CN103167696A - 基于电力线载波的智能路灯控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于电力线载波的智能路灯控制系统和方法，该系统包括：路灯；与相应的路灯连接的路灯控制器；控制中心；集中器，其连接在电力线的供电线路上、并与相应的路灯控制器连接，用来将路灯控制命令和相关数据通过电力线载波发送到路灯控制器，并通过电力线载波从路灯控制器接收各种数据；数据中心，其与控制中心相连接，用来保存与路灯控制有关的各种数据，所述集中器中的一个或多个还具有无线通信功能，用来通过无线通信与所述控制中心相连接。本发明可采用单集中器或多集中器的配置，内置路由和通信协议，能够适应各种恶劣的电网环境，具有自动动态路由、自动中继转发、自动错误重发、FEC/CRC纠错等功能，保障通信的可靠性和传输效率。

Description

基于电力线载波的智能路灯控制系统和方法

技术领域

本发明属于电力线路灯控制领域，更具体地，涉及具有路由发现和网络自组织功能的、基于电力线载波的智能路灯控制系统和方法。

背景技术

在传统的基于电力线载波的路灯控制系统中，包括所有基于FSK（频移键控）调制技术和常规OFDM调制技术，被控节点（路灯）一般采用8位单片机实现协议的处理、以及PLC（电力线载波）通信的处理。例如，利用频移键控的方式将离散数字信号调制成频率变化的信号，并将此信号通过电力线传输。

在现有的用于路灯控制的电力线载波通信系统中，一般通过分立模拟电路搭建或者采用诸如MC3361这样的前端模拟芯片来实现PLC通信。由于所述模拟芯片的存储空间和处理能力的限制（通常，RAM<8KB，FlashROM<32KB，主频<16MHz），无法实现完整功能的路由算法和协议处理，只能实现固定的路由路径或者有限级数的中继。在日益复杂的网络拓扑的情况下，可靠和高效通信变得越来越困难。限于系统架构和技术原理，现有的用于路灯控制的电力线载波通信的技术和方案会因为电力线的线路状况、拓扑变化、供电模式等各种因素的变化而产生各种通信问题。例如，由于现有技术的路灯控制采用固定的路由路径或者有限级数的中继，这样，因为各种电磁干扰、线路老化、天气、气候等原因，当电力线通信环境变得不可靠、不稳定时，无法根据节点的状况而自动变更控制命令和数据收发策略，这时，容易造成路灯控制失效，甚至引起路灯和控制设备的故障。

另外，现有技术的路灯控制一般采用单集中器控制多个路灯的架构，单个集中器用来连接远程或本地控制后台（控制主机）。因此，当集中器出现故障时，会造成其连接的全部路灯的控制失效，引起巨大的不便、甚至产生严重的经济损失。

发明内容

本申请的发明人考虑到现有技术的上述情况而作出了本发明，本发明的主要目的在于，提供具有路由发现和网络自组织功能的基于电力线载波的智能路灯控制系统和方法，其能够动态地监测各个通信节点（路灯）的通信状况，并根据的电力线总线上的收发过程而自动更新命令和数据收发规则（路由表），并且，还能够通过向PLC通信模块添加附加的通信模块而实现多集中器运行。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于电力线载波的智能路灯控制系统，包括：路灯；与相应的路灯连接的路灯控制器；控制中心；集中器，其连接在电力线的供电线路上、并与相应的路灯控制器连接，用来将路灯控制命令和相关数据通过电力线载波发送到路灯控制器，同时，通过电力线载波从路灯控制器接收各种数据；数据中心，其与控制中心相连接，用来保存与路灯控制有关的各种数据，其中，所述集中器中的一个或多个还具有无线通信功能，用来通过无线通信与所述控制中心相连接。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于电力线载波的智能路灯控制方法，包括由上述集中器执行的各个步骤。

