CN107072018B - 一种基于电力载波路灯杆智能系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于电力载波路灯杆智能系统，包括微波雷达模块、DSP处理模块、摄像头、STM32芯片、路灯控制模块、以太网模块、主机和智能模块。本发明将路灯进行组网，实现功能一：过路灯的组网实现对路灯的控制，达到开关控制、梯度调光控制，以及路灯故障检测；实现功能二：实现该段路面通行车辆或行人实时测速，当出现超速或者低速的情况时，及时向控制端发出告警，提醒控制中心及时调取摄像头信息，实现对路面的实时监控。

Description

一种基于电力载波路灯杆智能系统

技术领域

本发明涉及一种路灯，特别是一种基于电力载波路灯杆智能系统。

背景技术

现阶段，路灯照明的控制系绝大多数采用“时间继电器+交流接触器"的控制方式，每天定时开关，换季时，需要人工调节每一个时间继电器的参数；同时，绝大多数路灯控制系统没有具备实时管理和调节功能的后台软件或终端设备。因此，现有路灯控制系统大多数只能控制路灯定时开关，调节不方便，路灯信息统计混乱。

现有技术存在以下缺点：1、功能单一，扩展性差

只提供路灯的开关功能，不具备日常维护管理功能、软件远程管理功能，缺少远程管理终端设施；因此，路灯系统的故障发现、故障报警、数据报表统计等功能需要人工来完成，浪费人力资源。

2、控制方式落后

当前，路灯控制还停留在手动、光控、时控等方式，受季节、天气和人为因素影响很大，自动化管理水平低，经常需要亮时不亮，需要灭时不灭，极易造成能源浪费。

3、操控不便

无法及时修改开关灯时间，不能根据实际情况(如天气突变、重大事件、节日等)的需要及时校正和修改开关灯时间。

4、日常维护困难

现有路灯照明设施的管理工作主要依靠人工巡查来完成，不仅工作量大，而且还浪费人力、物力,故障需人员上报和市民投诉，缺乏主动性、及时行和可靠性，不能实时、准确、全面地监控整个照明系统的运行状况，缺乏有效的故障预警机制。

5、设备信息管理困难

照明系统设备数据信息需要人工统计，无法自动形成报告；而且一旦没有及时更新或一次统计错误，将造成统计混乱，数据不可查。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电力载波路灯杆智能系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于电力载波路灯杆智能系统，包括微波雷达模块、DSP处理模块、摄像头、STM32芯片、路灯控制模块、以太网模块、主机和智能模块，所述以太网模块分别连接STM32芯片、主机和智能模块，所述智能模块有多个，主机还连接大数据系统，STM32芯片还分别连接DSP处理模块、摄像头和路灯控制模块。

作为本发明的进一步技术方案：所述智能模块有多个。

作为本发明的进一步技术方案：所述微波雷达模块包括X频段雷达模块、预处理电路和DSP处理器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、功能多样，扩展性好：具有路灯的开关功能，调光功能接口，故障检测报修。通过微波雷达模块和摄像头的图像采集实现路面实时的监测与实时给控制中心提供警报信息。2、控制方式：路灯控制利用智能芯片控制，在面对季节、天气和人为的因素可以做出合理的反应。3、操控方便：可以在主机控制端及时修改开关灯时间，不仅能根据实际情况(如天气突变，重大事件，节日)的需要及时校时和修改开关灯时间，还能多路灯进行实时的控制。4、日常维护简单、设备信息管理简单：每一个路灯会自动分配一个IP地址，这就意味着在路灯出现故障时，能及时的发现，具有实时性和主动性。设备的数据也无需人工统计，可以通过电力线传送至主机，利用计算机进行处理和分析。极大减少了人力物力的浪费。

附图说明

图1为本发明的总体示意图；

图2为智能模块结构图；

图3为微波雷达结构图；

图4为电力线架构图；

图5为整体流程图；

图6为DSP信号处理程序结构图；

图7为连接以太网流程图；

图8为控制的总体流程图；

图9为数据处理过程图；

图10为验证响应流程图；

图11为控制信息从控制中心发送到路灯控制器流程图；

图12为控制器响应流程图；

图13为网络模块enc28j60的初始化流程图；

图14为大数据处理流程图；

图15为STM32芯片电路图；

图16为摄像头引脚图；

图17为以太网模块引脚图；

图18为DSP原理图；

图19为DSP电路总体框图；

图20为A/D保护电路图；

图21为A/D保护电路图；

图22为以太网模块图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-22；本发明实施例中，一种基于电力载波路灯杆智能系统，包括微波雷达模块、DSP处理模块、摄像头、STM32芯片、路灯控制模块、以太网模块、主机和智能模块，所述以太网模块分别连接STM32芯片、主机和智能模块，所述智能模块有多个，主机还连接大数据系统，STM32芯片还分别连接DSP处理模块、摄像头和路灯控制模块。

