智慧路灯系统以PLM为基础让智能更节能

以PLM连接装置为基础,智能路灯系统事半功倍 在全球能源中,智能电网(Smart Grid)技术的出现,使从传统电力使用到更高效可靠能源系统的转变成为可能。利用进阶能源监测和控制,透过

以PLM连接装置为基础,智能路灯系统事半功倍
     在全球能源中,智能电网(Smart Grid)技术的出现,使从传统电力使用到更高效可靠能源系统的转变成为可能。利用进阶能源监测和控制,透过整合高效的能源产生、分配和消耗,智能电网概念可令智能型道路照明系统部署于大规模照明系统,如城市街道照明。
 
    本文将从智能型道路照明系统概述开始,描述针对网络化路灯、基于电力线通讯的远程控制协议,并透过一个创新的系统解决方案实施该协议,相应的硬件和软件工具,将在本文的最后部分介绍。

智能道路照明系统降低维护成本
    城市是智能型道路照明的主要消费者,可节省能源和维护。在智能型道路照明系统中,路灯群可互相通讯及向本地集中器提供照明数据,集中器经常透过数字行动装置调制解调器管理数据并向一个安全的服务器传输相关数据,服务器捕获数据,然后将其呈现于一个网络浏览器接口。

    此外,一个智能型道路照明系统允许双向通讯,这使得设备管理者可以远程控制路灯,并记录灯具和驱动电路的电力消耗。

    与传统自主式路灯相比,监控式路灯网络可减少维护成本,由于灯具状态被监控,定期维护变得更为高效和经济。出现故障也毋须巡回检测,问题灯具可被精确定位;如夜晚有明亮的月光照耀,智能型道路照明还能透过远程调暗或调亮灯光以确保减少能源耗用。这可根据天气状况或预设时间表实现,并能保证有效的数据采集。

道路照明系统设置考虑多
    智能型道路照明系统的基本组件是智能灯柱,它整合几个不同的部分,包括进阶功率级(镇流器或驱动器)用于以最高效率驱动灯具、通讯接口可装配一个数字监控的、安全可靠的网络,以及添加各种智能传感器(可选)以检测天气状况、灯柱倾斜和空气污染。

    智能型道路照明不仅仅是简单地照亮道路,还必须根据道路类型确保亮度、照度、均匀度和眩光达到指定值,以保证司机和行人的最大视觉安全。这就是使用高性能光源,如高压气体放电(HID)灯和发光二极管(LED)灯的原因。

    智能灯柱以其镇流器或驱动器开始。芯片商针对HID电子镇流器的创新解决方案,可延长灯具的寿命、提高光通维持率和降低能耗。目前,业界推出的解决方案涵盖用于驱动高功率灯具(150W和250W)的电子镇流器,到针对中低功率应用(70W和35W)的先进解决方案。

    为驱动LED路灯,厂商为工程人员提供广泛的解决方案组合,满足电力相关的独立和非独立应用,为不同级别的输出功率(60?130W)驱动单个或多个LED灯串,专为户外应用设计。

    大多数这些针对HID和LED的灯具驱动解决方案均基于数字方法,这就是真正的智慧发挥作用的地方。一个8位或32位微控制器(MCU)控制全部用于驱动灯具的功能,与此同时,管理所有用于实现智能型道路照明网络的数据。

通讯技术为智能路灯关键
    网络化道路照明系统可凭借几个成熟的通讯标准透过有线或无线通信进行管理。对于有线选项,可实现一个基于电力线通讯的数字控制器和监视器。从电力线收发器到支持各种调制(B-FSK, S-FSK, B-PSK, Q-PSK, 8-PSK)的最新一代电力线网络系统单芯片(SoC)皆是有线网络方案。无线网络通讯选项,则可采用可建构安全可靠网络的ZigBee技术。须注意,在两种情况下,通讯都是双向的,被监控的系统可收/发信息和指令从/至灯具(图1)。


 
图1 智能型道路照明系统

    调光级别和开/关指令依赖当日时间、路况或当时的自然光照条件。该信息及灯具状态、灯具和其驱动电路的能源消耗、灯柱倾斜等,可被集中器基站采集并发送至中央服务中心,数据在此被监控、指令在此发出。

    当灯柱倒下或从其照明位置倾斜时会发生什么呢?直到路人报告,不会有人知晓这一情况。实时监测灯柱倾斜或下降可透过使用微机电系统(MEMS)传感器实现。超低功耗、高性能、三轴线性nano加速度计是实现此一目的的选择。同样的能识别手势的智慧感测技术可改善智能型道路照明系统,透过实时、被监控的服务时间表加强道路安全并减少维护成本。

