摘要
基于電力載波通信技術，可以構建一個實現(xiàn)路燈單燈控制 功能的智能路燈解決方案，現(xiàn)已成功應用在歐洲、美國、中國等眾多城市。該系統(tǒng)的實施使得城市路燈管理部門可節(jié)省至少 50%的能耗，并降低了路燈系統(tǒng)的運營成本、提高路燈系統(tǒng)的服務效率。這種智能化的路燈系統(tǒng)還可以節(jié)約 30%的維護成本，是實現(xiàn)綠色、節(jié)能城市的重要手段。
關鍵詞
電力線載波通信、智能路段服務器、自動中繼通信技術
城市路燈照明是現(xiàn)代化城市的重要公共設施，路燈照明也因此成為一個城市電能支出的重要部分——高達 40%的電力消耗以及大量的維護和運營成本。雖然已經(jīng)有一些解決方案， 比如按時隔一盞路燈關閉一盞路燈，或者在一個路燈區(qū)域的變壓器端加裝控制等等，這些方案實現(xiàn)了一定程度的節(jié)能效果，但是卻存在一些不足的地方，比如路面照度不均勻，不能實現(xiàn)單個路燈的狀態(tài)監(jiān)測等。如今的城市需要更智能的路燈系統(tǒng)，在節(jié)省電力消耗、降低運營成本和減少碳排放的同時改善城市的環(huán)境。
我公司是提供智能路燈解決方案和設備的專業(yè)提供商，目前已為世界各地的 40 多座城市提供智能路燈單燈控制解決方案。將路燈轉換成高效節(jié)能的智能化遠程管理網(wǎng)絡，能源消耗平均減少 30%。更重要的是，由于該平臺具有開放性，因此可以用來連接其他城市能源管理系統(tǒng)。對現(xiàn)代化城市而言，我公司的智能路燈照明解決方案是邁向智能城市的步。
如圖一所示的該系統(tǒng)具有性能可靠，易于升級的特點。該系統(tǒng)由三級部分構成：層每一路燈均包含一個基于電力線載波通信技術的智能單燈控制器；中間層的 SmartServer 智能路段服務器通過電力線載波和每一個路燈通信，同時可以通過 TCP/IP、GPRS 或 3G 等與城市路燈管理中心通信；作為上層的系統(tǒng)管理層，在路燈管理中心運行有路燈控制系統(tǒng)管理平臺。
1、智能路燈單燈控制器
在每一個路燈中都嵌入一個基于電力載波芯片的智能控制器，這些路燈控制器和 SmartServer 智能路段服務器之間使用電力線載波進行通信，這樣做不需要額外的通信線路，數(shù)據(jù)通信信道和路燈供電共用供電信道。每一個路燈單燈控制器均包含物理地址和邏輯地址，這便于和 GIS 地理信息系統(tǒng)匹配。
電力載波通信技術，現(xiàn)在已經(jīng)被采納為多個國家和國際組織的標準，包括：
2、歐洲標準，EN 14908
3、中國國家標準性指導文件，GB/Z 20177
4、美國國家標準，ANSI/CEA 709
5、等等……
該技術已有超過八千萬的基于該技術的電力載波設備應用在世界各地的智能電網(wǎng)、工業(yè)控制、智能家庭、交通控制等領域，性能穩(wěn)定可靠。
我司采用的電力載波的通信芯片為PL 3120/PL 3150，這兩種芯片內置 ISO/IEC 14908控制網(wǎng)絡協(xié)議，采用 BPSK 的調制方式傳輸信號，通信速率在 C 波段的情況下為 5.4 kbps。PL 3120/PL 3150 的 BPSK 技術稱為二進制相移健控（Binary Phase Shift Keying）調制技術，當工作在 C 波段時有兩個載波頻率：載波頻率為 132kHz，第二載波頻率為 115kHz。載波頻率具有更好的畸變糾正能力和更強大的數(shù)據(jù)包分辨能力和抗噪聲能力，第二載波頻率比載波頻率的誤差校正能力強。埃施朗公司把噪聲抑制和畸變糾正的算法技術應用到數(shù)字信號處理（DSP）內核中。這些性能使得收發(fā)器可以糾正電力線信號中多種多樣的干擾，包括脈沖噪聲，連續(xù)音頻噪聲、相位畸變等。
智能路燈單燈控制器的結構如圖二所示。其主要的構成部分有：PL 3120/PL 3150 智能電力線收發(fā)器，耦合電路，電源，整流器電路和燈具等組成。
