第３ｚ卷第１期２０１４年３月广西师范大学学报：自然科学版ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｕａｎｇｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎＶ０１．３２Ｎｏ．１Ｍａｒ．２０１４基于ＧＳＭ和电力载波通信的ＬＥＤ路灯监控系统雷霖１’２，袁舟２，赵永鑫１（１．成都大学电子信息工程学院，四川成都６１０１０６；２．电子科技大学自动化工程学院，四川成都６１１７３１）摘要：为了解决日常生活中路灯能量利用率低、难以智能控制等问题，本文设计一种基于ＧＳＭ和电力载波通信技术的路灯监控系统，通过引入蚁群算法寻找集中控制器到目的终端之间的一条最优传输路径，实现了对路灯的实时和智能监控。文中介绍了该监控系统的总体结构和软硬件设计，重点是路灯控制终端的设计和蚁群算法寻优的实现，最后分析了系统的应用情况。该系统出路灯控制终端、路灯集中控制器和监控中心组成，其中路灯控制终端采用ＳＴＣｌ２Ｃ２０５２ＡＤ作为微处理器，控制载波通信模块ＫＱｌ３０Ｆ＋实现路灯节点之间的通信，并根据各传感器检测的环境参数智能控制路灯。路灯控制终端通过电力线将数据发送给路灯集中控制器，接着数据通过ＧＳＭ网络传输到控制中心。仿真测试表明，蚁群算法能根据通信链路的连接情况和不同服务的要求找到电力载波通信网络的最优路径，具有成本低、易操作和节能的特点，满足了路灯控制的需求。关键词：电力载波通信；蚁群算法；路灯监控系统；节能中图分类号：ＴＮ９１３．６文献标识码：Ａ文章编号：１００１—６６００（２０１４）０卜００３９一０５０引言随着城镇化的推迸，路灯在人们生活中的作用越来越突出，也体现了一个城市的发展水平Ⅲ。一个城市的路灯系统耗电量是相当巨大的，在节能环保成为时代主题的今天，提高路灯系统的能量利用率是迫切需要的［２］。目前ＬＥＤ路灯智能监控系统较多的是结合ＺｉｇＢｅｅ技术，多采用集中式控制方式或集散式控制方式，虽然在一定程度上达到系统要求，但存在成本高、协议复杂和通信效率低下等缺点。为了解决这些问题，本文引入电力载波通信技术，并将蚁群算法应用到窄带电力载波通信网络之中，为动态寻找最优路由、延长通信距离和提高通信可靠性，提供了一种有效的方法口］。１系统结构设计基于ＧＳＭ和电力载波通信技术的路灯监控系统结构如图１所示。监控系统由电力载波通信网络和远程监控中心两部分构成。电力载波通信网络由多个路灯控制终端组成，实时采集光照强度、声音大小和红外参数，所有数据最终经过载波通信网络传输到路灯集中控制器，由路灯集中控制器将数据通过ＧｓＭ网络无线传输方式转发到远程监控中心，监控中心负责数据的接收、存储和分析等。２路灯控制终端硬件设计路灯集中控制器主要功能是实现命令的发送和数据的接收，其主要由电力载波通信模块、处理器模块和ＧＳＭ模块构成Ⅲ。路灯控制终端除完成数据转发外，还要控制传感器对环境信息进行实时的采集，因收稿日期：２０１３一０６—１９基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１２０５０２２）；四川省科技支撑计划项目资助课题（２０１１ＧＺ０１９０）通信联系人：雷霖（１９６４一），男，四川绵阳人，成都大学教授，博士。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｃｉｅｎｃｅｌ６８＠１６３．ｃｏｍ万方数据４０广西师范大学学报：自然科学版第３２卷电力线臣控Ｌ１１心图１Ｆｉｇ．１Ｉ。ＥＤＩ。ＥＤ路灯监控系统结构ｌｌｇｈｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｒｅｅｔＶＣＣ电源模块卜———叫时钟芯片Ｐ１．２ＶＣＣＰ１．３Ｐ１．４ＳＴＣｌ２Ｃ２０５２ＡＤ一一一一一Ｆｉｇ．２仆ＩＴｌＩ卜ｒｒ０Ｐ３．０Ｐ３．１电力载波通信模块图２路灯控制终端节点结构Ｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔｃｏｎｔｒｏｌｔｅｒｍｉｎａｌｎｏｄｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ此节点还包含多种传感器模块，路灯控制终端节点结构如图２所示。微处理器模块以宏晶科技的ＳＴＣｌ２Ｃ２０５２ＡＤ微处理器为核心，具有高速、低功耗和超强抗干扰的特性。ＳＴＣｌ２Ｃ２０５２ＡＤ有４个１６位定时器、８路８位精度ＡＤＣ、支持ＳＰＩ同步通信和１５个通用的Ｉ／０接口，通过这些接口与控制电路、传感器和电力载波通信模块连接。电力载波通信模块采用四川科强电子技术有限责任公司的ＫＱｌ３０Ｆ＋，包括载波驱动、耦合、滤波、防雷击等很多复杂的外围电路。该模块的工作频率为１２０～１３５ｋＨｚ，接口波特率为９６００ｂｉｔ／ｓ，具有抗干扰，抗衰减性强的特点，传输距离可达２ｋｍ。满足了路灯控制的需求。处理器通过Ｒｘ和Ｔｘ引脚与电力载波模块交换数据和发送命令。