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智慧路灯系统中无线技术和电力线载波技术的比较

核心提示：在智能路灯解决方案中，有两种都不需要专门的通信线，相比其它需要专门通信线方案比较有 技术优势的方案即电力线载波方案和无线方案，文章从两种方案实施的成本、技术特点、稳定性、抗干扰能力等方面，进行简单比较，分析了两种解决方案的优、缺 点，并给出相应的参考意见。
关键词 智能单灯控制路灯系统 电力线载波技术 路灯区域控制器 GB/Z　20177协议 无线路灯系统
1 前言
智能路灯中的单个路灯控制功能的解决方案，是目前路灯应用系统中最佳解决方案。只有进行单个路灯的控制，才能实现整个路灯系统的最佳节能和最低维护成本的目标。
单个路灯控制解决方案有很多种实现方法，根据是否需要额外的通信布线，可以划分为需要布线和不需要布线两种，其中不需要专门通信布线的方案比需要专门通信布线的方案在系统设计、实施、安装、维护等方面有较大优势，因此在此不对需要通信布线的方案进行讨论。
本文重点探讨不需要专门的通信线的两种解决方案：基于电力载波的方案和基于无线通信的方案。
2 两种方案的简单介绍
（1）基于电力线载波技术的智能单灯路灯解决方案
电力线载波技术利用现有的路灯中的传输电力的线路作为通信介质来传输数字信号，即路灯之间仅仅使用现有的电力线基础架构，就可以实现数据通信，不需要任何的重新布线和修改，对输电线没有任何特殊的要求。
2）基于无线技术的智能单灯路灯解决方案
单个路灯之间利用电磁波信号进行数字信号通信，每一个路灯杆需要安装一个专用无线通信天线，电磁波信号可以在自由空间中传播，不需要物理连接线。
根据上述描述，两种方案的基本传输性能的比较如表1.
3 两种实施方案的详细分析
两种解决方案如图1所示，都可以按照三级结构来划分：
（1）在灯具镇流器中嵌入通信控制模块，使得灯具镇流器成为智能的、有数字通信能力的镇流器，
（2）在一个路灯控制箱控制的范围内，使用前面选定的通信模式进行通信，路灯控制箱中安装一个相应通信模式—ＧＰＲＳ的网关，或者采用标准的、专门为路灯应用研制的区域控制器，连接到各种形式的广域网。
（3）在路灯控制中心，通过ＧＰＲＳ网络连接到每一个ＧＰＲＳ网关或者使用多种广域网连接方式与每一个路灯区域控制器通信，中心控制服务器运行客户开发的应用软件，或运行第三方公司专门的路灯控制软件。目前，上海顺舟电子科技有限公司是可以提供基于zigbee无线单灯控制系统，提供包括：单灯控制器、集中管理器、软件系统的一揽子方案。
无线的解决方案，有基于国际标准的ＺｉｇＢｅｅ方案，也有使用单个公司、厂商定义的无线通信系统的方式，其中单厂商系统使用的无线规范没有形成标准，仅在特定的厂商产品中才出现。
对于电力线载波技术来说，国内和国外有很多家的公司，提供电力载波的芯片，本文作为样例分析的是一套路灯完整解决方案：使用美国埃施朗公司电力载波技术、法国ＳＬＶ公司路灯系统管理软件和国内厂商生产的基于电力载波技术的智能镇流器而组成。
1）无线路灯解决方案
①智能镇流器
首先看一下无线ＺｉｇＢｅｅ方案。一个基于ＺｉｇＢｅｅ的智能路灯系统中的智能镇流器构成如下：在一个路灯段内每一个路灯杆上的路灯镇流器中都内置一个ＺｉｇＢｅｅ的无线通信模块，路灯之间通过ＺｉｇＢｅｅ实现无线通信，构成一个无线通信子网。
将ＺｉｇＢｅｅ通信功能加入到路灯镇流器中，有两种方法：一是使用ＺｉｇＢｅｅ芯片完全自主设计，另外一种是使用第三方公司提供的ＺｉｇＢｅｅ通信 模块，两种方法的区别在于，客户开发的成本投入和产品的成本不同，客户自主研发的ＺｉｇＢｅｅ镇流器相比使用现成ＺｉｇＢｅｅ模块的镇流器具有成本低的优 点，但是客户开发的投入成本较高。支持ＺｉｇＢｅｅ通信功能的路灯镇流器如图2所示。
无线路灯方案中另一种是采用某个厂商特定的无线通信技术，这种方案的特点是使用公共的无线通信频率，由厂商自己定义无线通信规范，厂商提供无线通信 模块给镇流器厂商，镇流器厂商将无线通信模块嵌入到镇流器中，路灯之间使用该无线技术交换数据。图3为一个厂商提供的一种无线通信模块。
可以：内置的应用程序，包括时序调度、报警处理、数据记录、脉冲表计数和网络集成，它们可以有效简化控制系统的集成。例如数据记录功能能够收集路灯、 电表或者传感器（光照、雨量、天气、交通流量、雾等）的数据来优化路灯的运营时间。即使区域控制器与管理中心的网络连接断开，这些内置的功能模块，仍然能 够对所管理的路灯实施有效的调度控制，所有路灯的运行数据也可以被采集并存储在区域控制器的Ｆｌａｓｈ存储器中，一旦网络连接恢复，记录的所有数据均可以 发送到路灯控制中心。区域控制器管理路灯的另一个重要的功能是根据设置的经纬度的信息以及内部的实时时钟，自动计算当天的日出、日落的时间，这样可以依据 这两个时间来控制路灯的打开和关闭的时间。
区域控制器上的硬件Ｉ/Ｏ，可以很容易的将传统的、非智能的装置转变成智能的、网络化的设备。例如一个数字输入接口可以连接报警门禁，用来监测 路灯控制箱是否被非法开启；另外一个数字输入接口还可以连接水浸探头，来监测控制箱是否进水，还可以连接天气探测器、雾传感器等。
②连接到广域网
在无线路灯解决方案中，一个路灯区段的路灯使用无线进行通信，在路灯区域控制箱中，需要安装一个无线到ＧＰＲＳ的网关，图4为前面提到的厂商提供的 无线到ＧＰＲＳ的通信模块，使用该模块，路灯厂商可以开发该无线通信技术到ＧＰＲＳ的网关。对于ＺｉｇＢｅｅ的无线方案来说，市场上可以买到ＺｉｇＢｅｅ 到ＧＰＲＳ的网关产品（如图5所示）。
③监控中软件
基于路灯单灯无线技术的方案中，路灯监控中心的软件可以使用顺舟电子科技开发的路灯管理软件，顺舟公司也可以配合客户开发自己的系统。
2）电力载波通信的路灯方案
①智能镇流器
使用电力线载波技术的路灯控制系统中，路灯智能镇流器中嵌入的是一个支持电力线载波智能收发器芯片（如图6所示）构成一个电力载波智能路灯镇流器。
②连接到广域网
在一个路灯控制区域内，路灯控制箱中安装一个路灯区域控制器（如图7所示）。该区域控制器专针对路灯应用。区域控制器使用电力线载波技术与每一个路 灯镇流器进行双向数字通信：使用现有供电线路，不需要额外的通行中继设备。对于电力线上的其他噪声设备可以使用专用的通信滤波器进行隔离，保证实现良好的 通信环境。

