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1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作LED信号电力载波通信系统摘要：本文提出了一种基于GPRS无线通信和电力线载波通信(PLC)相结合的LED路灯远程监控系统设计工作主要围绕系统基本架构的搭建!数据通信以及路灯控制器设计三个方面展开 ,本文将AODV路由算法改进应用到LED路灯网络的路由算法当中,解决LED路灯网络的路由问题和中继问题,在保证系统正常通讯的前提下,提高系统信号传输的质量。关键词:灯具控制系统;传感网络;路由;电力载波;AOD。1 引言LED照明、亮化应用越来越广，尚有很多技术难题有待解决。在应用中有很多数据需测试，在实际使用中，灯具置于高空中，难以现场测试，故
2、击破远程监控。本课题通过传感器实时采样，把运行信息通过电力载波方式上传到管理中心，并按需处理。本设计通过控制模块，故障报警报警模块，电力载波模块以及GPRS模块组成。可编程恒功率节能各灯自动恒功率，节电率最佳；保证各用电器免受高压侵蚀延长用电器使用寿命；有效克服离散性熄灯，降低维护成本，掌控到单灯，足不出户知晓各灯运行情况，减少人查勘，降低运行成本。2 总体方案设计根据任务书上的要求进行综合分析，总设计方案分为以下几个步骤： 1)根据路灯控制系统的功能，选用合理元器件并画出总体原理图。 2)画出各个程序流程图的各模块。 3)根据流程图编写出各模块的程序。 4)完成主程序及实现模块调用。 5)硬
3、件电路的焊接及调试。 6)硬件软件的综合调试及程序烧制。 7)制作PCB版8）右图为总体设计方案流程图 21 方案一：集中式控制方式:系统以中心控制节点为中心,巾心控制节点与子节点直接连路灯控制器等设备直接与控制中心相连接,控制中心直接发送控制指令给路灯控制器采用集中式控制方式具有的优点为:能高效率地控制路灯,故障的诊断和排除简单,控制速率较高但因为系统中控制中心与路灯控制器直接互联,路灯的控制都直接来自控制中心的命令,控制中心不能离路灯太远此外,系统的容量受控制中心的处理能力限制,这往往会导致系统的可靠性,效率较低,维护成本增高等虽然可以采用多种辅助措施来进行改进,使控制中心和系统的可靠性都
4、有较大幅度的提高,但这种控制方式的系统成本仍然很高。22 方案二：分布式控制方式:控制功能部分下放至照明终端设备,处于最终端的照明设备既受控制设备控制,同时也能根据时间,光照等传感参数进行自主控制,实现对路灯运行参 数的设定控制功能这种控制方式的优点:由于每个控制单元都可以独立工作,其功能 也比较单一,控制系统的可靠性较高,易于日后进行扩展这种方案节约了能源消耗,还延长了灯具的使用寿命,促进了照明技术的发展,在实用意义和经济意义两方面来说都具有重要的意义。2.2.1框图 图2-1 路灯控制器硬件框图2.3方案的确定综合考虑,分布式路灯监控系统与采用其他方式的系统相比有很多优势,此监控系统能够收
5、集路灯系统运行的大量信息,然后根据一些重要数据做出规划系统的运营成本因此能大幅度下降,灯具的使用寿命增加,能耗降低总之,通过采用分布式路灯监控系统,城市公共照明系统的安全性得到了保证,在环境保护方面,采用这种分布式的系统能更为合理的调光控制,使得照明设备更加高效。3单元电路设计和论证 31单片机最小系统图3-1 单片机最小系统3.2载波LED路灯控制系统介绍完整的电力载波LED路灯控制系统,包括控制中心软件!基站控制器!路灯控制器以及完成总站控制中心到基站控制器,实现基站控制器与路灯网络之间通讯过程的协议软件本文将GPRS无线通信技术和电力线载波技术结合起来,并应用于城市路灯监控系统中如图2一
