摘 要

我国城市发展的过程中存在着许许多多的问题，城市照明系统是基础设施建设中的重要组成部分，传统的路灯照明系统智能进行手动控制和简单的定时控制，能源利用率低，浪费严重，管理方式单一，操作人员无法实时检测路灯状态，维护困难，信息化水平低下。传统的路灯控制方式已经不能满足社会发展和进步的需求。

本文设计了一种基于电力载波通信技术的智慧路灯控制系统，结合物联网技术，使得该系统更加的智能化和信息化，有效的利用了电网资源，便于管理和维护。同时，针对电力载波技术的缺点进行了优化，由于实际应用场景下电力载波通信的距离有限，所以本次设计采用了信号中继的方式，添加路由节点，来延长电力载波的通信距离。

本次设计实现了对路灯的实时控制和管理，信息化和智能化水平提高，满足照明需求。实验的测试结果表明系统稳定可靠，可以大规模推广使用。

关键字：电力载波；信号中继；智慧路灯；物联网

Abstract

There are many problems in the process of urban development in China. Urban lighting system is an important part of infrastructure construction. Traditional street lighting system intelligently carries out manual control and simple timing control. It has low energy utilization rate, serious waste and single management mode. Operators can not real-time detect the status of street lights, and it is difficult to maintain and the level of information is low. The traditional way of street lamp control has been unable to meet the needs of social development and progress.

This paper designs an intelligent street lamp control system based on power carrier communication technology, which combines the Internet of Things technology, makes the system more intelligent and informative, effectively utilizes the power grid resources, and is easy to manage and maintain. At the same time, the shortcomings of power carrier technology are optimized. Because the distance of power carrier communication is limited in the practical application scenario, the design adopts the way of signal relay, adding routing nodes to extend the communication distance of power carrier.

This design realizes the real-time control and management of street lamp, improves the level of information and intelligence, and meets the lighting needs. The test results show that the system is stable and reliable, and can be widely used.

Key words: Power Line Communication; Signal Relay; Smart Street Lamp; Internet of Things

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 发展趋势 2

1.4本文研究内容 2

第2章 系统设计与关键技术 4

2.1 需求分析 4

2.2 设计要求 5

2.3 设计方案 5

2.4 关键技术介绍 6

2.4.1 电力载波通信技术 6

2.4.2 自定义通信协议 6

2.4.3 路由功能 7

2.5 系统整体设计与功能 8

2.5.1 系统功能 8

2.5.2 总体设计框图 8

第3章 单灯控制器的硬件设计 9

3.1主控芯片最小系统电路 9

3.2电力载波模块电路 10

3.3 EEPROM模块 11

3.4 220V转12V电路 12

3.5 12V转5V电路 13

3.6 5V转3.3V电路 14

3.7 5V转-5V电路 14

3.8 电流采样电路 15

3.9 电压采样电路 15

3.10 0-10V调光电路 16

3.11 灯控开关电路 17

3.12 SWD调试接口电路 17

3.13 复位按键 18

第4章 单灯控制器的软件设计 19

4.1 开关灯和调光程序设计 19

4.2 电流电压信号采集程序的设计 20

4.3 路由功能算法设计 21

第5章 测试与结果分析 23

5.1 测试方法 23

5.2 结果与分析 23

总结与展望 25

总结 25

展望 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

物联网技术的崛起与兴盛离不开社会的进步与经济水平的快速发展，在当前我国大部分的城市中，路灯照明系统的发展与改进伴随着城市的规划与建设，城市照明路灯的作用与功能不仅是满足人们的生活和生产需要，同时也是美化城市，吸引企业研究和投资的重要对象。另外，照明系统的智能化与信息化水平的高低也是智慧新型城市发展是否全面的重要指标。

与此同时，国家也在积极倡导绿色环保的新型节约城市，保护环境和节能减排是当代发展的重要主题，为响应国家与政府的号召，传统的路灯系统已经无法满足现在的要求，更不可能达到人民和国家所希望的水平。所以设计并实现现代化和信息化的智慧路灯控制系统是至关重要的。路灯照明控制系统在应用了计算机技术、通信技术和物联网^[1]技术等先进手段下，可以实现现代化与信息化管理，同时给城市居民带来更好的照明体验。路灯系统将变得更加管理便捷和节能环保，有效的节省人力和物力的耗费。另外，道路照明的提高与改善可以保障人们更好的出行安全，将夜间行车事故率大大降低。