根据本发明的实施例的技术方案的智能路灯控制系统和方法具有如下主要优点：

1）采用性能优良、稳定可靠的电力线载波技术（如OFDM），无需布线即可实现路灯的智能管理，尤其适合隧道、高速公路、景观照明等不方便布线、无线传输干扰大等场合。

2）与节点（路灯）连接的集中器内置路由和通信协议，能够适应各种恶劣的电网环境，具有自动动态路由、自动中继转发、自动错误重发、FEC/CRC纠错等功能，保障通信的可靠性和传输效率。

3）与节点（路灯）连接的PLC通信模块（集中器）还可添加无线通信功能，例如，只需向多个PLC通信模块合并标准GPRS模块，即可实现系统多集中器运行，部分集中器（或单端控制器）发生故障均不会导致整个路灯控制系统与控制后台失去联络，备用集中器会自动投入运行，并通知维护人员。

4）系统的软件安装配置和日常维护均可以远程操作，节省人工成本。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的基于电力线载波的智能路灯控制系统的示意图；

图2为示出了根据本发明的实施例的智能路灯控制方法的自动网络发现的操作的序列图，其中说明了每当通信节点上电时的路由更新（初始化）操作；

图3为示出了根据本发明的实施例的智能路灯控制方法的自动网络发现的操作的序列图，其中说明了通信节点在正常工作时的路由更新操作；以及

图4为示出了根据本发明的实施例的智能路灯控制方法的操作的序列图，其中说明了通信节点在正常工作时的自动中继和动态路由表更新操作。

具体实施方式

下面，通过参照附图来描述本发明的实施例。需要说明的是，附图仅用来帮助对本发明的原理的理解，并不构成对本发明的限定。

图1是根据本发明的实施例的基于电力线载波的智能路灯控制系统的示意图。

如图1所示，根据本发明的实施例的基于电力线载波的智能路灯控制系统主要包括受控节点（路灯）101、与相应路灯101连接的路灯控制器102、电力线载波通信控制器103、集中器104、控制中心105、数据中心106、移动通信网络终端107（例如，手机、平板电脑等）。

尽管在图1中作为示例，示出了三个电力线载波通信控制器103、以及二个集中器104，但本领域的技术人员完全可以理解，能够根据需要而配置任意数量的电力线载波通信控制器以及集中器（其中，至少有一个集中器），也就是说，每个路灯可以对应一个集中器或者一个电力线通信模块。

具体地，电力线载波通信控制器103和集中器104均连接在电力线的供电线路（例如，供电线路的一相）上，并分别与相应的路灯控制器102连接，用来将路灯控制命令和相关数据发送到路灯控制器102，并从路灯控制器102接收各种数据。

此外，集中器104除了具有电力线通信功能之外，还具有无线通信功能，该无线通信功能可以通过诸如GPRS、CDMA、WCDMA、WIFI、其它2G、3G、4G移动通信方式来实现，从而，集中器104能够经由移动通信基站（网关）110连接到因特网，进而连接到位于远程或者本地的控制中心105。这样，控制中心105能够将各种路灯控制命令以人工或自动的方式发送到集中器104，集中器104对接收到的路灯控制命令进行必要的通信协议转换，再经由电力线将依照所述路灯控制命令的具体指令信号发送到相应的路灯控制器102，从而可以控制路灯的开/关等操作。

类似地，移动通信网络终端107也能够经由移动通信网络连接到控制中心105，例如，用来经由控制中心105查看路灯及相应设备的各种状态信息、以及发出各种控制指令。

数据中心106与控制中心105相连接，根据数据中心106与控制中心105的物理位置和逻辑关系，数据中心106与控制中心105之间可以采用远程网络或者本地线缆连接，数据中心106用来存储所述智能路灯控制系统控制路灯所需的各种数据，控制中心105可以通过与数据中心106通信而记录并更新各种数据、命令。

集中器104主要包括电力线载波通信模块和无线通信模块（例如，GPRS通信模块、WIFI通信模块等等），上述两个模块可以通过串行接口/总线相连接，以进行内部的双向数据传递。