路燈單燈控制器使用基于 ISO/IEC 14908 標準的電力載波通信技術與路燈區(qū)域控制器SmartServer 智能路段服務器通信，可以接受來自智能路段服務器的命令，包括燈的開/關， 以及亮度調節(jié)命令，并對燈具實施相應的控制。同時，單燈控制器還能夠測量供電電壓、電流、功率、功率因數(shù)、整流器溫度、整流器運行時間以及消耗的電能等數(shù)據(jù)，并提供報警信息。這些數(shù)據(jù)可以由路燈管理中心的軟件通過 SmartServer 智能路段服務器進行讀取。
目前市場上有多家公司提供該類的智能路燈控制器可供用戶選擇，包括國內和國外的廠商。這樣，在客戶選擇產品構建系統(tǒng)的時候，有較大的選擇余地，用戶從而可以得到性價比的產品。
對于一個路燈系統(tǒng)來說，使用壽命可能長達 30 年，多種產品可以提供用戶在以后系統(tǒng)的維護和升級中，可以使用不同公司的產品，而這些產品使用同樣的通信技術和數(shù)據(jù)結構，不會產生兼容性的問題。這給最終用戶帶來的好處是，在整個系統(tǒng)的生命周期中系統(tǒng)的運營成本可以達到。每一個單燈路燈控制器中的應用程序，可以實現(xiàn)在線升級，這樣同樣的硬件可以通過軟件升級來提供更加*的功能。
2、路燈區(qū)域控制設備——SmartServer 智能路段服務器
SmartServer 智能路段服務器是實現(xiàn)路燈單燈控制系統(tǒng)的重要的硬件設備， 它安裝在路燈區(qū)域控制箱中，使用 ISO/IEC 14908 的電力載波通信技術和路燈單燈控制器通信，與控制中心的通信可以使用 GPRS/3G、以太網(wǎng)、Wi-Fi 或者 ADSL 等。
SmartServer 智能路段服務器中內置多種功能，包括：
◆ 時序調度功能
◆ 報警功能
◆ 類型轉換功能
◆ 內部實時時鐘
◆ 根據(jù)經(jīng)緯度、日歷時鐘計算日出 、日落時間的天文位置功能
◆ 使用電力線載波中繼技術管理與各個單燈控制器的通信
◆ 通過 SOAP 接口實現(xiàn)與控制中心的通信等
一般情況下，一個 SmartServer 智能路段服務器最多可以管理 300 個路燈單燈控制器。之所以能夠構建基于電力載波的路燈單燈控制系統(tǒng)，智能路段服務器的自動中繼管理功能在其中起到了*的作用。
簡單來說，如圖四所示，在電力線傳輸線上，假設 SmartServer 智能路段服務器連接有十二個單燈控制器，通信情況如下，SmartServer 智能路段服務器不能和最遠的 12 號控制器進行通信，但是 SmartServer 智能路段服務器可以和 1-4 號單燈控制器通信，而 4 號單燈控制器可以和 5-8 單燈控制器通信，8 號單燈控制器可以和 9-12 單燈號控制器通信，這樣SmartServer 智能路段服務器，可以使用 4 號單燈控制器作為一級中繼代理，和 8 單燈號控制器通信，8 號單燈控制器作為二級代理與 12 號單燈控制器通信，也就是說 SmartServer 智能路段服務器分別使用兩級代理就實現(xiàn)和最遠的 12 號單燈控制器的通信。
SmartServer 智能路段服務器最多支持 8 級中繼代理。通過我們在國內的幾個實際路燈路段的測量，最差的情況是 SmartServer 智能路段服務器使用了兩級中繼代理就實現(xiàn)與最遠的測試節(jié)點的通信。
SmartServer 智能路段服務器內置的時序調度功能模塊可以根據(jù)時間來實現(xiàn)對每一個單燈控制器開、關和亮度控制。該時序調度功能模塊可以由中心監(jiān)控軟件進行配置。
SmartServer 智能路段服務器中嵌入實時操作系統(tǒng)，處理器為 MIPS32，時鐘頻率為 264MHz。內部的實時時鐘可以自動與設定的時間服務器進行時間同步。內置的 Flash 存儲器可以存儲數(shù)月的歷史數(shù)據(jù)。可以連接 Modbus 的設備、具有脈沖輸出的計量表設備等， 另外還有兩路數(shù)字輸入和兩路數(shù)字輸出。
3、監(jiān)控中心軟件
功能實現(xiàn)：
2、系統(tǒng)可以根據(jù)不同類型終端的控制要求，把所有路燈燈桿終端分成若干個組，分別采用時控或時控和光控相結合的方式控制支路及單燈，也可以手動對各支路進行遙控拉合閘操作或者對單燈、燈組進行開關燈、調光等操作。3、自動巡測、手動巡測和選測