1.2 国内外研究现状

国内发展现状：由于我国国情因素，智慧路灯照明系统的发展尚处于初期阶段, 目前国内路灯照明大多数使用的依然是的高压钠灯，采用新型LED灯的智能路灯管理系统尚不成熟^[2]，而且市场管理秩序相对较差，缺乏系统的规划, 相关规定尚不完善。另外，建设实施部门与维护管理部门之间的沟通与协作并不能实现完美衔接。虽然我国智慧路灯的建设存在许多问题，但是近些年，在政策的支持下我国智慧路灯的发展速度迅猛^[3]，智能路灯控制系统也在相关研究中，许多电子科技公司也在积极寻找进步的方法^[4]。

2009年，我国启动绿色照明工程，逐步淘汰白炽灯，推广LED灯的发展和使用。国家发改委和住房与城乡建设部组织开展了LED照明应用工程示范，旨在推动LED产业的建设与发展，实现我国向绿色环保型国家的转变。

在2018华为全联接大会上，华为与中国电信和泰华智慧,共同发布了基于NB-IOT技术的照明智能化管理方案。在CeBIT 2018大会上，华为提供了“一云二网三平台”的建设智慧城市解决方案。

上海三思公司作为中国最大的LED应用产品及系统企业^[5]，其在LED领域的研究和开发达到了一个较高的水准，并且提出了智慧路灯照明系统设计方案，该方案融合了通讯基站，使其与LED灯成为一个整体，同时，可以安装多功能的设备，如充电桩、实时信息显示屏等硬件设施。在现阶段，我国众多企业也在大规模投入智慧路灯的研发与应用。

国外发展现状：欧洲各国为推广LED灯具的应用，欧盟在2000年初推出了“彩虹计划”。并且逐渐开始限制100W的白炽灯的销售和使用，欧洲国家在推广推广半导体照明技术上的措施制定了政策并且大力实施。

美国也相当重视照明设施的节能和环保，并且在极力推广节能环保的LED照明产品。美国制定并实施了节能产品法令，在法令中规定禁止销售低效的镇流器及相关产品，为节能环保提供法律的声明。在2000年开始，美国能源部(DOE)斥巨资启动“下一代照明计划"，并且将这一计划写入美国法案，计划中主要包括推动OLED、LED等光源材料及驱动核心技术研发。

日本推出的“21世纪照明”计划，目的是研究半导体在照明方面的实现方法与相关技术。

韩国政府提出了氮化镓基LED开发计划，研究LED灯和发光二极管。并且成立了光产业振兴会，来进行相关的组织和管理。

1.3 发展趋势

科学技术的发展使得人们的生活水平和质量有了相当大的提高，现代化智能城市的提出和建设，这就意味着智慧照明系统也必须朝着现代化信息化的方向发展^[6]。社会经济的不断发展和扩大，使得我国的每年用电量消耗巨大，发电量与用电量之间的差距正在逐步扩大。传统路灯没有LED灯所独有的特性，将LED灯应用于智慧路灯可以节约相当多的电能^[7]，有利于缓解我国电量缺乏的现状。所以当前的路灯控制系统有如下发展趋势：

（1）智能化。科学技术水平不断提高，路灯照明控制系统也在随时代和技术的发展不断进步，将计算机技术，互联网技术，大数据等先进功能融合起来，发展智能型路灯控制系统。

（2）节能环保。国家大力提倡建设绿色生态城市，绿水青山就是金山银山，所以新型LED灯要取代以往的高功耗，高污染的白炽灯和高压钠灯。

（3）安全可靠。一个系统是否使用，主要看它的安全性能，安全是前提，关系到人们的生活，所以任何工程都要以安全作为首要责任。

1.4本文研究内容

本文研究的主要内容是设计一个单灯控制器，可以对路灯的状况进行实时监测，可以实现对路灯的开通与关断功能以及调光控制，在不同的时间及空间实现不同的亮度调节，同时具有采集电路中电流电压的功能，对当前的路灯状态进行分析判断，另外还要使单灯控制器可以接受集中控制器的命令，并向集中控制器发送数据，实现互相通信的功能。

第2章 系统设计与关键技术

2.1 需求分析

传统路灯以高压钠灯为主，这种路灯应用较为广泛，然而其实际的功耗要远远高出新型LED灯。新型的LED灯的功率因数大，有效的使用电能，提高了能源利用率，相较于高压钠灯有很大的提高。从图2.1可以看出，高压钠灯发热量大，且含有重金属污染和紫外线辐射，都有可能会对环境及行人造成一定伤害。另外，LED的灯具寿命和光源寿命远远高出高压钠灯，使用时间长，意味着维修成本降低，更节能和实用。

