电力线载波SoC实现路灯远程监控应用实例

1、电力线载波SoC实现路灯远程监控应用实例上网日期：2012年01月17日 打印版 订阅关键字：卫程监控_LED路灯电力线载波城市路灯是人们日常生活中必不可少的公共设施，近年来，具备远程监控 功能的智能化路灯监控系统逐渐得到推广应用，除了传统的高压钠灯、卤素灯外，新型的LED路灯更是广泛采用远程监控接口，以达到节能降耗，集约化，智能化管理的目标。电力线载波 具有安装方便，免布线的天然优势，在各种远程控制中很早就有应用。实际应 用中也发现载波在防雷方面具有较好的效果，载波信号通过磁环与外部线路耦合，可有效 减少传导到芯片端的脉冲能量，减少器件损坏的风险。另外，在现有路灯的智能化改造中， 载波模块可

2、直接安装在灯杆底端的控制箱中，无需安装到灯头处，施工成本大幅降低。本文介绍基于中颖工业级电力线载波SoC -SH99F01的路灯远程监控系统方案设计，并对监控系统的通信协议栈 PLC-NT-SSL进行详细介绍。SH99F01芯片特点SH99F01是一颗工业级电力线载波通信 SoC，内建高性能载波调制解调模块，处理器为1T增强型8051 MCU，主要特点如下：载波模块部分：系统方案：零中频全数字收发机。调制解调：63位直接序列扩频调制及 DBPSK窄带调制双模方案。模拟前端：90dB总接收增益，内建模拟低通，带通滤波，10位DAC波形输出，输出增益4级可调。增强功能：真实 RMS的接收信号强度指

3、示（RSSI），数字频率合成，载波频率可寄存器设 定，接收双通道分时复用。纠错编码：级联编码（RS编码+卷积编码+交织）。系统功耗：收发不超过 10mA（发送不包含线路驱动功耗）。MCU部分：CPU :增强型8051（1T）内核，最大工作频率 16M。片上存储器：16K Bytes Flash程序空间；768 Bytes片上SRAM ； 2K Bytes类 EEPROM。IO端口 ：最多16个10端口，每个端口 10mA驱动能力，内建上拉电阻。外设：1个增强型UART ； 3个16位定时器（Timer2具捕获功能）；4通道10位SARADC。其他：工作电压 VDD = 3V5.5V ;具备IS

4、P功能，可在线更新程序并支持 SSP , JTAG 仿真接口； BOM成本低，业界最具性价比的载波SOC方案。系统方案设计基于电力线载波方案的路灯远程监控系统架构如图1所示。每个集中控制器下设一个控制子网，通过电力线连接各个单灯控制器，集中控制器再通过GPRS或其他无线或有线技术连接远程监控中心。集中控制器作为本地监控主机，负责解析远程监控中心的控制命令， 监测本地路灯的运行状况，发现异常及时上报给监控中心。每个单灯节点都有独立的编号， 在逻辑上构成一个树形网络。图1：基于电力线载波方案的路灯远程监控系统架构在图1的架构中，基于 SH99F01的载波SoC只负责网络的组建以及协议数据的透明传输

5、， 通过PLC Master与PLC Slave模块，在Host与Client之间建立透明传输通道，其中Client负责具体灯具的监控动作。在一些简单的系统中，也可整合PLC Slave与Client功能，使用SH99F01的片内外围电路做一些简单的监控应用，如通断控制、PWM调光、电流电压采样、电缆防盗检测等。载波用于路灯网络的优势电力线载波很早就用于中高压的电力调度，电力监控，低压的远程抄表，远程监控等领域， 在中高压的电力载波机技术已经是种成熟技术，而低压的抄表，监控等应用也取得了不错的效果，但也遇到通信可靠性，稳定性方面的问题，这主要是由于电力线信道的开放性， 时变性，强干扰与强衰减特