4、監(jiān)控中心能按預先設定的時間周期自動進行定時巡測，也可隨時手動查詢和選測某監(jiān)控終端的電壓、電流、功率、支路開關狀態(tài)、單燈亮度及開關狀態(tài)等數(shù)據(jù)。
5、報警
6、巡測數(shù)據(jù)異常報警：當監(jiān)控終端主動報警或監(jiān)控中心在巡測時發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)異常時，監(jiān)控中心自動發(fā)出語音報警、自動存盤并在地圖上顯示相應的位置和故障類型，并可將信息轉發(fā)至相關人員的手機上。
7、監(jiān)控設備被盜報警：監(jiān)控終端設備被非法操作或是被偷盜時，監(jiān)控中心的計算機將會立即自動發(fā)出語音報警、自動存盤并在地圖上顯示相應的位置和設備類型，并可將信息轉發(fā)至相關人員的手機上。
8、報警內容包括：
2）晚上熄燈
3）燈泡故障
4）鎮(zhèn)流器故障
5）控制器故障
6）配電箱門被打開
7）電壓電流越限
8）終端停電
9）支路故障
10）電纜被盜割或人為損壞（需配防盜線設備）
10、系統(tǒng)能根據(jù)路燈數(shù)量和亮燈數(shù)量準確計算出亮燈率、滅燈率、故障率等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如下圖為某臺區(qū)在實行半夜燈之后統(tǒng)計的數(shù)據(jù)。
11、查詢打印導出表格
12、可以對各監(jiān)控終端任意定時數(shù)據(jù)和年、月、日統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行查詢，生成電流、電壓、電能、亮燈率、開關時間等曲線和報表。
13、可以對任意一天的實際開關燈時間、燈具亮度等記錄進行查詢，導出表格。
14、可以對歷史故障和報警記錄進行查詢，導出表格。
15、控制方案
根據(jù)不同類型的路燈、景觀燈控制要求，可以把路燈、景觀燈分別設置成不同的功能組，每個燈桿也可設置成不同的功能組，燈頭燈具也可進行編號，采用支路與單燈控制相結合的方式按預先設定方案自動進行控制。
19、衛(wèi)星自動校時系統(tǒng)（GPS）運用衛(wèi)星定位系統(tǒng)與計算機技術，實現(xiàn)對系統(tǒng)的準確校時，保證監(jiān)控中心和監(jiān)控終端時鐘的準確性與一致性。20、遠程實時查詢控制
可以通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)微機的遠程實時查詢，查詢內容包括各終端的以及歷史數(shù)據(jù)和故障情況，實現(xiàn)異地遠程接入訪問。也可通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)微機的遠程控制。*的BS的主站操作系統(tǒng)，可以使客戶端操作更加方便、界面更美觀、且客戶端免維護。
可在手機上通過路燈軟件查看任意監(jiān)控終端及路燈的數(shù)據(jù)、狀態(tài)及告警信息。也可在手機上實現(xiàn)對任意監(jiān)控終端及路燈的控制。
21、投影顯示功能系統(tǒng)具有投影功能，可以投影顯示路燈監(jiān)控數(shù)據(jù)信息。操作人員通過微機操作，可以很方便的顯示各項路燈監(jiān)控數(shù)據(jù)和圖像。
22、監(jiān)控終端斷電運行功能監(jiān)控終端內有不間斷電源，具有斷電運行功能，能在供電線路斷電時及時告警，使有關部門在時間獲知并搶修。
23、監(jiān)控終端獨立運行功能監(jiān)控終端能夠在通信中斷的情況下，按照事先設定的運行方式實現(xiàn)獨立運行。這個功能保證了監(jiān)控中心出現(xiàn)故障，或者通信中斷時，監(jiān)控終端能夠自行進行開關燈操作。避免了監(jiān)控中心出現(xiàn)故障或者通信中斷時，全系統(tǒng)癱瘓的嚴重后果。
24、短消息報警系統(tǒng)監(jiān)控中心可以實現(xiàn)無人值守，系統(tǒng)可以通過預置若干個，以短消息方式，按照預先設定的告警模式，把報警的時間、地點、內容等相關信息發(fā)送至各相關人員的手機上。發(fā)送人員數(shù)量不限。
