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用于網(wǎng)絡(luò)室外照明應(yīng)用的電力線通信解決方案

電子設(shè)計(jì) ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2019-03-29 08:37 ? 次閱讀
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固態(tài)街道照明的安裝正在全球范圍內(nèi)加速。這些燈具在全市范圍內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的好處已經(jīng)得到了很好的認(rèn)可,并且期望連接的戶外照明將為進(jìn)一步基于網(wǎng)絡(luò)的智能城市應(yīng)用提供基礎(chǔ)設(shè)施,通常作為物聯(lián)網(wǎng)IoT)運(yùn)動(dòng)的一部分。

本文將電力線通信PLC)作為網(wǎng)絡(luò)室外照明應(yīng)用中的骨干連接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)考慮在內(nèi)。雖然它可以(并且經(jīng)常)與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,但是當(dāng)路燈等節(jié)點(diǎn)已經(jīng)通過其自己的主電源網(wǎng)絡(luò)連接時(shí),PLC具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

參考最近推出的STMicroelectronics STEVAL-IHP007V1評(píng)估套件基于ST7580單芯片電力線通信和網(wǎng)絡(luò)解決方案,以及Echelon SmartServer2.0PL網(wǎng)絡(luò),控制和管理設(shè)備。

控制和連接

重要節(jié)能和降低維護(hù)成本是全球聯(lián)網(wǎng)戶外照明設(shè)施發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。?jù)報(bào)道,公共照明可以消耗多達(dá)40%的市政能源預(yù)算。成本節(jié)約可能很大,估計(jì)從30%到70%不等。這些節(jié)省主要通過安裝長(zhǎng)壽命,可調(diào)光LED技術(shù)實(shí)現(xiàn)的能源效率來實(shí)現(xiàn),重要的是,能夠監(jiān)控和控制照明網(wǎng)絡(luò)。

< p>圖1:連通性是智能街道照明的關(guān)鍵,使控制和監(jiān)控能夠提供能源效率,更簡(jiǎn)單的維護(hù)和安全功能的實(shí)施。資料來源:飛利浦(CityTouch)

在智能城市,連接的固態(tài)街道照明可為公用事業(yè),城市和公眾帶來額外的好處。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和一些傳感器的增加,路燈成為越來越多的智能城市應(yīng)用的核心,從交通監(jiān)控和停車管理,環(huán)境和天氣報(bào)告,到公共安全和安全設(shè)施,甚至互聯(lián)網(wǎng)熱點(diǎn)。

全市范圍內(nèi)的能源效率可以為減少二氧化碳排放做出有價(jià)值的貢獻(xiàn)。公共安全改善在大多數(shù)城市議程中都很高,無論是為夜間駕駛提供更合適的色溫,在事故現(xiàn)場(chǎng)增加照明的能力,監(jiān)控污染,甚至是對(duì)槍聲的位置進(jìn)行三角測(cè)量。同時(shí),使用照明網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施為公民,商業(yè)和消費(fèi)者客戶提供更廣泛的寬帶通信正變得越來越可行。因此,由于LED技術(shù),不起眼的燈柱正在成為重要的數(shù)據(jù)中心。

無論何種應(yīng)用,關(guān)鍵要求都是雙向通信,可控性和連接性。市場(chǎng)研究公司Strategies Unlimited在其最近發(fā)布的“連通室外照明報(bào)告:2015年照明分析和預(yù)測(cè)”中表示,預(yù)計(jì)到2022年,全球收入平均每年增長(zhǎng)40%(復(fù)合年增長(zhǎng)率52%)。

在連接方面,已采用了一系列技術(shù),包括以太網(wǎng)骨干網(wǎng)和低功率無線網(wǎng)狀網(wǎng)本地網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,如IP6LoWPAN和ZigBee。最近,Wi-Fi正在成為競(jìng)爭(zhēng)者。然而,在我們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的無線世界中,還有另一個(gè)經(jīng)常被忽視的解決方案:電力線通信(PLC)。