（1）法国ＳＬＶ的路灯管理软件
法国ＳＬＶ（Ｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔ　Ｖｉｓｉｏｎ）公司是一家专门提供路灯监控系统软件的公司，其监控软件由三部分组成，分别是Ｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔ　Ｖｉｓｉｏｎ设计软件，数据采集软件和网页发布软件。
1）Ｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔ　Ｖｉｓｉｏｎ设计软件，实现全部的配置功能，包括：配置区域控制器，配置和启动该区域控制器所连接的每一个电力载波智能镇流器，为不同分组的智能镇流器定义、配置时序调度，在设备安装后实时对区域控制器和智能镇流器进行测试。
2）Ｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔ　Ｖｉｓｉｏｎ数据采集软件（Ｍ２Ｍ　Ｄａｔａ　Ｃｏｌｌｅｃｔ），对于中心的Ｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔ　Ｖｉｓｉｏｎ软件所管理的成千上万的区域控制器发来的数据进行过滤汇集并记录到ＳＱＬ数据库中。
3）Ｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔ　Ｖｉｓｉｏｎ网页发布软件（Ｗｅｂ　Ｐｏｒｔａｌ），基于采集到的数据，为最终用户提供有意义的、专门针对路灯应用的 网页界面，实现用户对所管理路灯系统的监测和控制。根据设定的时序实现对路灯的开、关和亮度调节控制，可以在任何时间、任何地点实现监控。网页可以提供的 内容包括单个路灯故障显示，报警信息显示，在地图上显示所有的路灯历史数据，进行实时监控，分析能量消耗数据和所实现的节能数据，察看灯具使用寿命以及更 多的其他功能。此外，还能够和用户地理信息系统（ＧＩＳ）、能量计费系统、维护服务系统、用电需求响应系统等实现数据共享。
另外，Ｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔ　Ｖｉｓｉｏｎ软件提供基于Ｗｅｂ　Ｓｅｒｖｉｃｅｓ插件和应用程序接口（ＡＰＩ），这为用户将Ｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔ　Ｖｉｓｉｏｎ软件与已有的地理信息系统（ＧＩＳ）或维护服务系统软件的集成提供了便利的手段。
ＳＬＶ路灯管理软件应该支持支持多个用户端，可以设置不同用户端的访问权限，能够访问的区域，允许实现的功能等，实现在任何位置只要有网络接入就可以访问路灯控制系统。
图8为ＳＬＶ路灯管理界面，目前ＳＬＶ界面支持包括中文、英文、法文、德文等多种语言。
（2）客户开发的路灯管理软件
客户使用支持ＳＯＡＰ协议的软件开发平台，开发路灯监控软件。
4 两种方案的性能比较
下文从以下几个方面，对基于电力载波技术和无线技术的两种路灯解决方案进行一个简单的比较如表2所示。
从上面的对比项目可以看到，使用zigbee单灯控制的路灯方案具有如下优势：
（1）单个智能路灯镇流器的成本低
（2）路灯之间的通信稳定
（3）区域控制器支持多种广域网连接
（4）监控中心软件有现成的、经过大量应用案例验证的方案，也支持客户自主研发
（5）不占用无线频率资源
（6）有大量的成功的国内、国外的应用案例
接下来再分析一下路灯之间无线通信的问题。
但是电力线载波通讯因为有以下缺点，导致PLC主要应用－－“电力上网”未能大