    智能型道路照明应用中,网络由几个电力线调制解调器(称为节点)组成。这些调制解调器分布于整个灯柱,每个调制解调器掌握照明器和其相应的电源。其中一个调制解调器节点被用做数据集中器,一般在配电柜(分配电力到某一组灯柱)内,透过一根三相电力线执行。每个设备最多可以连接三个不同的电源相。就这样,所有的节点和集中器共享同一根被用做数据通讯信道(物理方式)的电力线。在本应用中,集中器由远程服务中心(RSC)透过整体封包无线电服务(GPRS)调制解调器进行远程控制。

    在此,所有灯具相关信息,如功耗、状态和错误,以及配电柜自身,如环境温度和断路器状态都被转发和存储在数据库中。一个配有专门接口的网络服务器允许RSC分析数据并执行很多远程操作,如改变开/关/调光的远程照明时间表,手动切换灯具的开/关/调光,或改变调制解调器的内部时钟。

    网络在逻辑上被设计为主-从结构,数据集中器被认为是一个主设备,每个节点为从设备。事实上,任何设备都可发起通讯,从而变为主设备,而目标节点(每个都有一个唯一的地址ID)则变为从设备。

    无需任何特殊的程序设计功能,每个节点还可充当数据中继器,以增加网络的可靠性和在复杂的网络条件下将信息由主设备传送至从设备的统计概率。

数据冲突管理不可或缺
    多个主设备和中继器并存的情况引出数据冲突管理的需要。因多个设备可在任何时候发起通讯,可能引发网络壅堵,并降低总体性能。有两个主要的技术可解决此问题,其中之一,带冲突检测的载波检测多路访问(CSMA/CD),在一个硬设备能在数据传输过程中检测任何冲突时使用。另一个是带冲突避免的载波检测多路访问(CSMA/CA),当硬设备没有此硬件功能时使用。

    实现的冲突避免机制使用一个回退时间(Back-off Time)和电力线调制解调器(Power Line Modem, PLM)的工作波段(BU)硬件功能以避免传输冲突。在发起任何通讯之前,每个设备进行等待,直到透过检查自身的BU标志确认波段可用。一旦波段可用,将计算出一个随机的退避时间。当回退时间结束,如果波段仍然可用,传输开始,否则将再次进入循环(等待工作波段和新回退时间的计算)。

    连接同一电力线的所有节点之间数据交换还使用一个数据帧确认机制。透过这种方式,主设备可知道自己传输的数据报是否已经被正确传送至目标节点,因为它会因每个发送至目标设备的数据帧收到一个确认帧。

    重发功能提高将数据帧传送至远处节点或处于嘈杂网络环境中节点的概率。因为所有其他节点都连接在同一电力在线,它们不断检测网络,抓取所有传送中的数据。依靠设备地址和数据帧/确认流,每个节点都可发现检测到的帧是否须要重发、释放或处理。一项数据识别技术(帧ID)和数据帧中的前向纠错(FEC)冗余可以避免循环重发或数据丢失,那会引起数据流量不必要的增加。

软件结构分工 提升系统效率
    实现先前描述的网络模型的软件由几个层构成(图2),每个层完成不同的工作。软件最顶端的层由用户软件构成,在本案例中为执行道路照明协议。用于灯具管理的状态机在本级实现,其向/从灯具电源发送/接收指令。有三种类型的帧可被发送至电力线调制解调器。

 
图2 电力线调制解调器软件结构

    第一种是数据帧,包含要发送的用户数据(灯亮、灯灭、灯调光)和从灯具电源如灯具功率、灯具电压和环境温度读取的参数。
    第二种是程序帧,包含节点的程序参数,如节点唯一地址和存储于闪存中的用户数据等。
    最后一种是服务帧,包含和PLM堆栈参数一样的参数,包括定时和数据重发、节点时钟。服务帧还包含设定节点工作模式的参数,工作模式依赖网络模式实现,如有没有确认、广播行为、重发模式。

    所有这些帧都由应用引擎管理,其为将数据传送至节点的管理者。数据帧包含用户数据,由引擎从用户级传送至PLM堆栈级。用户信息在此被打包和添加所需信息,如FEC和循环冗余检测(CRC),然后被发送至PLM。该工作是双向的,如PLM捕获合适的数据报,则由堆栈管理。FEC被用来纠正错误数据(如果有),CRC也将被检查,如果有效数据被译码,将被发送到引擎进行处理和编址。PLM堆栈直接管理重发与必要的时序和确认。
 

    如果目标设备未确认一个数据帧,每个临近的、有重发功能的节点如检测到该传输的数据帧,都将转发它,直到确认超时,只要波段未被占用。这个由PLM堆栈引擎直接管理的重发机制将在每个节点执行一次直到数据帧被确认或每个节点都重发该数据帧。当主设备未收到确认帧时,重发机制也用于确认。