传感器模块，红外传感器模块由一款高性能静态电流极小的红外热释电处理芯片ＢＩＳＳ０００１，配以热释电红外传感器ＲＥ２００Ｂ和其他外围元器件构成。它适应电压范围更宽，电压范围为一ｏ．５～６Ｖ，工作温度在一１０～７０℃。ＲＥ２００Ｂ是一种新型敏感元件，它是由高热电系数材料，配以滤光镜片和阻抗匹配用场效应管组成。它能以非接触方式检测出来自人或车发出的红外辐射，将其转化成电信号输出，并且可以有效抑制其他的干扰辐射［５］。它的工作波长是７～１４”ｍ，平视角１３８。，仰视角１２５。，工作电流是８．５～２４ｎＡ。声音传感器模块主要元件是一个对声音敏感的电容式驻极体话筒，声波使话筒内的驻极体薄膜振动导致电容的变化，而产生与之对应的微小电压。这一电压经过处理放大后被转化为Ｏ～５Ｖ的电压，将该电压与阀值电压比较，并将结果传递给ＭＣＵ处理。该电容式驻极体话筒的输出阻抗为１～５ｋＱ，频率响应为Ｏ．０５０～１５ｋＨｚ，灵敏度为一５２ｄＢＶ／Ｐａ。万方数据第１期雷霖等：基于ＧＳＭ和电力载波通信的ＬＥＤ路灯监控系统４１线路故障检测模块主要由ＬＳＣＴ—０１电流互感器构成，该电流互感器的额定输入电流为５Ａ，额定输出电流为５ｍＡ，变比为１０００：１；当负载为１００Ｑ时，相位差小于２０７；线性范围Ｏ～７Ａ。电流互感器输出交流小电流信号经过放大后转化为交流电压信号，将该电压经过整流滤波后从运算放大器的同相输入端输入，经运算放大器放大后传递给ＭＣＵ。当输出电压高于５Ｖ时，为确保引脚不被破坏，在输出端接人稳压管将输出电压限定在４．７Ｖ以内。３系统软件设计由于电力载波通信容易受到噪声的干扰且衰减明显，在不使用中继的情况下，电力载波的传输距离一般在２００～３００“６｜。在ＬＥＤ路灯网络中，每一个路灯集中控制器需控制相当大的区域内的所有路灯，然而距离路灯集中控制器较远的节点不能与之直接通信，即不能保证区域内节点间的通信一跳可达，因此需要采用适当的路由算法选择中继节点，使该区域内的所有节点形成电力载波网络，并通过该网络实现节点之间数据传输和命令转发。本文将蚁群算法应用于电力载波通信网络中，并根据每条链路的费用和延时计算选择下一跳的节点，建立高效可靠的路由，并最终找到从源节点到目的节点的最优路径［７］。蚁群算法节点流程如图３所示。路灯终端控制器根据收到的控制命令实时调整路灯的状态，并在后半夜对路灯采取合理的控制策略，以达到节能的目的；此外路灯控制终端的传感器还能够实时地检测环境的参数并上传到监控中心，其主流程图如图４所示。开始Ｖ搜索蚂蚁数据帧？＼＞丛琴企‘ＹＹ嵫索蚂蚁下行数据商≥黧黥渺７最优信息素＼Ｎ更新下行数据帧？／一Ｙ数据帧改为搜索蚂蚁返回数据帧，发送该帧按照蚁群算法填充下一级路由节点，并发送该帧更新节点信息素，数据帧改为息素更新返回数据帧，发送该更新节点信息素，转发该帧霸葡獗］一结束ｋ——］弦丽图３蚁群算法节点程序流程图Ｆｉｇ．３Ａｎｔｃｏｌｏｎｙａｌｇｏｒｉｔｈｍｎｏｄｅｓｐｒｏｇｒａｍｆｌｏｗｃｈａｒｔ４仿真实验与分析如图５所示，１０ｋｍ×１０ｋｍ的区域范围内某相网络随机布置２５个节点，并设置各条链路的费用和延时。各参数初始化设置为ａ—ｌ，卢一１，ｌＤ一０．１５，叩（巧）＝１，Ｑ一１，设定延时约束条件Ｄ。。一５０，迭代次数Ｋ一２５次，每次迭代蚂蚁的个数Ｍ一１５，选取２号节点为源节点，２２号节点为目的节点。图６表示从２号节点到２２号节点的费用和延时仿真结果图。纵坐标表示每次迭代的最优路径，横坐标表示迭代次数。从仿真结果可以看出，在算法的开始阶段每次迭代的最少费用和路径在较大范围内波动，这一过程体现了蚁群寻优的搜索过程。在一定的迭代次数后，算法趋于收敛，找到最优路径，最终该路径的最少费用和延时万方数据４２广西师范大学学报：自然科学版第３２卷图４路灯控制终端节点主流程图Ｆｉｇ．４Ｓｔｒｅｅｔ１ｉｇｈｔｃｏｎｔｒ０１ｔｅｒｍｉｎａｌｎｏｄｅｍａｉｎｐｒｏｃｅｓｓｄｉａｇｒａｍ１０４５４０３５叫萋３０牮蔷２５２０１５０２４ｘ，ｋｍ６８ｌＯ５ｌＯ１５２０２５迭代次数罔６费用和延时仿真结果图图ｊ节点随机分布图Ｆｉｇ．５ＮｏｄｅｒａｎｄｏｍｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｉｇｕｒｅＣｏｓｔａｎｄｄｅｌａｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｄｉａｇｒａｍ分别稳定在１２和１５。由仿真结果可知，蚁群算法可用于解决电力载波通信网络在图型拓扑结构下的路由问题，在一定的约束条件下，算法能够找到通信路由线路，并最终收敛于最优路径。５结论本文将蚁群算法引进基于电力载波通信技术的ＬＥＤ路灯监控系统中，提出了电力载波组网寻找中继节点的新方式，提高了系统的稳定性。在完成了路灯控制终端硬件电路的设计基础上，通过路由算法实现数据和命令在电力载波通信网络中的传输，从而达到对路灯的远程智能控制。测试结果表明，该系统组网速度快、节点布置灵活、工作稳定，能够有效地对路灯进行实时监测。