例如，集中器104的电力线载波通信模块与电力线载波通信控制器103在功能和结构上可以等同，主要包括电力线载波内核（PLC Kernel）、220V/380V电源插座（Socket）、RS232接口、扩展接口、DC/DC转换器、存储器等。其中，所述扩展接口可以和MCU（微控制器单元）连接，以便实现各种扩展功能。例如，所述存储器可为RAM（随机存取存储器），用来保存将在下文中详述的路由表（本地路由信息）等通信关键数据。

下面，具体说明根据本发明的实施例的基于电力线载波的智能路灯控制方法，其中，由集中器104/电力线载波通信控制器103进行路由发现（自动网络发现）和网络自组织（动态路由表更新和自动中继）操作。

为了方便起见，下面将集中器104/电力线载波通信控制器103通称为“集中器”、“PLC模块”、或者“通信节点”，本领域的技术人员完全可以理解，由于本发明的实施例可以采用单集中器或者任意多个集中器的灵活配置，上述各个术语可以等同替换，其指代的是对于路由发现和网络自组织操作来说的同一类型的实体。

此外，为了方便起见，下面将经由电力线载波传递通信信号的电力线或者用来进行路由发现和网络自组织所需的通信的电力线中的一相通称为“电力线”或者“总线”。

首先，简要说明在本发明的实施例中采用的在电力线上传输的命令/数据的数据结构。

在电力线上从一个通信节点向其它通信节点传送的命令/数据中包括源地址、源路由地址、目标路由地址和目标地址等字段，例如，上述地址的形式可以是相关通信节点的编号或者MAC地址。具体地，源地址表示该命令/数据的发送方（通信节点）的地址；目标地址表示该命令/数据的预定接收方（通信节点）的地址；源路由地址字段表示该命令/数据的转发（中继）路径的源地址，即，转发（中继）该命令/数据的通信节点的地址；目标路由地址表示该命令/数据的转发（中继）路径的目标地址，即，接收该命令/数据的转发（中继）的通信节点的地址。

这里，本领域的技术人员可以理解，在消息（命令/数据）的传送过程中，源地址和目标地址始终不变，而源路由地址和目标路由地址表示的分别是进行本次和下次转发（中继）的“源路由地址”。另外，在该命令/数据的第一跳（从源地址到第一次的源路由地址）时，源地址可与源路由地址相同。在该命令/数据的最后一跳（从最后一次的源路由地址到目标地址）时，目标路由地址可与目标地址相同。

另外，在与上述“一对一发送方式”不同的广播或者组播模式中，可以将目标地址置为某个特定值（例如0xFF、0xFE），以便将常规消息和广播消息、组播消息相区分。

在下面的说明中，作为示例，可以按照位置依次对通信节点进行编号，例如，通信节点2在电力线上分别与通信节点1、通信节点3相邻布置。

然而，本领域的技术人员完全可以理解，在不同的情况下，下面的通信节点编号也可以与位置无关，即，与通信节点1、通信节点2、通信节点3可以是位于电力线的任意位置上的通信节点。

首先，说明根据本发明的实施例的每当通信节点上电时的路由更新（初始化）操作。

图2为示出了根据本发明的实施例的智能路灯控制方法的自动网络发现的操作的序列图，其中说明了每当通信节点上电时的路由更新（初始化）操作。

每当通信节点（图2中是通信节点1）上电时，在电力线上发送广播消息，其包括当前通信节点的状态和配置信息。

这里，假定通信节点2和通信节点3接收到所述广播消息（实际上，取决于电力线网络状况，可能有更多或更少的通信节点接收到所述广播消息），一旦通信节点2和通信节点3接收到所述广播消息，通信节点2和通信节点3便更新各自的本地路由表（例如，存储在通信节点2和3的RAM中），其中，更新通信节点1的在线（上电）状态，并向通信节点1发送ACK（确认）消息。