智能模块有多个。微波雷达模块包括X频段雷达模块、预处理电路和DSP处理器。

本发明的工作原理：本发明的整体图如图1所示，采用以电力线为载体通过以太网传输数据，每一个智能控制模块通过220V市电达到互相通信的目的，在控制主机上进行实时监测与控制，使其完成主机与路灯、路灯与路灯之间的相互通信的功能，以及实现对路面情况的实时反馈。总体的拓扑结构如图1所示，主要包括：路灯、智能控制模块、以太网传输模块、电力线、主机等五部分组成。智能模块主要负责对路面的监控，路灯的控制，以太网模块主要负责数据共享，主机负责数据处理，利用现在已经成熟的大数据系统，对接收到各节点的路灯信息进行对比分析，达到精确告警，指令的下达，电力线主要负责数据的传输的载体。

智能控制模块如图2所示，由摄像头模块、路灯控制模块、智能芯片、电力载波模块、雷达模块、以太网传输模块这六部分组成。本设计采用的是STM32芯片作为主制芯片，配合上DSP处理芯片对微波雷达信号进行数据的处理与分析。STM32芯片将摄像头数据、微波雷达模块数据打包，在电力载波模块的以太网模式下，数据通过正交频分复用技术、正交振幅调制等多种方式调制到电力线上，供各个节点调取数据。主机控制接收方对数据进行解调，读取数据，并以相同方式将控制信号调制上电力线来实现指令的下达，供给各智能模块读取数据。STM32芯片通过对路灯的电流检测，来判别路灯的工作状态，通过改变工作的电流对路灯的功率进行调整，实现梯度调光和控制等的开光，以及路灯的故障判断与告警。

微波雷达模块如图3所示，采用的原理是多普勒测速原理，工作频段为10.525GHz。雷达模块在接收到回波后，将回波信号与发射信号进行混频，得到多普勒频移信号；信号通过预处理电路进行放大，使其符合芯片引脚工作的电压范围，通过DSP处理芯片，对数据进行精确处理和分析，最后由STM32的芯片把数据上传。此模块负责对路面的交通状况和超速的车辆进行监控，根据预设的数值对车辆超速和路面拥堵情况进行判断和告警。

电力载波网络依附于现有的电力线系统，如图4所示，无需重新架构设备。每个路灯之间通过电力线相连在220V电力环境建立通信，每个路灯节点都可接收到组网中任何节点发出的信息，每个节点发出的信息可以被组网中的所有节点接收。数据通过调制器调制到电力线上，在一定距离的各个路灯节点进行传输。主机将电力线的数据解调出来进行处理，并且把需要发送的指令调制进电力线，命令对应的路灯节点发送数据和对其进行控制。从而达到控制线上的任意路灯节点，实现智能控制。

本发明整体的结构程序设计如图5所示：STM32芯片再将采集到的模拟信号转化为数字信号通过电力线发送到主机进行数据处理分析。电力载波模块组网成功之后，电力载波模块是将来自其他路灯杆的信息调制上电力线，在电力线上传输，然后送至STM32芯片。STM32芯片接入以太网，控制中心提取数据接收并处理完毕，STM32芯片等待主机的调取指令或者向上主动告警，通过以太网传输模块将数据上传到电力载波模块调制到电力线上，各路灯节点提取数据，并做出应答(路灯的开关、实时视频数据的传送)。

DSP程序结构与逻辑如图6所示，核心处理器DSP首先将系统初始化，为处理信号做好准备；当检测到有数据输入时，开启AD模块，进行信息的采集与AD转换；当转换成数字信号后，抽取数据做FFT，得出幅度最高的频率点，并将所得结果发送给PC；设置频率范围并判断频率是否在范围内，若是则XF引脚输出高电平，若不在则输出低电平。这样通过记录出现高电平时刻的那个频率，这样就能够得到频率。通过频率与速度的转换公式，得到速度。另外，每次出现高电平时，就是在微波雷达的检测范围内出现了运动物体，在一段时间内通过记录下高电平的数量，就能得出车流量。

