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利用电力线载波SoC实现路灯远程监控应用 |
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作者：中颖电子股份有限公司 周学科 |
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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IO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SAR ADC。
其他：工作电压VDD = 3V～5.5V；具备ISP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，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 Slave)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，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。
图3: 网络初始化流程图
每个路灯终端的识别信息(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PLC Slave，都内建在PLC-NT-SSL协议中，用户无需考虑。 
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Host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—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。
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提升服务质量外，还能有效降低市政部门的路灯维护开销，获得直接的经济效益。
载波在路灯网络中的应用，克服了载波在开放线路中可靠性不足的缺点，又发挥出载波自身的优势，取得了良好的应用效果。中颖工业级载波SoC--SH99F01性价比高且易于使用，适合对传统钠灯网络的智能化改造，以及新型LED路灯远程监控应用。本文提到的方案目前已在多家路灯系统厂商实现了量产。(end)
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(1/10/2012) |
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