系統(tǒng)也可以根據(jù)用戶的具體要求，通過短消息發(fā)送用戶最需要了解的系統(tǒng)運行相關信息，如每天的實際開關燈時間，路燈亮燈時長以及每天的用電量等相關信息。
系統(tǒng)具有相關輔助功能，包括短信接收、發(fā)送、短信定時發(fā)送等功能。
25、遠程抄表及自動計算用電量監(jiān)控終端可以對路燈配電箱內安裝的電子電表實現(xiàn)遠程抄表，直接讀取用電量數(shù)值，并發(fā)送到監(jiān)控中心。
系統(tǒng)可以根據(jù)抄表結果自動準確的計算每個月的用電量。如果路燈配電箱內沒有安裝電子電表，系統(tǒng)自帶交流采樣功能，也可以準確計算每個月的用電量。
26、路燈地理信息系統(tǒng)（GIS）監(jiān)控中心能夠集成電子地圖或平面掃描地圖，可實現(xiàn)地圖的多級縮放與平滑瀏覽，達到了圖文并茂和使用方便的效果。并能夠在地圖上標注監(jiān)控點的位置，通過地理系統(tǒng)指導路燈維護維修，實現(xiàn)路燈維護維修的合理化、及時化和科學化，提高了工作效率。
系統(tǒng)在地理信息的基礎上可以實現(xiàn)資產管理，包括：配電柜的基本信息、電器的基本信息、廠家的基本信息、電纜的基本信息、光源的基本信息、燈具燈桿的基本信息等。
27、監(jiān)控終端保護措施智能監(jiān)控終端是本系統(tǒng)的核心部分，由于監(jiān)控終端一般均安裝在干擾較大的環(huán)境中，為了保證系統(tǒng)可靠工作，終端的軟硬件設計采用了下列多種抗干擾措施。
2）開關量輸出采用軟件連續(xù)循環(huán)置位的處理方法，保證了輸出的可靠`性。
3）在繼電器控制回路采用滅弧保護電路，有效消除繼電器動作引起的電弧，大大延長了繼電器使用壽命。
4）對強干擾信號造成的運行出錯，采用軟硬件自恢復電路處理，保證在無人值守時也能可靠運行。
監(jiān)控終端和監(jiān)控中心軟件均加裝了軟硬件看門狗，當出現(xiàn)死機現(xiàn)象時能夠自動復位，保證設備的正常運行，同時也能夠對發(fā)生的故障定位，方便維護和維修。
4、系統(tǒng)框架結構及所采用的技術模塊
智慧監(jiān)控管理軟件的系統(tǒng)是一套采用現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡技術、物聯(lián)網(wǎng)技術及多媒體信息壓縮、解壓技術實現(xiàn)的數(shù)字圖形監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)控的視頻、音頻、告警、控制信號可傳至網(wǎng)絡內的每一個節(jié)點，用戶可以利用計算機網(wǎng)絡在不同地點同時監(jiān)視、控制遠程某一或某些場所，同時具有動態(tài)感知、視頻存儲、告警管理等功能；如下圖：
技術實現(xiàn)
作為一個通用化監(jiān)控平臺，系統(tǒng)由如下一些模塊組成：
設備控制模塊
該模塊是系統(tǒng)的設備驅動層，整個系統(tǒng)通過該模塊完成與編的通信。應用層的設備無關指令通過該模塊翻譯成設備相關指令，通過網(wǎng)絡傳輸層，完成對設備的各種控制與交互。
媒體控制模塊
該模塊是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心，用以完成對大容量媒體流以及透明數(shù)據(jù)的管理。
媒體流包括兩個方面的內容：一個是實時的視音頻流；一個是文件流。
數(shù)據(jù)管理包含兩個方面的內容：存儲和轉發(fā)。
軟件通過一套高效和強壯的流處理機制完成存儲和轉發(fā)的統(tǒng)一資源調度，從而使得系統(tǒng)的處理能力得到極大的提高。
連接管理模塊
連接管理接口是媒體控制接口的核心。每個連接由源和目的標識。一個連接表示了一個數(shù)據(jù)傳輸通道。系統(tǒng)為每個連接創(chuàng)建專門的處理任務。連接相互獨立，有效的避免了系統(tǒng)故障的擴散。
