以PLM連接裝置為基礎　智慧路燈系統實作事半功倍

2012-11-26

A. Bruno/F. Di Franco/G. Rascona/C. Ruggieri

在全球能源中，智慧電網(Smart Grid)技術的出現，使從傳統電力使用到更高效可靠能源系統的轉變成為可能。利用進階能源監測和控制，透過整合高效的能源產生、分配和消耗，智慧電網概念可令智慧型道路照明系統部署於大規模照明系統，如城市街道照明。

本文將從智慧型道路照明系統概述開始，描述針對網路化路燈、基於電力線通訊的遠端控制協定，並透過一個創新的系統解決方案實施該協定，相應的硬體和軟體工具，將在本文的最後部分介紹。

智慧道路照明系統降低維護成本

城市是智慧型道路照明的主要消費者，可節省能源和維護。在智慧型道路照明系統中，路燈群可互相通訊及向本地集中器提供照明資料，集中器經常透過數位行動裝置數據機管理資料並向一個安全的伺服器傳輸相關資料，伺服器捕獲資料，然後將其呈現於一個網路瀏覽器介面。

此外，一個智慧型道路照明系統允許雙向通訊，這使得設備管理者可以遠端控制路燈，並記錄燈具和驅動電路的電力消耗。

與傳統自主式路燈相比，監控式路燈網路可減少維護成本，由於燈具狀態被監控，定期維護變得更為高效和經濟。出現故障也毋須巡迴檢測，問題燈具可被精確定位；如夜晚有明亮的月光照耀，智慧型道路照明還能透過遠端調暗或調亮燈光以確保減少能源耗用。這可根據天氣狀況或預設時間表實現，並能保證有效的資料獲取。

道路照明系統建置考量多

智慧型道路照明系統的基本元件是智慧燈柱，它整合幾個不同的部分，包括進階功率級(鎮流器或驅動器)用於以最高效率驅動燈具、通訊介面可裝配一個數位監控的、安全可靠的網路，以及添加各種智慧感測器(可選)以檢測天氣狀況、燈柱傾斜和空氣污染。

智慧型道路照明不僅僅是簡單地照亮道路，還必須根據道路類型確保亮度、照度、均勻度和眩光達到指定值，以保證司機和行人的最大視覺安全。這就是使用高性能光源，如高壓氣體放電(HID)燈和發光二極體(LED)燈的原因。

智慧燈柱以其鎮流器或驅動器開始。晶片商針對HID電子鎮流器的創新解決方案，可延長燈具的壽命、提高光通維持率和降低能耗。目前，業界推出的解決方案涵蓋用於驅動高功率燈具(150W和250W)的電子鎮流器，到針對中低功率應用(70W和35W)的先進解決方案。

為驅動LED路燈，廠商為工程人員提供廣泛的解決方案組合，滿足電力相關的獨立和非獨立應用，為不同級別的輸出功率(60?130W)驅動單個或多個LED燈串，專為戶外應用設計。

大多數這些針對HID和LED的燈具驅動解決方案均基於數位方法，這就是真正的智慧發揮作用的地方。一個8位元或32位元微控制器(MCU)控制全部用於驅動燈具的功能，與此同時，管理所有用於實現智慧型道路照明網路的資料。

通訊技術為智慧路燈關鍵

網路化道路照明系統可憑藉幾個成熟的通訊標準透過有線或無線通訊進行管理。對於有線選項，可實現一個基於電力線通訊的數位控制器和監視器。從電力線收發器到支援各種調製(B-FSK, S-FSK, B-PSK, Q-PSK, 8-PSK)的最新一代電力線網路系統單晶片(SoC)皆是有線網路方案。無線網路通訊選項，則可採用可建構安全可靠網路的ZigBee技術。須注意，在兩種情況下，通訊都是雙向的，被監控的系統可收/發資訊和指令從/至燈具(圖1)。

圖1　智慧型道路照明系統

調光級別和開/關指令依賴當日時間、路況或當時的自然光照條件。該資訊及燈具狀態、燈具和其驅動電路的能源消耗、燈柱傾斜等，可被集中器基站採集並發送至中央服務中心，資料在此被監控、指令在此發出。