6、1所示,本系统采用三级结构形式,远程通信问题和中继通信的问题都因此被解决此外,本系统做到了更好的成本控制,既降低了系统的硬件成本和路灯的电能消耗,又提高了管理效率,节约了管理维护的成本。图3-2 LED路灯控制系统结构3.2.1系统结构如图3-2所示,本文的LED路灯控制系统分为三层,底层为LED路灯控制器,负责路灯开关控制以及LED路灯运行参数信息的反馈,中间层为基站控制器,通过电力载波网络负责对所属LED路灯网络进行监控,并通过GPRS/GSM设备与总控制器进行数据交互上层为总控制器,将用户命令通过GPRS/GSM设备与基站控制器交互,并显示管辖路灯网络的运行情况系统运行时,用户需要下达开
7、关灯,采集路灯工作状态,或是对路灯实施节能控制的控制命令时,就通过总控制器的软件进行命令操作命令被打包成数据包,通过GSM网络发送到目标基站控制器的GSM模块目标GSM模块解开该数据包,根据数据包的控制命令,将控制数据封装成电力载波通信协议的格式,通过电力载波收发模块发送控制包目标路灯控制器的电力载波模块收到数据包后执行相应动作,或将采集到的传感器数据通过电力载波网络传回相应基站控制器,最终反馈到总控制器总控制器将路灯运行状态返回给用户,方便用户及时对路灯线路进行维护,从而实现城市路灯控制的远程化和智能化。3.2.2组成要素从技术的角度来说,路灯监控的实质就是要测量!记录!设定路灯运行的参数典
8、型的路灯控制器一般由以下几个部分组成:.传感器:所谓传感器是固定在路灯控制器中的数据采集装置,在本系统中,它将系统路灯运行的参数如电压!电流!温度!光照强度等参数记录下来以作为路灯控制的决策依据以及上传给总站控制器以供用户决策这样的传感器包括光照传感器,温度传感器,电流传感器等。.数据传输设备:该设备负责将采集到的传感数据从底层采集设备传输到计算机系统进行处理,而数据传输设备就是用来完成此项工作的在本系统中电力载波调制解调器和GSM收发器负责数据从传输。.数据处理设备:通过传感器采集的数据汇总到总控制器后需要进行数据的处理分析,在本系统中由总控制器负责数据从处理在路灯控制器和总控制器之间起桥梁
9、作用的是基站控制器路灯控制器可视为传感节点,利用电力载波通讯技术与基站控制器进行数据的交互基站控制器得到需要的数据后通过GPRS/GSM方式与总控制器进行数据交互采用这种方式即减轻了总控制器的负担,又方便日后系统的扩容。3.3电力载波通信介绍传输数据的传输介质!连接设备形成拓扑结构和共享资源的介质控制方法等技术决定了网络特征l9l与一般的计算机网络不同,电力线介质设计的初衷是为了完成电能而不是数据的传输,故对于数据传输而言,其信道特性非常不理想,这具体表现为噪声显著且信号衰减较为严重。.有色背景噪声有色背景噪声的功率谱密度较低,并且,随着频率增加,其功率谱密度减小有色背景噪声由于信道上的大量低
10、强度噪声源叠加而产生有色背景噪声跟频率非常相关,这一点与不连续的,与频率不相关的白噪声不同此外,随时间变化,有色背景噪声的参数也会发生变化。.窄带噪声窄带噪声中只有小部分不是调幅正弦波中波和短波广播进入介质产生了窄带噪声,其中幅值在白天通常是时变的,在晚上大气反射效应会加强,因此幅值会增大。.同电网频率不同步的周期性脉冲噪声其重复频率在50一ZO0kHz,其频谱为分散的线,重复速率的出现造成了频率空白,此类噪声多由开关电源产生此外,同电网频率不同步的周期性脉冲噪声占用的频段彼此非常接近。.同电网频率同步的周期性脉冲噪声这类噪声为重复频率soHz或100Hz并同供电网络主频率同步到脉冲这类脉冲持