6、性与载波芯片物理层技术的局限性所致，实际应用中必须配合 组网技术来弥补物理层的不足。路灯网络是一种特殊的电力线网络，首先，路灯网络负载单一，一般一条线路采用同一类 型路灯，可以有针对性的对线路负载与干扰进行一定优化，同时载波也可有针对性的采取 一些对抗措施，获得较理想的传输通道，尤其是新型的LED路灯，其自身供电模块就有很高的EMI要求，对载波的影响更小；其次，路灯网络线路走向比较确定，拓朴结构简单， 组网可以采用较为简化的方法进行，而每个路灯有规律分布，不太会出现通信无法达到的 “孤岛”节点，并且每个路灯网络节点数量也有限，协议开销不高；再次，路灯网络控制方 法也较为简单，以主从控制为主，由

7、集中器以轮询或组播方式控制各个节点，必要时增加 各个节点到集中器之间的主动报警功能以提高异常响应速度；最后，每条路灯线路都是一 个独立的小系统，通过配变与 10KV 线路隔离，载波信号被局限在该配变下，配变与配变 之间载波相互隔离，容易实现网络复用，达到大范围组网。基于以上原因，载波应用于路 灯网络具有比传统载波应用更高的可靠性与适用性。PLC -NT-SSL 协议PLC -NT-SSL 协议是中颖 PLC 组网通信协议的一种，采用集中式主从控制方式，适用于路 灯远程监控及类似系统。该协议具有如下特点：* 基于主从控制，载波集中器 (PLC Master) 为主节点，载波终端 (PLC Sla

8、ve) 为从节点，主 节点可以轮询或组播方式控制或查询从节点状态；* 支持主动上报，载波终端可主动向载波集中器发送状态异常及报警信息；* 使用载波侦听，冲突退避算法 (CSMA / CA) ，在多节点同时发送时可减少冲突；* 使用自动方式进行网络初始化，无需人工配置，路由表存储在载波集中器的 EEPROM 中，同时也可把组网拓扑传送给远程监控主机，以树状形式在主机界面显示；* 每条路径均提供备用路由，支持自动调整路由，支持自动搜索新路由；* 支持人工调整路由，支持新增节点及删除节点；* 支持五级中继，支持 254 个节点；* 物理层支持高频 150KHz 以上及低频 150KHz 以下载波频点

9、，以满足不同地区频谱规范 要求。PLC - NT -SSL 协议设计为基于载波的 “透明”传输协议，协议只负责构造 PLC Master 与 PLC Slave 之间的双向数据传输通道，至于数据内容及应用层控制方式，则由终端应用厂 商自行定义及开发。如图 2 所示，蓝色字体部分为协议栈的核心内容，分成 4 个层次， CL 层为汇聚层，完成长数据包的拆解与拼接， NET 层为网络层，完成路由寻址功能， MAC 层为介质接入层，完成多点接入时的冲突避让， PHY 层完成最底层的载波数据传输。 对 Host 与 Client 而言，无需关心 PLC 层面的通信架构及具体执行，只需按照应用要求给 出目

10、标地址及相应的控制命令。图2: PLC-NT-SSL协议栈PLC-NT-SSL协议采用软中继方法，通过网络中节点进行存储转发，图中PLC Relay在物理上就是个普通终端节点。协议栈使用PLC -NT-SSL协议分成网络初始化和端到端数据透传两个工作阶段，下文具体说明。1) 网络初始化阶段此阶段在硬件安装完成后进行，通过一种优化的网络搜索算法，搜索网络中所有节点，每搜到一个节点，即存储该节点路由信息，并把该节点的网络状态标志为联网”同时路由信息也会发送给主机。如在此过程中由于某种原因未找到某个节点，该节点状态保持为断网”可在澄清原因后用自动或人工添加的方法把该节点加入网络。每个路灯终端的识别信

