线制供电方
数规格如表
2
。
PLC
模块:跟
RTU
中的
PLC Module
相同,用于
集中器与
RTU
之间的
接口部分:
1
路
RS-485(
用于连接多功能电能表、
光照探头等
)
、
1
路
USB(
用
rnet(
用
于有线通信
)
。
Figure 7. Concentrator internal diagram
图
7.
集中器内部架构
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5
基于电力线载波的道路照明物联网技术
Table 2. Concentrator power parameter table
表
2.
集中器电源参数表
规格
符号
描述
MinTyp. Max Unit
V
AC
交流输入电压
198 220 242 V
f
工作频率
47 50
63 Hz
W
整机功耗
- - W
V
DC
直流输入电压
12 13 14 V
V
DC_O
直流输出电压
14 15 16 V
V
AC_O
回路控制电源
V
198 220 242
4.4.
监控中心
于道路 的户外特性以考虑,
各条道路配电区中的集中控制器一般是通过公共无
线互联网与监控中心进行通信。目前国内公共无线网
络已经覆盖全国电信为例,其天
3G
宽带早已经全部个省市自治
[11]
。 共
无线网络时讯速 得到 倍
的提升。的 据,
CDM
网络 ,
可实现最
)
,
6 K(
平均 度
在
70 K~110 K
左右
)
的上网服务,并且信号稳定;用
悬浮列车上,仍能稳定地上网
[12]
。
因此,在道路照明物联网中全方位使用无线网络来管
理集
鉴 照明及布线成本的
国,以中翼 无线
覆盖国内
31
区
公
自从进入
3G
代以后,通 率 成
根据中国电信 数在
A
下
高速度达
3.1 M(3G
153. 1×
, 速
户即使在高速的磁
中控
制器已经成为一种切实可行的方案。
监控中心一般设在路灯管理处。基于多年的路灯
控制管理经验,笔者设计如下监控中心模型,如图
8
所示。本模型监控中心的基本配置主要由以下几部分
Figure 8. Monitoring center
图
8.
路灯监控中心
组成:总控服务器、数据库服务器、监控工作站、
GPS
校时系统、
UPS
电源、投影显示设备、公共无线网络
发射模块等。
运行道路照明管理平台软件的总控服务器,一般
要求双机热备份;数据库服务器一般要求内置
RAID5
技术,可以视项目规模相应提高处理器、内存和硬盘
的配备。
GPS
校时系统主要是用于自动校时,尤其是
集中控制器需要准确时间,从而保证定时任务的可靠
执行。投影和显示的设备可以视预算和监控中心的环
境选配,预算充分的情况下,可以选择大尺寸
LED
显示屏。公网无 机发送故障通
时控制、实时查询、地图功能、用户
管理
识此方案的
特点
为国内道路照明产
线模块是用来给用户手
知类的短信和互通手机远程管理界面。
道路照明管理平台软件的基本功能包括下面几
大部分:路灯实
、任务管理、设备管理、参数设置、自动校时、
报警信息管理、路灯资产管理、统计报表、数据库管
理、日志管理等。如图
9
所示。
5.
总结
基于
PLC
技术的道路照明物联网方案能成为当
前路灯智能控制的发展方向,展示出强劲的发展潜
力,自有其他方案不可替代的优越性。在发展
PLC
技
术的道路照明物联网方案的同时,充分认
以及潜在的风险,对于此方案的成功推广,甚至
对
PLC
技术和物联网行业的发展,都具有很大的现实
意义。本文基于笔者多年的路灯照明控制系统开发和
工程施工经验,总结归纳了一套完整的适用于道路照
明的物联网智能控制模型,希望能
Figure 9. Street light management system
图
9.
路灯平台管理软件功能
Cop
yright © 2013 Hanspub
6
基于电力线载波的道路照明物联网技术
Copyright © 2013 Hanspub
7
业的发展起到抛砖引玉的作用。
基于
PLC
技术的道路照明物联网管理模式的实
施和发展顺应了“节能减排”的趋势,代表着现代道
路照明管理模式的发展方向,具有远大的发展前景。
如果能在产业标准化方面注入更多的力量,基于
的道路照明物联网技术完全有资格形成道路照明管
理领域的国家标准甚至国际标准。在广东省政府,
科技厅和质监局支持下,广东省
LED
照明标准技
联盟即将颁布相关行业产业标准,并积极向国家标
过度,这必将规范和引导产业有序有效快速发展 我
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