此外，传统的路灯控制系统在管理和维护中存在着较大的问题：第一，对路灯的运营维护需要依靠大量的人力，而且效率低下；第二，传统的路灯控制系统无法对每一个路灯进行实时监控和调整，当路灯出现问题时，往往需要依靠群众反映，所以处理路灯状况时，并不及时。在当前，夜间不同时间段路灯照亮明暗程度一样，这就意味着深夜行人稀少时，造成了较大的能源浪费，事实上，若路灯控制系统可以根据实际情况进行亮度的调节和管理，将会节约更多的能源。传统路灯控制无法根据季节变化和天气状况来改变路灯开关的时间，夏季时间长冬季时间短，所以路灯的开启与关闭时间就应该有所调整，否则将会造成能源的浪费。旧式的手动时间控制开关也不具有检测每个路灯实时状态的功能，这就意味着当某些路灯出现故障时，并不能得到及时的维修。所以对传统路灯控制系统进行改进是十分必要的。

表2.1 高压钠灯与LED灯对比

2.2 设计要求

第一：安全性。任何产品的前提都是要保障安全。包括人员安全，路灯及控制系统安全，环境安全等

第二：环保性。要构建节约友好型社会，就要比之前的传统路灯具有更好的节能效果。

第三：功能性。可以对独立的路灯进行监控并能控制其开通与关断,调光,以及对电流与电压信号进行采集,可以接受主控制器命令。

第四：稳定性。要具有可靠的使用性能，能够实现长时间的使用，并能应用与大多数的气候与场景。

2.3 设计方案

单灯控制器在设计中可以采用的通信方式有很多，此次设计研究了当前市场主流的两种通信技术：电力载波通信技术和Zigbee无线通信技术。电力载波通信技术要以路灯供电电路中的电力线为物理载体，通过使用功率放大电路和LC谐振电路，将要传输的信号进行调制，最后将数字信号在传输电力线中进行传输。Zigbee 无线通信技术传送信号要利用电磁波，并且在设计时每个单灯控制器内要添加无线通信模块，用于单灯控制器与集中控制器之间互相通信。该无线通信技术不需要像电力载波通信那样使用物理连接线，而是使用散布在空间中的电磁波，使得传输距离更远，但成本更高。

表2.2 两种通信技术对比

两种通信技术的对比如表2.2，从表中我们看出，电力载波通信方式在实际应用时可以直接使用路灯与路灯之间的输电线路作为载体，不需要再重新布线，而且性能稳定，保密性高，成本非常低。而Zigbee无线通信技术最突出的优点就是传输距离远，但是它传输性能差，稳定性低，成本高。所以综合考虑，电力载波通信技术更适合本次设计以及产品的广泛应用。于是，我们选择电力载波技术作为单灯控制的通信方式。

2.4 关键技术介绍

2.4.1 电力载波通信技术

电力载波通讯（Power line Communication）是在电力系统中可以实现数据传送所特有的通信方式，传输数据只要使用设备与设备之间的电力线即可完成，信号以载波方式在电力线中进行传输，它的传输距离在架空电力线中小于10千米，地埋电力线中小于2千米。电力载波通信技术的最大特点就是只要有电力线，就能进行数据的传输，不需要重新架设网络，在实际应用时十分方便。同时，电力载波通信的调制解调模块成本相较于其他无线模块是非常低的，而且其传输速率也快，所以具备很大的优势。

2.4.2 自定义通信协议

在本次设计中，通信协议的实现是建立在物理层之上的，通信传输以数据库格式进行。红外传输、RS232、RS485、电力线、无线等通信方式都是包括在物理层中。在物理层上的软件要实现两个基本的操作功能：发送字节、接收字节。所有的数据传输协议都要建立在这两个操作方法之上。本次设计的通信协议中数据是以数据包的形式存在并进行传送，一个数据包称为一帧数据。一帧数据包括帧头、地址信息、数据类型、数据长度、数据块、校验码、帧尾这几个部分。

帧头和帧尾的作用是判别一帧数据是否完整。一帧数据的长度是事先规定好的，具有固定的格式。

地址信息的主要作用是在多机通信中识别通信终端。当通信系统为一对多时，可以只包含目的地址信息。在本次设计中，便是一个集中控制器对多个单灯控制器。

数据部分主要包括数据类型、数据长度和数据块三个。数据类型表示传送的数据或命令，数据长度表示有效数据的长度和数量。

数据的完整性和正确性主要通过校验码来检验和判别。通常是对数据类型、数据长度和数据块三个部分进行运算，得出结果进行检验。例如，对数据类型、长度和数据块进行累加，对得出的和进行检验，便是最简单的方法；对数据进行差错校验码（crc）运算属于相对复杂的计算。检验的方法有很多，可以任意选取。

2.4.3 路由功能

路由的概念就是将信息或数据从一个空间转发到另一个空间的过程。路由过程包括两个基本的操作：

（1）确定最佳路径

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