参考文献：［１］孙海翠，张金波．低压电力线载波通信技术研究与应用［Ｊ］．电测与仪表，２００６，４３（８）：５４—５７．［２］徐超群，高明煜．低压电力载波通信技术在城市路灯远程智能监控中的应用［Ｊ］．电讯技术，２００６，４６（６）：１４５—１４９．［３］刘柱，汪晓岩，蔡世龙．低压电力线载波通信组网方法［Ｊ］．电力系统通信，２００９，３０（１２）：１７—２０．［４］林科，覃志松，孙春风，等．基于电力线通信技术的健康监护系统设计［Ｊ］．广西师范大学学报：自然科学版，２０１３，３１（２）：４５—５０．万方数据第・期———————————————————————————————————————————————————————————————一雷霖等：基于Ｇ！竺塑皇塑兰鎏望堡竺！兰！竺！竺竺至竺．———竺一［５］［６］李冰，姜波，汪滨瑜．ＢＩｓＳｏ００１在热释电红外开关上的应用［Ｊ］．应用科技，２００６，３３（２）：３１—３３・俞天白，杨将新，赵玉玺．楼宇控制系统中的电力线载波通信路由算法［Ｊ］・电网技术，２００６，３０（９）：８８—９１．［７］黄敏，靳婷，钟声，等．基于改进蚁群算法求解连续空间寻优问题［Ｊ］．广西师范大学学报：自然科学版，２０１３，３１（２）：３４—３８・ＬＥＤＳｔｒｅｅｔＬｉｇｈｔＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄＣａｒｒｉｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＧＳ】ⅥａｎｄＰｏｗｅｒＬｉｎｅＬＥＩＬｉｎｌ～，ＹＵＡＮＺｈｏｕ２，ＺＨＡＯＹｏｎｇ－ｘｉｎｌＳｉｃｈｕａｎ６１０１０６，Ｃｈｉｎａ；（１．Ｓｃｈｏｏｌ０ｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＣｈｅｎｇｄｕＵｎｉＶｅｒｓｉｔｙ，ＣｈｅｎｇｄｕｏｆＣｈｉｎａ，２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｈｅｎｇｄｕＳｉｃｈｕａｎ６１１７３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｅｎｅｒｇｙｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｌｏｗ—ｖｓａｇｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔｓｉｎｄａｉｌｙｌｉｆｅ，ｓｕｃｈｔｏａｓｌｏｗｕｔｉｌｉｚａｔｌｏｎｏ｛ａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｏｎｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎｔｔｏｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄａｓｔｒｅｅｔｌｌｇｈｔｓｔｏｍｏｎｌｔｏｒｌｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄＧＳＭａｎｄＰＬＣｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂｙｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｔｏｃｏｌｏｎｙａｌｇｏｒｉｔｈｍａｃｈｉｅＶｅｒｅａｌ—ｔｉｍｅｆｉｎｄａｎｏｐｔｉｍａｌｐａｔｈ｛ｒｏｍｔｈｅｍｏｎｌｔｏｒｌｎｇｏｉｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｈｅｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎｔｅｒｍｉｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＩｎｔｅｌ王ｉｇｅｎｔｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔｓ．Ｉｔｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｆｏｃｕｓｅｓｏｎｏｆｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ’ｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｉｔｗａｒｅｄｅｓｌｇｎ，ａｎｔｔｈｅｓｔｒｅｅｔｏｆｌｉｇｈｔｃｏｎｔｒｏｌｔｅｒｍｉｎａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｃｏｌｏｎｙａｌｇｏｒｌｔｈｍｏｐｔｌｍｌｚａｔｌｏｎｃｏｎｔｒｏＬａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅａｐｐｈｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏ｛ｓｔｒｅｅｔｈｇｈｔｓｃｅｎｔｅｒ．