摘 要： 针对城市路灯线路的损坏以及被盗等问题，在分析比较现有路灯监控系统功能的基础上，结合当今社会对路灯控制管理的要求，提出了基于电力线载波通信的城市路灯线路检测方案，设计了以51单片机为核心的线路检测系统。该系统由控制端和接收端组成，当检测到线路故障时控制端可以把信息反馈给路灯管理中心，同时发送指令启动无线检测模块，以确认该线路的具体故障位置。该系统能够实时监测到路灯线路状况，改变人力检修排查的低效性，具有较好的应用前景。
关键词：路灯线路监控系统；电力线载波通信；51单片机
0 引言
路灯线路的损坏（如短路引起线路烧毁）或被盗将造成大面积的路灯无法供电。现有的许多路灯线路状况监控系统不能实时有效地检测路灯的照明情况，导致维护不及时，给市民生活造成不便。并且已有的系统存在线路状况误报的缺陷，必须以人工巡查为辅助，对线路进行检查与管理。该方法不仅效率低，而且耗费人力。本文提出了基于电力线载波通信的城市路灯线路检测系统设计方案。电力线载波（PLC）技术是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行传输的技术[1]，该技术近年来陆续在许多行业中得以广泛应用[2]。由于该技术进行信号传输时把电力线作为通信信道，所以实际应用时就不需另外铺设专门通信线路，节省了大量的布线费用[3]。电力线载波通信与其他通信方式相比，具有传输距离远、通信可靠性高、安全保密性好、投资少、经济效益高、建设与电网建设同步等优点，已经成为电力系统中应用较为广泛的通信方式之一[4]，未来有更大的应用前景。
针对现有路灯管理系统的缺点，基于电力线载波通信的成熟技术，本文设计了一套能有效检测路灯线路故障的系统。该系统采用无线与有线相结合的方式，利用相关的计算机与通信技术，实现路灯线路的远程控制与实时检测[5]。当系统检测到某段线路发生故障时，启动无线模块，通过检测路灯是否点亮，来确定具体的故障位置，然后将信息反馈给路灯管理中心，从而做出及时准确的处理。该系统的优点在于：能及时发现路灯电缆被盗、线路老化、线路短路而引起烧毁等异常情况；能在线路发生故障时及时反馈报警信息，便于及时解决问题，方便市民出行；克服了原有系统存在误报的缺陷；有效解决人工巡查效率低、工作量大等弊端，从而减少管理及维护成本。
1 系统整体结构设计方案
本文旨在利用电力线载波通信进行路灯线路检测，被检测电缆两端各安装一个控制模块与一个接收模块，多个控制模块集成在一个控制端当中，并安装在控制箱内，对多路电缆进行检测，如图1所示。
2系统工作原理
该系统以有线检测为主、无线检测为辅，有线检测系统负责路灯线路故障检测，无线检测系统主要负责故障位置的确定。图2为该系统工作原理框图。
2.1有线检测系统的组成与功能
该线路监控系统分为五部分：主控模块、接收模块、液晶显示单元、SIM900模块和载波模块。信息传送信道为220 V低压电力线，通信方式为工频通信方式[6]。该系统在路灯供电情况下，从路灯控制箱获得电源，进行工作。在通电情况下，可一直处于工作态，能对线路状况进行实时检测。该系统可检测各段线路的故障。
系统各模块功能描述如下：液晶显示单元用来显示控制端接收到的信息，能实时显示路灯线路的通断情况；主控器模块作为整个系统的核心，主要负责监测线路的通断情况，可进行故障检测、电缆防盗；接收模块由分布在多条线路上的单片机模块组成，负责查询信号的接收、处理以及反馈信息，各接收模块将线路的通断信息都返回到控制端进行统一处理，从而能同时检测多条线路状况；SIM900模块用于远程信息传输，把控制端收集到的各条线路的信息传送到路灯管理中心。控制器模块与接收模块都由单片机完成，功能通过C语言编程实现，这两个模块之间通信的信息加载在电力线上进行传输。
系统具体采用HL-PLC V3.0载波通信模块对信号进行调制，使得信号能在电力线中传输。该模块采用FSK通信方式，软件采用模糊算法，即使传输信号被干扰或丢失达40%，也能较准确地还原出原载波信号，抗干扰能力较强。载波中心频率为72 kHz，模块可在过零发送模式和正常发送模式间自由切换。正常模式下传输速度快，但抗干扰能力弱，适合负载轻、干扰少的线路环境；过零模式速度稍慢，抗干扰能力强，适合绝大多数线路环境。本文设计的系统采用过零模式，如图3为交流220 V环境下的组网结构，该结构下无需架设专门的通信电缆，安装方便，抗干扰能力强，通信距离远，比较适于复杂多变的电网环境[7]。
2.2 无线检测系统的组成与功能
无线模块开始工作的指令由控制端给出，未出现线路故障时，该模块一直处于休眠状态，当控制端检测到某段线路发生故障时，会给相应段线路的无线模块发送启动指令，使该线路的无线模块工作。无线模块收到指令后，通过配备的光感模块检测路灯的亮灭情况，从而确定出该段线路的具体故障位置。