11、续时间短,一般在毫秒级,并且随着频率增加,其频谱密度减少由于电源与电网频率的同步运行造成了此类噪声,例如连接到电网的整流器。.非同步脉冲噪声电网切换暂态信号造成了非同步脉冲噪声这些噪声随机产生,其持续时间较短,持续时间从几微秒到几毫秒不等此外,其频谱强度可以比背景噪声高SOdB,这使其成为PLC网络数字通信出错的主要原因。这些噪声对电力载波通讯中的数据传输造成很大的影响,很多情况下噪声干扰太强而致通讯失效因此在解决电力载波通讯时效性的问题时要充分考虑信道的噪声干扰特性PLC网络中信号的衰减取决于电力线的长度!电力线干扰特性以及信道传输特性,特别是当传输距离较长时,信号的衰减结合噪声使得长距离信
12、号传输出错几率增加所以,在距离较长的电力载波网络中需要采用路由算法来中继数据包以及对收发数据进行确认来保证数据可靠性。针对LED路灯网络,其道路长度往往比较长,所以路由问题以及相关数据确认就是信号传输的关键问题,只有使用合理的路由算法以及相关协议,数据传输的正确性和及时性才能得到保障所以在研究LED路灯网络中的电力载波通.信协议时要重点关注路由等相关算法协议。3.4电力载波相关协议低压电网的特性包括低压电网本身不利的拓扑结构!恶劣的传输环境!电磁兼容问题!以及他们所导致的低数据传输速率和对来自网络自身和周围环境干扰的敏感性为了在这样的环境中提供必需的传输服务,我们需要使用较好的传输机制和协议图
13、3-3 ISO/OSI参考模型对于电力载波LED路灯网络,确保数据传输的协议主要包含物理层!数据链路层协议和网络层协议,如图3-3物理层负责数据在通信介质上的传输,包括传输介质的电气特性!时钟同步!信号编码!调制解调等因为物理层不在本文研究范围,所以下文不再展开数据链路层协议负责介质访问控制网络层协议主要负责给出网络结构,并对数据进行路由。在每个共用传输介质的系统中,MAC层是通用协议体系的组成部分针对不同通信系统,需要对其具体传输特点!运行环境开发不同的MAC协议来适应特定的通信系统电力载波网络的特性包括特定的传输介质(低压电力线网络),该网络需要在数据传输受干扰的情况下实现有限速率的数据传
14、输。MAC协议MAC协议的任务是通过管理网络资源可接入片段来对网络中多个节点的访问进行控制在本系统中,下行传输管理比较容易,因为基站控制器可对此完全控制,在这个方向上,基站向一个或多个路灯控制器发送数据在这种情况下,在传输介质下行方向只有来自基站控制器的数据包但在上行线路中,多个路灯控制器需要为介质访问权而竞争不同路灯控制器相互独立,在任何时候都可能发送数据,因此需要MAC协议来管理介质访问,避免在链路层的数据包冲突MAC协议主要分为两类,固定和动态访问协议固定访问机制对用户的连接预先分配容量,例如传统的电话业务用户被预选分配的网络容量与它当前对网络的需求无关这种方式适合连续流量,不适用于突发
15、数据流量动态访问控制不同于固定访问控制,适合于数据传输本系统不同于传统的固定网络业务,像电话业务,信道带宽都己固定分配好,和数据需求没有关系,数据业务不是固定不变的,各个节点有时需要传输的信息可能很大,有时又可能很小,所以本系统需要采用动态访问协议。动态访问协议又分为两类:竞争协议和仲裁协议,如图2一4所示网络中的所有节点一般都随机访问网络介质,这是基于竞争的MAC协议中的原则当有两个或者两个以上的网络节点同时有传输数据的需求时会发生冲突,因为在采用竞争协议的网络中,节点不能掌握网络中其他节点数据传输的需求可见冲突问题是该类MAc协议要解决的核心问题，一方面,在采用仲裁协议的通信网络中,协议实现了节点对传输介质的专有访问,这是通过节点之间协调实现的节点以确定方式访问介质来避免冲突但缺点是仲裁过程需要花费额外时间,特别是在网络规模较大的情况下,造成较大的网络延时。 图3-4 动态MAC协议分类低压电力载波网络在网络负载比较大时,网络节点数目比较多,采用仲裁协议比如令牌协议,需要在各个节点间传输-冷牌0