    因为每个软件层都向原始帧添加自己的信息,从应用引擎发出的100字节用户数据在电力线级将超过两倍于原先大小。这主要是因为每当它抵达一个目标节点都会有FEC冗余添加到每个字节。如果电力线不过分嘈杂,网络流量将因此减少,因为FEC算法可以调整损坏的信息。

    每个帧还含有目标地址、源地址和其他参数。这里可能包括一个标志字节以表明网络模式(该标志标明是否可忽略该帧的重发,或该确认是否是期望的)。一个帧ID用于避免多次重发同一个帧、CRC(CRC16)字节、调制解调器标头和后同步讯号字节。

    另一个与重发相关的机制为「跳跃」。跳跃级是用户定义的PLM参数之一,被用来在重发中指定某一层级。如果一个帧须重发但跳跃级较存储在PLM参数中的级低,该帧不会被转发。通常,层级的设定依赖距离和环境噪音情况。具有重发功能的节点越接近集中器,跳跃级越高,因此,无关的重发流量减少。

    网络分组是另一可被用户实现的功能。若是这样,任意6字节长的帧地址的头两个字节被视为组地址。每个含有不同于指定组组地址的帧都将被忽略。透过这一方式,多个网络共享同一电力线而毋须交互成为可能。

    当前的软件实现对任何设备(主设备、从设备或中继器)都是唯一的。PLM堆栈能根据数据上下文获悉主设备、从设备或中继器状态机何时须实施。

GUI便于管理路灯功能
    一个专门的图形用户界面(GUI)可用于测试或手动管理路灯功能。透过GUI,用户可设置所有的PLM参数,操作每个灯具,直接寻址目标节点或执行广播操作,如开/关/调光灯具,或取得所有灯具的参数(灯具状态、灯具功率和总线电压)。

GUI在PC上执行并透过RS232接口与各节点通讯。经过程序规画后,每个节点都被设置唯一的地址,并创建一个本地数据库存储于个人计算机中。GUI相应的列表框显示所有已安装的节点。在人机接口装置(HID)部分,使用者可对连接到列表框中所显示节点的每个灯具执行所有手动操作,或透过选择广播复选框简单地执行广播操作。
图4显示GUI一个专门的部分,允许使用者为指定节点设置一个开/关/调光操作的配置文件,为每个灯具关联一个时钟,每次到达存储的时钟时间,节点便为灯具执行相关联的操作,可在PLM的使用者数据存储器中存储并执行多达六个步骤。
图4 基于PLM通讯的远程控制器图形用户界面
 

智能型道路照明硬件板设计须知
在意法半导体的解决方案中,PLM连接装置(Dongle)节点硬件基于评估板STEVAL-IHP003V1,内有ST7540 FSK电力线收发器和一个基于安谋国际(ARM)内核的32位微控制器,可用于连接PLM收发器(图5)。
图5 PLM网络连接装置
 

    连接装置节点电路板装备有一个专为满足电力线耦合需求而设计的直流对交流开关模式电源,以便在宽范围输入电源电压下操作并供应微控制器。该微控制器凭借内核、大范围的增强输入/输出(I/O)和接口设备高效率、高性能地执行协议。
 
    为电力线通讯网络应用而设计的半双工同步/异步FSK调制解调器,使用一个单电源电压,整合一个线驱动和两个针对5伏特(V)及3.3伏特的线性调节阀。在电力线内的通讯速度被设为2,400bit/s,并可提高至4,800bit/s。表1概括该连接装置的主要功能。

    串行接口允许连接装置与个人计算机或其他电子板连接。在本智能型道路照明解决方案中,PLM连接装置已连接至HID镇流器以便远程控制灯柱。这些系统的变体已被用于构建实验网络以实地测试PLM协议,透过个人计算机控制更多灯具。

    至于驱动HID灯具的是STEVAL-ILH005V2(图6),包含双极架构:升压变换器(功率因子控制器)工作在转换模式;由全桥组成的逆变器可以在低频方波下驱动150W金属卤素灯和高压钠灯。表2概括该灯具镇流器的主要功能。
图6 HID灯具镇流器
 

    在智能型道路照明系统中,效率的概念包含诸如节能和节电、网络配置和管理的灵活性、远程网络维护及持续监控网络情况和状态等重要方面。该系统解决方案具有内在可扩展性,因此可立即扩大至任何区域范围。

硬件与软件搭配得宜
智能路灯照明系统设计没烦恼
    综合上述说明,每个网络节点的功能特性和专有的数据协议扩展应用,超出道路照明网络的管理。事实上,PLM节点就像一个能源分送网络的电子桥;在另一方面,如果配有RS232埠并可执行基本的允许用户进行数据交换的软件代码,即可连接任何电路板。

    透过该桥,各种用户信息可被传送和接收,智能灯柱可驱动和监视周边情况。智慧灯柱概念将很自然地做为一个基本元素在智能电网解决方案中找到自己的位置,构成智能城市发展的基础。
 

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