电力线载波SoC实现路灯远程监控应用实例

    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。

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。

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