电力载波芯片
规模应用：
　　1、配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送；
　　2、三相电力线间有很大信号损失（10 dB -30dB）。通讯距离很近时，不同相间可能会收到信号。一般电力载波信号只能在单相电力线上传输；
　　3、不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同，藕合方式有线-地藕合和线-中线藕合。线-地藕合方式与线-中线藕合方式相比，电力载波信号少损失十几dB，但线-地藕合方式不是所有地区电力系统都适用；
　　4、电力线存在本身固有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50HZ和60HZ，其周期为20ms 和16.7ms，在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的100HZ或120HZ脉冲干扰，干扰时间约2ms， 因此干扰必须加以处理。有一种利用波形过0点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过0点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又比较长，所以难以应用；
5、电力线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达1欧姆以下，造成对载波信号的高削减。实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。
总结一句话：信号质量差，单宽窄，线路停运时检修时（有地线时）就不能传送数据等不可克服的缺点。
上述同样的问题，在基于zigbee无线技术的路灯解决方案中根本不存在。
5 结束语
从上面的各种分析可以看到，基于zigbee技术的路灯系统相比使用载波技术的路灯系统有如下优势：
ZIGBEE系统工作性能稳定、抗干扰能力强、不受周围环境的影响，不干扰其它系统的运行，系统成本低，基于开放的标准，有大量的、遍布国内、外的成功案例，是实现路灯系统节能、降低维护费用、满足人们照明需求的解决方案。

ZIGBEE-无线路灯控制系统与路灯监控中心建立全方位的实时检测和监视，区域内的路灯无线终端管理到每一盏灯，对电压、电流、功率因数、亮度、亮灯率、温度、防盗机构等进行监控，采集和统计分时段电量、总电量。同时能够及时将每个线路断线、遇盗、撞击、灯杆倾斜意外故障定位报警，信号传送到监控中心和就地产生声光报警，有效的阻止各类盗窃路灯线路、器材的犯罪行为，减少公共财产的损失。
系统特点：
1：采用ZIGBEE无线数传网络控制技术
2：安装方便，无需布线，自动维护
3：实现对路灯单灯控制，具有定时，分控，故障报警，防盗等功能。
4：能够实现一隔一，一隔二等多种控制方式，并可以随时进行变化功率操做。
5：可以系统自动检测生成故障报表，实现订单式维修。
6：操做方便，知能控制，实现数字化管理。
zgibee 组网演示图

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