電力線載波SoC實現路燈遠程監控應用實例

                        電力線載波SoC實現路燈遠程監控應用實例

   城市路燈是人們日常生活中必不可少的公共設施，近年來，具備遠程監控功能的智能化路燈監控系統逐漸得到推廣應用，除了傳統的高壓鈉燈、鹵素燈外，新型的LED路燈更是廣泛采用遠程監控接口，以達到節能降耗，集約化，智能化管理的目標。

電力線載波具有安裝方便，免布線的天然優勢，在各種遠程控制中很早就有應用。實際應用中也發現載波在防雷方面具有較好的效果，載波信號通過磁環與外部線路耦合，可有效減少傳導到芯片端的脈沖能量，減少器件損壞的風險。另外，在現有路燈的智能化改造中，載波模塊可直接安裝在燈桿底端的控制箱中，無需安裝到燈頭處，施工成本大幅降低。

本文介紹基于中穎工業級電力線載波SoC--SH99F01的路燈遠程監控系統方案設計，并對監控系統的通信協議棧PLC-NT-SSL進行詳細介紹。

SH99F01芯片特點

SH99F01是一顆工業級電力線載波通信SoC，內建高性能載波調制解調模塊，處理器為1T增強型8051 MCU，主要特點如下：

載波模塊部分：

系統方案：零中頻全數字收發機。

調制解調：63位直接序列擴頻調制及DBPSK窄帶調制雙模方案。

模擬前端：90dB總接收增益，內建模擬低通，帶通濾波，10位DAC波形輸出，輸出增益4級可調。

增強功能：真實RMS的接收信號強度指示(RSSI)，數字頻率合成，載波頻率可寄存器設定，接收雙通道分時復用。

糾錯編碼：級聯編碼(RS編碼+卷積編碼+交織)。

系統功耗：收發不超過10mA(發送不包含線路驅動功耗)。

MCU部分：

CPU：增強型8051(1T)內核，最大工作頻率16M。

片上存儲器：16K Bytes Flash程序空間；768 Bytes 片上SRAM；2K Bytes類EEPROM。

IO端口：最多16個IO端口，每個端口10mA驅動能力，內建上拉電阻。

外設：1個增強型UART；3個16位定時器(Timer2具捕獲功能)；4通道10位SAR ADC。

其他：工作電壓VDD = 3V～5.5V；具備ISP功能，可在線更新程序并支持SSP，JTAG仿真接口；BOM成本低，業界最具性價比的載波SOC方案。

系統方案設計

基于電力線載波方案的路燈遠程監控系統架構如圖1所示。每個集中控制器下設一個控制子網，通過電力線連接各個單燈控制器，集中控制器再通過GPRS或其他無線或有線技術連接遠程監控中心。集中控制器作為本地監控主機，負責解析遠程監控中心的控制命令，監測本地路燈的運行狀況，發現異常及時上報給監控中心。每個單燈節點都有獨立的編號，在邏輯上構成一個樹形網絡。

圖1: 基于電力線載波方案的路燈遠程監控系統架構

在圖1的架構中，基于SH99F01的載波SoC只負責網絡的組建以及協議數據的透明傳輸，通過PLC Master與PLC Slave模塊，在Host與Client之間建立透明傳輸通道，其中Client負責具體燈具的監控動作。在一些簡單的系統中，也可整合PLC Slave與Client功能，使用SH99F01的片內外圍電路做一些簡單的監控應用，如通斷控制、PWM調光、電流電壓采樣、電纜防盜檢測等。

每個路燈終端的識別信息(SN)可存放在Client主機中，也可存放在PLC Slave中，PLC-NT-SSL協議默認存放在PLC Slave中(存放在SH99F01內部的EEPROM中，可在生產時燒入)，支持6字節SN信息。在協議工作時使用網絡地址(netID)進行尋址，該 netID在網絡初始化之前需分配好，并建立SN與netID之間的一一對應關系，一旦完成網絡初始化，所有尋址都以netID進行，SN不再參與。

參與網絡初始化過程的設備為Host，PLC Master以及各個PLC Slave，而Client在此過程中不參與。初始化幀格式是針對Host與PLC Master之間的通信設置，不涉及到終端的Client。用戶使用PLC-NT-SSL協議進行組網通信，必須先由Host按照圖3的初始化流程及圖4 的初始化幀格式進行網絡初始化，而PLC Master通過何種方式搜索到相應的PLC Slave，都內建在PLC-NT-SSL協議中，用戶無需考慮。

圖4: 網絡初始化幀格式

2） 端到端數據透傳階段

與網絡初始化不同，端到端數據透傳是在Host與各終端Client之間進行的數據傳輸，此時網絡初始化已經完成，路由已經建立，Host可以輪詢或組播方式把控制命令發送給各終端Client，后者也可把報警信息上報給Host。PLC Master與PLC Slave只是按照協議棧將透傳數據幀進行轉發，并不參與幀的解析。端到端數據透傳幀格式如圖5所示。

PLC Master與PLC Client之間進行的是無確認的傳輸，控制命令的確認由Host層面完成，一般采用“命令—響應”機制，如Host發送“查詢狀態”命令，則目標Client返回“狀態信息”響應。

重傳機制也在Host層面增加，通過進行重復幀檢測。netID為目標節點的網絡地址，在Host下發各種控制及查詢命令時，netID為各終端Client的網絡地址，在Client響應命令或主動報警時，netID為PLC Master地址。

圖5: 端到端數據透傳幀格式

應用設計注意事項

1） 一些傳統的高壓鈉燈通常會釋放較強的干擾，因而需要進行線路優化，只需在載波模塊之后，燈具電源之前增加一個簡單的濾波裝置即可有效減少線路上的干擾。

2） 在對負載進行必要優化后，正常情況下，網絡初始化都能找到全部節點，個別情況有斷網節點，一種可能是該節點軟件或硬件存在故障或損壞，一般由對產品測試不完善所致，可改進產品測試流程；另一種可能是該節點離其他節點距離過長，超出單級通信可及范圍或協議中繼范圍，這種情況可在線路上增加硬中繼，或適當增加發射功率，或局部增加無線橋接。

3） 終端的主動報警有效提升了異常響應速度，也是PLC-NT-SSL協議的特色之一。由于引入了主動報警，必須處理多點接入時的沖突退避，相比主從控制方式，協議的復雜性大幅增加。得益于SH99F01提供的快速封包檢測功能，可實現快速載波偵聽并進而改善CSMA/CA效率。

4） 某些情況下需要快速控制多個節點，如廣播開燈，廣播關燈，廣播調光等，以彌補輪詢控制速度上的不足。而由于線路負載及距離的限制，實際上無法做到對全網的單級廣播，廣播命令實際是按照網絡層次逐級傳遞，過程類似“洪泛”。PLC-NT-SSL協議采用一種簡化的組播控制方式，可實現多節點的快速控制，同時又避免了“洪泛”的無需競爭所導致的低效率。

本文小結

近年來，公眾對路燈這類公共服務產品的科學化精細化管理的需求逐步提高，增加遠程監控接口，除了能夠滿足路燈節能降耗及提升服務質量外，還能有效降低市政部門的路燈維護開銷，獲得直接的經濟效益。

載波在路燈網絡中的應用，克服了載波在開放線路中可靠性不足的缺點，又發揮出載波自身的優勢，取得了良好的應用效果。中穎工業級載波SoC-- SH99F01性價比高且易于使用，適合對傳統鈉燈網絡的智能化改造，以及新型LED路燈遠程監控應用。本文提到的方案目前已在多家路燈系統廠商實現了量產。

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