通信节点1在接收到从通信节点2和通信节点3发回的ACK消息之后，再向通信节点2和通信节点3回送ACK消息，并且，在本地路由表中（例如，存储在通信节点1的RAM中），更新路由信息，例如，将通信节点2和通信节点3的在线（上电）状态字段使能。

通信节点2和通信节点3在接收到从通信节点1发回的ACK消息之后，证明实现双向通信成功，在各自本地路由表中，更新路由信息，即，此通信的收发节点（通信节点1分别与通信节点2和3）是可直接到达的，即，将通信节点1的在线（上电）状态字段使能。若通信节点2和通信节点3未接收到通信节点1发回的ACK消息，则证明未实现双向通信成功，即，此通信的收发节点（通信节点1分别与通信节点2和3）不是可直接到达的。

接下来，说明根据本发明的实施例的通信节点在上电后在正常工作时的路由更新操作。

图3为示出了根据本发明的实施例的智能路灯控制方法的自动网络发现的操作的序列图，其中说明了通信节点在正常工作时的路由更新操作。

作为示例，如果通信节点3接收到从通信节点1发送到通信节点5的消息（命令或数据，通信节点3通过该消息中的源地址字段和目标地址字段来判定接收到了通信节点1号发送到通信节点5号的消息），则进行路由表更新，将本地路由表中的通信节点1的在位状态字段使能（例如，将该字段的值置为0x01）。

接下来，如果通信节点3接收到从通信节点5发回到通信节点1的ACK消息，则进行路由表更新，将本地路由表中的通信节点5的在位状态字段使能，并保持信噪比等信息，即，将测定的该消息的信噪比记录到本地路由表中。

接下来，说明根据本发明的实施例的自动中继和动态路由表更新操作。

图4为示出了根据本发明的实施例的智能路灯控制方法的操作的序列图，其中说明了通信节点在正常工作时的自动中继和动态路由表更新操作。

下面，以通信节点1发送消息（命令/数据）到通信节点7为例，说明所述自动中继和动态路由表更新操作。

首先，通信节点1查找本地路由表，找到针对通信节点7的最佳路由（中继）节点，例如，其最佳路由（中继）节点通信节点3，这时，通信节点1将该消息中的“目标路由地址”字段置为通信节点3的地址（这里假定通信节点3在线；另外，根据上文，通信节点1还将该消息中的“源地址”字段置为通信节点1的地址，将“目标地址”字段置为通信节点7的地址），并在电力线上发送该消息。

接下来，通信节点3在接收到该消息之后，查找本地路由表，找到针对通信节点7的最佳路由节点为通信节点6，此时，通信节点3将该消息中的“源路由地址”字段置为通信节点3的地址，将该消息中的“目标路由地址”字段置为通信节点6的地址，并在电力线上转发该消息。此时，通信节点1会收到通信节点3转发的该消息，之后更新本地路由表，其中，收到通信节点3发过来的数据，说明通信节点1和3可以直接到达，此时通信节点1可以更新到最新的信噪比参数（该参数随时间会发生变化），另外更新通信节点1的通信状态，即，接下来无需从通信节点1进行发送重试（亦即通信节点3将负责后面的超时重发）。

通信节点6在接收到从通信节点3转发的该消息时，查找本地路由表，其中，本地路由表中记录了通信节点6和通信节点7之间的路由方式是“直接到达”，此时，将该消息，直接发送到通信节点7（将该消息中的将“目标路由地址”字段置为空（0x00）或者通信节点7的地址）。此时，通信节点3会收到通信节点6转发的该消息，之后更新本地路由表（本次的本地路由表的更新与上面所述的类似，为了简明起见，在此不再赘述）。

同时，通信节点7也会收到从通信节点6转发的该消息，那么，通信节点7应当向通信节点1发送ACK消息，路由经过重新计算（例如，根据本地路由表的状态，找到信噪比满足条件，可直接到达，离目标节点最近的那个节点作为转发节点。），应当发给作为最佳路由节点的通信节点5，然后，在通信节点5接收到该ACK消息之后，再转发到通信节点1（通信节点5也是通过查找本地路由表来确定转发方式，在此，为了简明起见，不再赘述）。