市場(chǎng)報(bào)告強(qiáng)調(diào)連接技術(shù),指出雖然無線通信被廣泛使用,但有線通信技術(shù)將繼續(xù)成為一系列戶外應(yīng)用的更合適的選擇,特別是在隧道和遠(yuǎn)程道路中。然而,一個(gè)突出的問題,無論是有線還是無線,都需要各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的互操作性和兼容性,這將促進(jìn)更具競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)并促進(jìn)更快速的增長(zhǎng)。

PLC的好處

PLC是一個(gè)不容忽視的城市轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED路燈的解決方案。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,它已經(jīng)成為智能電網(wǎng)和智能電表應(yīng)用的熱門途徑。 PLC已經(jīng)被用于連接街道照明網(wǎng)絡(luò),但尚未使用固態(tài)燈具進(jìn)行更新。重點(diǎn)是;該技術(shù)已經(jīng)過許多供應(yīng)商的驗(yàn)證和證明。

利用現(xiàn)有的電力線基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行通信可以節(jié)省安裝時(shí)間和成本。它可以與RF無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用,以充分利用這兩種方法的優(yōu)勢(shì)。 PLC在無線系統(tǒng)上的優(yōu)勢(shì)包括:免受天氣影響,固有的安全性,因?yàn)樗腔陔娎|的,不受其他網(wǎng)絡(luò)的干擾。此外,信號(hào)傳輸不能被樹木或建筑物等障礙物阻擋;事實(shí)上,通過PLC,通過隧道將通信保持在地下。

本質(zhì)上,PLC在同時(shí)用于電力傳輸?shù)膶?dǎo)體上傳輸數(shù)據(jù)。它通過向布線系統(tǒng)添加調(diào)制載波信號(hào)來工作。無需額外的數(shù)據(jù)布線。 PLC模塊可以很容易地安裝在燈柱上,也可以安裝在燈柱底部而不是燈具本身。

顯然,電源線可能是嘈雜的環(huán)境,設(shè)計(jì)人員需要注意防范干擾。這些可能來自多種來源,包括:巨大的負(fù)載阻抗變化,選擇性PLC載波頻率的衰減,以及網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備的噪聲干擾,如開關(guān)模式電源和逆變器。但是,PLC通常獨(dú)占使用50至50 kHz的整個(gè)PLC頻譜。用于解決可能的干擾的技術(shù)包括使用OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù),其使用多個(gè)載波頻率和單載波跳頻。解決負(fù)載阻抗,線路衰減和噪聲干擾的另一種方法是改變發(fā)送輸出功率和節(jié)點(diǎn)之間的載波頻率。

在典型安裝中,本地集中器/網(wǎng)關(guān)收發(fā)器提供雙向通信在多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間,通常使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?,距離為2到5 km,具體取決于設(shè)備規(guī)格。數(shù)據(jù)通常使用3G/GSM/手機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)桨踩姆?wù)器和管理系統(tǒng)或控制中心(圖2)。最近推出的智能城市基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)現(xiàn)在將PLC與IPv6/6loWPAN網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,無縫結(jié)合了有線和無線技術(shù)。

用于網(wǎng)絡(luò)室外照明應(yīng)用的電力線通信解決方案

圖2:基于電力線通信的典型自動(dòng)路燈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。來源:Maxim Integrated。

雙向通信非常重要,因此傳感器數(shù)據(jù)和燈狀態(tài)可以傳輸?shù)娇刂浦行牟⒋蜷_/關(guān)閉,并且可以將調(diào)光命令發(fā)送到每個(gè)燈驅(qū)動(dòng)器。雖然PLC主要用于網(wǎng)關(guān)和燈具之間的數(shù)據(jù)傳輸,但必要時(shí)可在燈具內(nèi)部和燈具之間使用輔助RF網(wǎng)絡(luò)(ZigBee很受歡迎)。