3系统的软件设计
软件设计采用C语言编写单片机程序，实现端到端的线路的单线测试。即控制端的单片机发送检测信号到载波模块，通过载波模块的调制作用，将信息加载到220 V的电力线上，在接收端，信号通过载波模块的解调后将信息发送到接收模块。低压电力线上存在着噪声干扰，电压、电流不稳定等不确定因素[8]，因而会在线路正常的情况下，出现控制端无法收到反馈信息的情况，从而对线路状况误判。因此每次线路查询，需多次发送进行验证，以排除由于干扰而引起误判的可能性。经实际测试分析得到：每一轮查询，连续发送多次信号，即可排除线路干扰引起的错误判断；考虑到信号的发送与接收需要时间，因此每次发送的信号之间需要间隔一段延时。经实际测试得到：从控制端向接收端发送信号到接收端返回信号给控制端，这个过程所需要的时间为500 ms，因此延时时间设定为500 ms。
控制端每发起一次检测，就会连续发送n次信号，这个数值根据实际情况而定。若控制端在发送完n次信号后，收到反馈信息，说明线路处于正常状态；若控制端发送完n次信号之后，仍未能接收到反馈信息，说明线路发生故障。控制端一轮查询结束后，会向无线模块发送指令，给路灯管理中心发送线路状况的信息，若线路正常则不启动无线模块，只向路灯管理中心发送线路正常的消息；若线路发生故障，则控制端向无线模块发送指令，启动该模块来进行故障位置的具体定位，并告知路灯管理中心线路发生了故障。线路检测流程如图4所示。
4 系统测试
在宁波市的实际路灯环境中对该系统进行实地测试，在路灯控制箱安装好发送设备，在路灯端安装信号接收设备。测试过程主要分为两种情况：通电与断电。首先将控制箱与路灯端之间的线路断开，此时安装在控制箱的发送设备不断进行信号发送，由于线路处于断电状态，因此安装在路灯端的接收设备无法收到发送端发送的检测信号，即接收端不能反馈信息给发送端，因此接收端的液晶显示屏上显示断电信息。然后连接控制箱与路灯端之间的线路，此时路灯正常工作，发送设备不断发送检测信号，接收设备能接收到信号并进行反馈，此时在接收端的液晶显示屏上显示正常工作信息。两种情况下的测试结果与预期的理论结果相符合，说明系统可靠。
由于实验环境与实地测试环境有所差异，实际环境下干扰因素以及不确定因素增多，使得测试的准确率有所降低，因此需要在软件设计中对差错控制进行改进，将每次检测时发送的信号数增加，以排除干扰引起的误判。
5 结论和展望
试验表明，该系统的检测结果稳定可靠，说明其能对电力线通断情况进行实时、有效地远程监控，从而及时发现路灯线路故障，进行快速维修，提高城市管理效率。同时该系统采用电力线为信息传输的通道，可避免重复布线，具有造价低、传输线路牢固可靠、安装使用方便、误报率低、受季节干扰小、耐用性强、工作电压低、传输线路广等优点。以电力载波为主和无线通信为辅对路灯线路进行管理，提高了路灯管理水平和效率，实现了管理的智能化、网络化、科学化和集中化，提高了社会效益，具有广泛的应用前景。
随着计算机、通信等信息技术的发展，电力载波作为一项电源与通信相结合的技术被广泛应用于各种过程控制、家庭自动化等多个领域。尤其是在布线困难、电磁干扰强、环境恶劣的环境下更体现出其优越性。目前该技术已应用于智能抄表、电力线上网、电梯控制、工业过程控制等场合，下一步更有望应用于智能家居[9-10]、交通部门管理、无人车驾驶等通信领域。由于电力线是一个巨大的网络资源，是一个已经存在的网络，无需另外铺设通信线路，因此便于利用，成本低，信息传输的安全性好，是一种发展前景很好的通信方式。
参考文献
[1] 刘红，张冬来，孙光伟.电力线载波中传输线模型的建立及应用[J].电力系统及自动化学报，2002，14（3）：27-31，62.
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[3] 王宁，于传维，顾瑛.基于电力线载波的抄表系统设计[J].电子质量，2015（4）：25-28.
[4] 武康.基于电力线载波通信的LED路灯驱动电源及监控终端的设计与实现[D].广州：华南理工大学，2012.
[5] 娄秀丽.基于电力线载波技术的智能照明系统的设计[D].南京：东南大学，2013.
[6] 梁伟.应用于路灯控制系统的电力线通信技术研究[D].保定：华北电力大学，2012.
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[9] 李训文.基于电力线通信技术的智能家居控制系统研制[D].杭州：浙江大学，2013.
[10] 刘新宇.基于电力载波通信的LED隧道照明控制器设计[J].电子技术与软件工程，2014（18）：147.