每個連接可以附加一個存儲請求和若干的轉發(fā)請求。存儲和轉發(fā)共享數(shù)據(jù)，獨立運行。數(shù)據(jù)的共享可以節(jié)約網(wǎng)絡帶寬。數(shù)據(jù)的并行處理保障了系統(tǒng)的效率和強壯性。
客戶端管理模塊
所有客戶端和服務器的通信都要經(jīng)過該模塊的翻譯和處理。通過該接口，客戶端和服務器可以完成各種控制信令的交互。
客戶端管理接口又可以細分為如下的幾個模塊：
認證管理：身份的認證
呼叫管理：客戶端各種請求的響應：包括連接的建立和刪除，設備的參數(shù)請求等等
服務器管理模塊
系統(tǒng)采用分布式多叉樹服務器架構，用以分擔整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡和計算壓力。服務器管理模塊負責在各個服務器之間傳遞和同步服務器狀態(tài)，協(xié)調各個服務器的工作上下文。
系統(tǒng)診斷模塊
該模塊是包括如下一些組成部分：
設備巡檢：負責時間獲得設備的各種狀態(tài)，包括：網(wǎng)絡是否正常、鏡頭是否正常、名稱是否改變、配置是否改變等等。這些狀態(tài)數(shù)據(jù)也需要同步傳遞到各個在線的客戶端，保障應用視頻圖像的一致性。
客戶端巡檢：負責客戶端狀態(tài)的獲取，包括客戶端的登陸、退出和掉線。
服務器巡檢：負責查詢每個服務器是否在線。如果服務器掉線，系統(tǒng)會在時間給出提示，從而轉入相應的故障處理模塊。
服務器工作上下文診斷：用于診斷服務器各個模塊是否正常，對于一些不正常的模塊，系統(tǒng)負責恢復或者清除。
故障弱化：客戶端故障弱化，為了保障服務器的性能，對于已經(jīng)掉線的客戶端（或設備），服務器自動剔除并釋放相應資源。服務器故障弱化，如果服務器出現(xiàn)故障，在故障修復好后，系統(tǒng)會自動修復與所有在線客戶端的連接，讓用戶自動重新回到正常的工作環(huán)境。
基于電力載波通信技術的路燈單燈控制系統(tǒng)是一個集成化的解決方案，可以實現(xiàn)節(jié)約能源成本，降低系統(tǒng)維護成本，同時構建一個完備的監(jiān)控網(wǎng)絡，依托該網(wǎng)絡可以實時獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對網(wǎng)絡上任意設備的控制。主要的效益包括：
◆ 自動識別單燈的報警和故障，減少人員夜間；
◆ 有效減少市民的抱怨電話，可以根據(jù)單個路燈的使用時間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)燈具的預維護， 使得路燈時刻工作在狀態(tài)；
◆ 單燈狀態(tài)監(jiān)控，可以實現(xiàn)快速故障燈具的處理，遠程實現(xiàn)對任何燈具的亮度進行控制，保持重點區(qū)域的亮度，提升重點區(qū)域的安全性；
◆ 降低光污染；
◆ 解決責任難題，提供每一個路燈的每天的運行數(shù)據(jù)以供分析；
◆ 降低安裝成本，半天的培訓就可以讓安裝人員掌握安裝方法；
◆ 降低現(xiàn)場維護的次數(shù)和由此帶來的能源消耗與 CO2 的排放，可以使用地圖對任何一盞燈進行維護；
◆ 實現(xiàn) 7×24 小時監(jiān)控，通過 SLV 軟件，可以在網(wǎng)絡上的任意工作站控制和現(xiàn)實任意路燈的運行數(shù)據(jù)的顯示和狀態(tài)；
◆ 標準的通信和數(shù)據(jù)接口，支持多個廠家的路燈控制器，有效降低成本支出，用戶可以選取滿足需求的的產品供應商；
◆ 基于標準的技術，能夠有效實現(xiàn)對未來的兼容，保持系統(tǒng)的生命力，不會產生由于技術的落后導致一系列的問題出現(xiàn)；
◆ 與現(xiàn)有的信息系統(tǒng)的集成，將路燈報警集成到現(xiàn)有的維護平臺的地理信息系統(tǒng)中
◆ （GIS），或者集成到能源供應商的需求/響應工具中。
基于電力載波技術的路燈單燈控制系統(tǒng)，是一種成熟的路燈解決方案，在世界各國很多城市得到廣泛應用。該系統(tǒng)可以有效避免現(xiàn)有一些系統(tǒng)的不足，且很好地解決了未來系統(tǒng)的升級換代問題，是一個解決城市路燈綠色照明的有效方案。