11、息(SN)可存放在Client主机中，也可存放在 PLC Slave中，PLC- NT-SSL 协议默认存放在 PLC Slave中(存放在SH99F01内部的EEPROM 中，可在生产 时烧入)，支持6字节SN信息。在协议工作时使用网络地址(netID)进行寻址，该 netID在网络初始化之前需分配好，并建立 SN与netID之间的一一对应关系，一旦完成网络初始 化，所有寻址都以netID进行，SN不再参与。参与网络初始化过程的设备为Host，PLC Master以及各个 PLC Slave，而Client在此过程中不参与。初始化帧格式是针对Host与PLC Master之间的通信设置，不涉

12、及到终端的Client。用户使用PLC-NT-SSL协议进行组网通信，必须先由Host按照图3的初始化流程及图4的初始化帧格式进行网络初始化，而PLC Master通过何种方式搜索到相应的PLCSlave，都内建在 PLC-NT-SSL协议中，用户无需考虑。F id d H amt：涌itindicatorlertgthinform ertionCRC:iddLengti1 byte1 *1 b/a1 bytebytes2 btesQirnmriddata1 byte3 bn/tes：*codeHit7 bit图4:网络初始化帧格式2）端到端数据透传阶段与网络初始化不同，端到端数据透传是在Ho

13、st与各终端Client之间进行的数据传输，此时网络初始化已经完成，路由已经建立，Host可以轮询或组播方式把控制命令发送给各终端Client，后者也可把报警信息上报给Host。PLC Master与PLC Slave只是按照协议栈将透传数据帧进行转发，并不参与帧的解析。端到端数据透传帧格式如图5所示。PLC Master与PLC Client之间进行的是无确认的传输，控制命令的确认由Host层面完成,一般采用命令一响应”机制，如Host发送查询状态”命令，则目标Client返回状态信息” 响应。重传机制也在Host层面增加，通过进行重复帧检测。netID为目标节点的网络地址，在Host下发各

14、种控制及查询命令时，netID为各终端Client的网络地址，在 Client响应命令或主动报警时，netID为PLC Master地址。FiEdiJtldme5tartndl GatorMrlengthinform fltionCRCFieldLength1 byte1 byte1 byte1 byte toiles2 tytesf刨DtoiTirrund1 bvts1 bjrfeext1 bit7 bits图5:端到端数据透传帧格式应用设计注意事项1）一些传统的高压钠灯通常会释放较强的干扰，因而需要进行线路优化，只需在载波模 块之后，灯具电源之前增加一个简单的滤波装置即可有效减少线路上的干

15、扰。2）在对负载进行必要优化后，正常情况下，网络初始化都能找到全部节点，个别情况有 断网节点，一种可能是该节点软件或硬件存在故障或损坏，一般由对产品测试不完善所致， 可改进产品测试流程；另一种可能是该节点离其他节点距离过长，超出单级通信可及范围 或协议中继范围，这种情况可在线路上增加硬中继，或适当增加发射功率，或局部增加无 线桥接。3） 终端的主动报警有效提升了异常响应速度，也是PLC-NT-SSL协议的特色之一。由于 引入了主动报警，必须处理多点接入时的冲突退避，相比主从控制方式，协议的复杂性大 幅增加。得益于SH99F01提供的快速封包检测功能，可实现快速载波侦听并进而改善 CSMA/CA 效率。4）某些情况下需要快速控制多个节点，如广播开灯，广播关灯，广播调光等，以弥补轮 询控制速度上的不足。而由于线路负载及距离的限制，实际上无法做到对全网的单级广播，广播命令实际是按照网络层次逐级传递，过程类似洪泛” PLC -NT-SSL协议采用一种简化的组播控制方式，可实现多节点的快速控制，同时又避免了洪泛”的无需竞争所导致的低效率。本文小结近年来，公众对路灯这类公共服务产品的科学化精细化管理的需求逐步提高，增加远程监 控接口，除了能够满足路灯节能降耗及