當燈柱倒下或從其照明位置傾斜時會發生什麼呢？直到路人報告，不會有人知曉這一情況。即時監測燈柱傾斜或下降可透過使用微機電系統(MEMS)感測器實現。超低功耗、高性能、三軸線性nano加速度計是實現此一目的的選擇。同樣的能識別手勢的智慧感測技術可改善智慧型道路照明系統，透過即時、被監控的服務時間表加強道路安全並減少維護成本。

智慧型道路照明應用中，網路由幾個電力線數據機(稱為節點)組成。這些數據機分布於整個燈柱，每個數據機掌握照明器和其相應的電源。其中一個數據機節點被用做資料集中器，一般在配電櫃(分配電力到某一組燈柱)內，透過一根三相電力線執行。每個設備最多可以連接三個不同的電源相。就這樣，所有的節點和集中器共用同一根被用做資料通訊通道(物理方式)的電力線。在本應用中，集中器由遠端服務中心(RSC)透過整體封包無線電服務(GPRS)數據機進行遠端控制。

在此，所有燈具相關資訊，如功耗、狀態和錯誤，以及配電櫃自身，如環境溫度和斷路器狀態都被轉發和存儲在資料庫中。一個配有專門介面的網路伺服器允許RSC分析資料並執行很多遠端操作，如改變開/關/調光的遠端照明時間表，手動切換燈具的開/關/調光，或改變數據機的內部時鐘。

網路在邏輯上被設計為主-從結構，資料集中器被認為是一個主設備，每個節點為從設備。事實上，任何設備都可發起通訊，從而變為主設備，而目標節點(每個都有一個唯一的位址ID)則變為從設備。

無需任何特殊的程式設計功能，每個節點還可充當資料中繼器，以增加網路的可靠性和在複雜的網路條件下將資訊由主設備傳送至從設備的統計概率。

資料衝突管理不可或缺

多個主設備和中繼器並存的情況引出資料衝突管理的需要。因多個設備可在任何時候發起通訊，可能引發網路壅堵，並降低總體性能。有兩個主要的技術可解決此問題，其中之一，帶衝突檢測的載波檢測多路訪問(CSMA/CD)，在一個硬體設備能在資料傳輸過程中檢測任何衝突時使用。另一個是帶衝突避免的載波檢測多路訪問(CSMA/CA)，當硬體設備沒有此硬體功能時使用。

實現的衝突避免機制使用一個回退時間(Back-off Time)和電力線數據機(Power Line Modem, PLM)的工作波段(BU)硬體功能以避免傳輸衝突。在發起任何通訊之前，每個設備進行等待，直到透過檢查自身的BU標誌確認波段可用。一旦波段可用，將計算出一個隨機的退避時間。當回退時間結束，如果波段仍然可用，傳輸開始，否則將再次進入迴圈(等待工作波段和新回退時間的計算)。

連接同一電力線的所有節點之間資料交換還使用一個資料幀確認機制。透過這種方式，主設備可知道自己傳輸的資料包是否已經被正確傳送至目標節點，因為它會因每個發送至目標設備的資料幀收到一個確認幀。

重發功能提高將資料幀傳送至遠處節點或處於嘈雜網路環境中節點的概率。因為所有其他節點都連接在同一電力線上，它們不斷檢測網路，抓取所有傳送中的資料。

依靠設備位址和資料幀/確認流，每個節點都可發現檢測到的幀是否須要重發、釋放或處理。一項資料識別技術(幀ID)和資料幀中的前向糾錯(FEC)冗餘可以避免迴圈重發或資料丟失，那會引起資料流程量不必要的增加。

韌體結構分工　提升系統效率

實現先前描述的網路模型的韌體由幾個層構成(圖2)，每個層完成不同的工作。韌體最頂端的層由用戶韌體構成，在本案例中為執行道路照明協議。用於燈具管理的狀態機在本級實現，其向/從燈具電源發送/接收指令。有三種類型的幀可被發送至電力線數據機。