这里，如果通信节点7未收到通信节点5转发（直接或者经由最佳路由节点发送到通信节点1）的所述ACK消息，则通信节点7认为通信节点5并未收到（从而也未向通信节点1转发）所述ACK消息，在通信节点7重试失败（例如，重新向通信节点5发送3次）之后，在通信节点7的本地路由表中删除通信节点7和通信节点5之间的“直接到达”，重新计算路由。

此时，通信节点7进行重新路由计算之后，得出的最佳路由节点是相邻的通信节点6（没有其它更好的路由节点，只能通过相邻的通信节点6来中继，这里，默认相邻节点之间必定是“直接到达”的）。以此类推，在相邻节点之间能够直接到达的前提下，最坏情况是，通信节点7将所述ACK消息依次经由通信节点6、通信节点5、通信节点4、通信节点3、通信节点2发送到通信节点1（参见图4）。

如果通信节点7通过相邻的通信节点6转发所述ACK消息也失败，则通信节点7不再重试，通信节点3负责继续重试。

简而言之，每当作为源路由节点的通信节点A向作为目标路由节点的通信节点B发送消息时，作为源路由节点的通信节点A便在电力线上监听是否接收到作为目标路由节点的通信节点B（此时是新的源路由节点）向下一个目标路由节点C或者目标节点D转发的该消息，若上述通信节点A未接收到上述通信节点B转发给节点C或者D的该消息，则上述节点A可以认为节点B并未接收到节点A发送的该消息，由此进行重试及后续操作。

另外，这里可以假定，若与某一通信节点E距离较远的通信节点H能够接收到所述某一节点E发送的消息（例如，通信节点H为通信节点E的最佳路由节点，其间可以直接到达），那么，在正常情况下，在安装位置上位于上述节点E和节点H之间的各个节点（例如，节点F、G）也均能够接收到所述消息。

下面，通过表格来举例说明上述路由表的数据结构，下面的表格示出了根据本发明的实施例所采用的路由表的数据结构中的部分字段，其仅为概念性的示例，本领域的技术人员可以理解，可以根据具体应用情形而对下述数据结构作出各种添加/删除/修改。

上面已经为了列举和说明的目的呈现了本发明的实施例，其不意欲使本发明限于所公开的形式。这里选择和说明的实施例是为了解释本发明的原理和应用，由此，本领域的技术人员能够理解，在针对特定的目的而使用本发明的实施例时，在不脱离本发明的概念和精神的情况下，本领域的技术人员可以对实施例作出各种修改和变型，其均被涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种基于电力线载波的智能路灯控制系统，包括：

路灯（101）；

与相应的路灯（101）连接的路灯控制器（102）；

控制中心（105）；

集中器（103、104），其连接在电力线的供电线路上、并与相应的路灯控制器（102）连接，用来将路灯控制命令和相关数据通过电力线载波发送到路灯控制器（102），同时，通过电力线载波从路灯控制器（102）接收各种数据；

数据中心（106），其与控制中心（105）相连接，用来保存与路灯控制有关的各种数据，

其中，所述集中器（103、104）中的一个或多个（104）还具有无线通信功能，用来通过无线通信与所述控制中心（105）相连接。

2.如权利要求1所述的智能路灯控制系统，其中，

控制中心（105）能够将各种路灯控制命令发送到所述集中器（104），所述集中器（104）根据所接收到的路灯控制命令，经由电力线载波将路灯控制指令信号发送到相应的路灯控制器（102），从而可以由路灯控制器（102）对路灯（101）进行控制，