ｔｅｒｍｌｎａｌ＇１ｓｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔｓｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｕｓｅｄａｓａＳＴＣｌ２Ｃ２０５２ＡＤｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒｔｈｅＰＬＣｍｏｄｕｌｅｓＫＱｌ３０Ｆ＋ｔｏｍｉｃｒｏＤｒｏｃｅｓｓｏｒｆｏｒｔｈｅｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔｓｃｏｎｔｒｏｌｔｅｒｍｉｎａｌ．Ｉｔｃｏｎｔｒｏｌｓｂｅｔｗｅｅｎｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔｂｙｓｅｎｓｏｒｓ．ｒｅａｌｉｚｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｏｄｅｓａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｙｃｏｎｔｒｏｌｓｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔｓｔｏｂａｓｅｄｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｄｅｔｅｃｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｈｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｓＴｈｅｃｏｎｔｒｏｌｔｅｒｍｉｎａｌｓｅｎｔｏｎｔｏｔｒａｎｓ｛ｅｒｓｄａｔａｃｅｎｔｅｒｔｈｅｃｅｎｔｒａｌＩｚｅｄｔｈｅｐｏｗｅｒｌｉｎｅ，ｔｈｅｎ，ｔｈｅｄａｔａｉｓａｎｔｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｂｙＧＳＩⅥｎｅｔ・Ｔｈｅｓｈｏｗｔｈａｔｃｏｌｏｎｙａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｂａｓｅｄｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｏ｛ｔｈｅｃｏｍｍｕｎＩｃａｔｌｏｎｌｉｎｋａｎｄｎｅｔｗｏｒｋｐａｔｈｓ・ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅｒｖｉｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｃａｎｆｉｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐｏｗｅｒｌｉｎｅｃａｒｒｉｅｒｃｏｍｍｕｎｌｃａｔｌｏｎｍｅｅｔｓｔｈｅｎｅｅｄｓｏｉＴｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｌｏｗ—ｃｏｓｔ，ｅａｓｙｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｆｅａｔｕｒｅｓａｎｄｃｏｎｔｒ０１．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ；ａｎｔｃｏｌｏｎｙａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｅｎｅｒｇｙｓａＶｉｎｇｓｔｒｅｅｔｈｇｈｔ（责任编辑李小玲）万方数据基于GSM和电力载波通信的LED路灯监控系统
作者：
作者单位：
雷霖， 袁舟， 赵永鑫， LEI Lin， YUAN Zhou， ZHAO Yong-xin
雷霖,LEI Lin(成都大学电子信息工程学院,四川成都610106;电子科技大学自动化工程学院,四川成都
611731)， 袁舟,YUAN Zhou(电子科技大学自动化工程学院,四川成都,611731)， 赵永鑫,ZHAO Yong-xin(成都大学电子信息工程学院,四川成都,610106)
广西师范大学学报（自然科学版）
Journal of Guangxi Normal University(Natural Science Edition)2014,32(1)
刊名：英文刊名：年，卷(期)：
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