圖2　電力線數據機韌體結構

第一種是資料幀，包含要發送的使用者資料(燈亮、燈滅、燈調光)和從燈具電源如燈具功率、燈具電壓和環境溫度讀取的參數。

第二種是程式幀，包含節點的程式參數，如節點唯一位址和存儲於快閃記憶體中的使用者資料等。

最後一種是服務幀，包含和PLM堆疊參數一樣的參數，包括定時和資料重發、節點時鐘。服務幀還包含設定節點工作模式的參數，工作模式依賴網路模式實現，如有沒有確認、廣播行為、重發模式。

所有這些幀都由應用引擎管理，其為將資料傳送至節點的管理者。資料幀包含使用者資料，由引擎從使用者級傳送至PLM堆疊級。使用者資訊在此被打包和添加所需資訊，如FEC和迴圈冗餘檢測(CRC)，然後被發送至PLM。該工作是雙向的，如PLM捕獲合適的資料包，則由堆疊管理。FEC被用來糾正錯誤資料(如果有)，CRC也將被檢查，如果有效資料被解碼，將被發送到引擎進行處理和編址。PLM堆疊直接管理重發與必要的時序和確認。

圖3　含重發的資料通訊流實例

如果目標設備未確認一個資料幀，每個臨近的、有重發功能的節點如檢測到該傳輸的資料幀，都將轉發它，直到確認超時，只要波段未被占用。這個由PLM堆疊引擎直接管理的重發機制將在每個節點執行一次直到資料幀被確認或每個節點都重發該資料幀。當主設備未收到確認幀時，重發機制也用於確認幀(圖3)。

因為每個韌體層都向原始幀添加自己的資訊，從應用引擎發出的100位元組使用者資料在電力線級將超過兩倍於原先大小。這主要是因為每當它抵達一個目標節點都會有FEC冗餘添加到每個位元組。如果電力線不過分嘈雜，網路流量將因此減少，因為FEC演算法可以調整損壞的資訊。

每個幀還含有目標位址、源位址和其他參數。這裡可能包括一個標誌位元組以表明網路模式(該標誌標明是否可忽略該幀的重發，或該確認是否是期望的)。一個幀ID用於避免多次重發同一個幀、CRC(CRC16)位元組、數據機標頭和後同步訊號位元組。

另一個與重發相關的機制為「跳躍」。跳躍級是用戶定義的PLM參數之一，被用來在重發中指定某一層級。如果一個幀須重發但跳躍級較存儲在PLM參數中的級低，該幀不會被轉發。通常，層級的設定依賴距離和環境噪音情況。具有重發功能的節點越接近集中器，跳躍級越高，因此，無關的重發流量減少。

網路分組是另一可被用戶實現的功能。若是這樣，任意6位元組長的幀位址的頭兩個位元組被視為組位址。每個含有不同於指定組組位址的幀都將被忽略。透過這一方式，多個網路共用同一電力線而毋須交互成為可能。

當前的韌體實現對任何設備(主設備、從設備或中繼器)都是唯一的。PLM堆疊能根據資料上下文獲悉主設備、從設備或中繼器狀態機何時須實施。

GUI便於管理路燈功能

一個專門的圖形化使用者介面(GUI)可用於測試或手動管理路燈功能。透過GUI，用戶可設置所有的PLM參數，操作每個燈具，直接定址目標節點或執行廣播操作，如開/關/調光燈具，或取得所有燈具的參數(燈具狀態、燈具功率和匯流排電壓)。

GUI在PC上執行並透過RS232介面與各節點通訊。經過程式規畫後，每個節點都被設置唯一的位址，並創建一個本地資料庫存儲於個人電腦中。GUI相應的清單方塊顯示所有已安裝的節點。在人機介面裝置(HID)部分，使用者可對連接到清單方塊中所顯示節點的每個燈具執行所有手動操作，或透過選擇廣播核取方塊簡單地執行廣播操作。

圖4顯示GUI一個專門的部分，允許使用者為指定節點設置一個開/關/調光操作的設定檔，為每個燈具關聯一個時鐘，每次到達存儲的時鐘時間，節點便為燈具執行相關聯的操作，可在PLM的使用者資料記憶體中存儲並執行多達六個步驟。