所述智能路灯控制系统还包括：

移动通信网络终端（107），其经由移动通信网络连接到控制中心（105），用来经由控制中心（105）查看路灯及相应设备的各种状态信息、以及发出各种控制指令。

3.如权利要求2所述的智能路灯控制系统，其中，所述集中器（103、104）包括实现电力线载波通信功能的电力线载波通信模块，所述集中器（103、104）中的一个或多个（104）还包括实现所述无线通信功能的无线通信模块，所述电力线载波通信模块和无线通信模块通过串行接口或总线相连接，以进行内部的双向数据传递，

所述电力线载波通信模块包括电力线载波内核、220V/380V电源插座、RS232接口、扩展接口、DC/DC转换器、存储器，所述扩展接口和微控制器单元连接，以实现各种扩展功能，所述存储器为随机存取存储器，用来保存本地路由信息。

4.如权利要求3所述的智能路灯控制系统，其中，所述无线通信模块包括GPRS通信模块、3G移动通信模块、4G移动通信模块、WIFI通信模块中的一个或多个。

5.如权利要求1所述的智能路灯控制系统，其中，所述集中器包括多个集中器，当所述多个集中器中的第一集中器上电时，第一集中器在电力线上通过电力线载波发送广播消息，所述广播消息包括第一集中器的状态和配置信息，

接收到所述广播消息的所述多个集中器中的第二集中器更新本地路由信息，其中记录第一集中器的在线状态，并且，第二集中器向第一集中器发送确认消息，第一集中器在接收到该确认消息之后更新本地路由信息，其中记录第二集中器的在线状态。

6.如权利要求1所述的智能路灯控制系统，其中，所述集中器包括多个集中器，当所述多个集中器中的第三集中器在电力线上通过电力线载波接收到从所述多个集中器中的第一集中器向所述多个集中器中的第二集中器发送的消息时，更新本地路由信息，其中记录第一集中器的在线状态，

此外，当第三集中器在电力线上通过电力线载波接收到从第二集中器向第一集中器发送的针对所述消息的确认消息时，更新本地路由信息，其中记录第二集中器的在线状态。

7.如权利要求1所述的智能路灯控制系统，其中，所述集中器包括多个集中器，在电力线上通过电力线载波在各个集中器之间传递的消息中，包括指定源集中器、源路由集中器、目标路由集中器和目标集中器的信息，

其中，

源集中器表示该消息的发送方集中器，

目标集中器表示该消息的接收方集中器，

源路由集中器表示转发该消息的集中器，

目标路由集中器表示接收该消息的所述转发的集中器，

其中，

当所述多个集中器中的第一集中器要向所述多个集中器中的第二集中器发送第一消息时，第一集中器在第一消息中将源集中器指定为第一集中器，将目标路由集中器指定为通过参照本地路由信息之后确定的所述多个集中器中的第三集中器，将目标集中器指定为第二集中器，并在电力线上通过电力线载波发送第一消息，

当第三集中器接收到第一集中器发送的第一消息时，第三集中器通过参照本地路由信息，在第一消息中将目标路由集中器指定为第二集中器，并在电力线上发送第一消息，

当第二集中器接收到第三集中器发送的第一消息时，第二集中器在电力线上发送针对第一消息的确认消息，

同时，当第一集中器接收到第三集中器发送的第一消息时，更新本地路由信息，其中记录通信参数，所述通信参数包括信噪比。

8.如权利要求7所述的智能路灯控制系统，其中，当第一集中器在预定时段内未接收到第三集中器发送的第一消息时，第一集中器在电力线上通过电力线载波重新发送第一消息。

9.如权利要求8所述的智能路灯控制系统，其中，在第一集中器在电力线上通过电力线载波重新发送第一消息之后的预定时段内，当第一集中器仍未接收到第三集中器发送的第一消息时，第一集中器在本地路由信息中将有关“第一集中器和第三集中器之间的通信方式”的信息记录为“非直接到达”。

10.一种用于如权利要求1至9中的一个所述的智能路灯控制系统的、基于电力线载波的智能路灯控制方法，包括如权利要求5至9中的一个所述的由集中器执行的各个步骤。

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