照明領(lǐng)域的主要參與者,包括Everlight,歐司朗和飛利浦照明公司正在與思科,埃施朗和Paradox工程等跨國系統(tǒng)公司合作,為基于PLC的城市LED街道照明方案建造和安裝燈具,驅(qū)動(dòng)器和控制中心。在半導(dǎo)體陣營中,包括意法半導(dǎo)體和Maxim Integrated在內(nèi)的公司已開發(fā)出關(guān)鍵元件,例如基于微控制器內(nèi)核的收發(fā)器,尤其適用于PLC和街道照明應(yīng)用。

集成SoC縮短設(shè)計(jì)時(shí)間

<例如,意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)的ST7580是一款高度集成且靈活的電力線網(wǎng)絡(luò)片上系統(tǒng)(SoC)。通過將高性能PHY處理器內(nèi)核,協(xié)議控制器和完全集成的模擬前端和功率放大器相結(jié)合,用于線路驅(qū)動(dòng),該器件實(shí)際上是一種單芯片窄帶電力線通信解決方案。作為一個(gè)完全集成的SoC,它可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間以及空間和元件成本。

最近,ST推出了STEVAL-IHP007V1評(píng)估板,描述為具有管理功能的電力線通信模塊街道照明網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用?;赟T7580,它還集成了STM32F ARM ? Cortex ? -M3微控制器。該模塊適用于EN50065,F(xiàn)CC第15部分和ARIB兼容應(yīng)用,支持B-FSK,B-PSK,Q-PSK和8-PSK調(diào)制,具有雙通道操作模式,卷積ECC和信噪比估計(jì)功能。它還包含一個(gè)128位AES加密塊,用于安全通信。隨著***越來越多地利用通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自身的顛覆性通信或破壞,安全性正成為一個(gè)主要問題。

ST的集成功率放大器可提供高達(dá)1 ARMS的輸出電流,線路耦合網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化為低成本的BOM。 UART主機(jī)接口可用于與外部主機(jī)通信,從而可以遠(yuǎn)程配置和控制設(shè)備及其協(xié)議棧。標(biāo)準(zhǔn)串行通信端口允許設(shè)計(jì)人員將模塊與ST和其他供應(yīng)商的照明驅(qū)動(dòng)板和鎮(zhèn)流器控制器集成。因此,ST的智能街道照明系統(tǒng)具有內(nèi)在的可擴(kuò)展性和標(biāo)準(zhǔn)接口,可提供靈活的網(wǎng)絡(luò)配置和管理。

開放標(biāo)準(zhǔn)

在系統(tǒng)解決方案層次結(jié)構(gòu)中向上移動(dòng)一步是Echelon的SmartServer 2.0PL PROF SR2網(wǎng)絡(luò)控制和管理設(shè)備。該服務(wù)器既可以本地使用,也可以遠(yuǎn)程控制,可以單獨(dú)使用,也可以與第三方控制系統(tǒng)集成使用。它具有適用于各種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)程序,并帶有用于設(shè)置,監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理功能的內(nèi)置網(wǎng)頁。

用于網(wǎng)絡(luò)室外照明應(yīng)用的電力線通信解決方案

< p>圖3:Echelon的SmartServer連接照明方法,結(jié)合電力線和RF通信技術(shù)。

SmartServer 2.0PL PROF SR2是內(nèi)置路燈段控制的PLC版本,加上對(duì)網(wǎng)格的支持使用電力線和RF段重復(fù)路燈控制器。連接通過內(nèi)部10/100BaseT以太網(wǎng)或外部GSM/GPRS或3G調(diào)制解調(diào)器。 Echelon基于PLC與RF結(jié)合的戶外照明開放標(biāo)準(zhǔn)方法已在全球城市部署。

結(jié)論

電力線通信為創(chuàng)建連接路燈提供了明顯的起點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。憑借性能和安全優(yōu)勢(shì)以及(通常)比RF網(wǎng)絡(luò)更容易安裝,作為系統(tǒng)主干安裝的基于PLC的網(wǎng)絡(luò)可以與無線技術(shù)結(jié)合使用,以利用這兩種方法。本文展示了高度集成和基于開放標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的組合如何為智能城市中的連接街道照明提供高效,可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

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