以太网模块程序结构与逻辑

以太网模块由摄像头OV7725的驱动和w5500以太网模块组成，本实验涉及到的程序分为两个部分：摄像头OV7725的驱动和ENC28J60以太网模块的通信，如图7所示，在PC机的控制窗口输如ping指令，即ping192.168,1,18。等待控制窗口显示连接成功。之后继续输入telnet指令，即telnet192.168.1.18。建立连接之后，通过登陆用户界面，进行对路灯的指令的下达和数据的提取。在下达调取的指令之后，对应的路灯会回复一个反馈的信息。

雷达模块、摄像头的信息是通过ENC28J60以太网模块的通信，想要将数据通过以太网传输，先要对以太网中重要的协议进行配置——LWIP协议栈。首先初始化LWIP协议栈，同时需要将网络接口的IP地址、网关、子网掩码进行配置，此时需要注意，网口的IP地址不能与局域网内的主机IP地址相互冲突，这样才能使驱动正常工作，并与LWIP协议栈顺利连接。与此同时还需要在循环函数中加入计时函数，这样才能证保以太网模块正常工作。

实现控制的总体流程如图8所示，先从PC上位机发送启动命令，电力载波模块启动并开始搜索电线上是否有匹配的电力载波模块节点，若没有相应的节点则返回错误信息，若有则组网成功的指示灯亮起。在PC机发送控制信息，STM32接收到相应的指令开始执行命令。

信息在电力线上的交互程序与逻辑：

发送方的数据经过enc28j60到达接收方，数据的处理如图9所示。PC端发送的原始数据进入应用层后便会给加上一APP头再传输给传输层，传输层又在上层传输来的数据基础上再加上自己的TCP头成为TCP数据包传输给网络层，网络层为其加上IP头成为IP数据包传输给LLC层加上该层特有的头文件成为LLC数据包到达MAC层后加上控制信号就能与物理层进行传输。最终由物理层的PHY层转化出能在网线上传输的位流，在接收方则是逆过程。上述过程如图9所示。

程序的验证流程如图10所示。打开电脑的浏览器输入需要控制的路灯的IP地址，创建连接后STM32的IP地址和端口号也就固定下来，这时enc28j60模块会不断的监听网线上是否有连接请求。当收到请求并同意后，mcu便开始接收数据包，并返回调函数进行响应。

控制信息从控制中心发送到路灯控制器的流程如图11所示。一开始控制中心通过载波模块和电力线发送数据给以太网模块，模块会判断是否收到确认帧。当确认收到该帧时则将数据发送给STM32路灯控制器进行二次确认等待下一数据到达，否则返回给控制中心一个发送失败的信号，请求重新发送。这样循环下去直到数据发送完毕，若数据发送超时则等待下一次发送。

当stm32芯片收到控制信息时，系统的响应流程图如图12所示。stm32收到PC机发送来的控制信息后，先是芯片的各个引脚初始化使能成功，紧接着外接的模块初始化成功后开始搜集数据。stm32判断搜集数据是否完毕，若完毕则开启enc28j60模块将采集到的数据通过网线传输出去进入电力线进行远程传输；若发现没有数据没有搜集完毕则返回信号让从设备继续搜集。

网络模块enc28j60的初始化流程如图13所示。程序一开始先将串口、SPI接口等各部分初始化用systick来为LWIP提供定时和轮询输入功能。初始化LWIP协议栈给下层的初始化网卡、发送数据包、接收数据包等操作提供驱动接口。WEB server操作提供在网页上显示，Telnet提供允许电脑远程控制stm32。

如图14所示，在主机接收端通过大数据技术，将雷达数据、图像信息以及路灯数据进行储存，利用这些数据与从电力线实时解调的节点信息进行分析比对，找出异常信息，提高预警的精度。接收到的信息经过长期的积累，可以形成一定区域内的路面情况表和路灯故障信息的报表，提高工作效率。

嵌入式主控电路的设计如图15所示，本设计是一种基于STM32VET6芯片的智能控制电路，电路中包含振荡电路、复位电路以及点源电路。以STM32作为主控芯片，协调各模块间的通信，通过电力载波传输数据，组成完整的控制系统，进行智能化管理。

图16为摄像头引脚与STM32引脚的连接所示。摄像头模块在整个智能模块中起着关键的作用，是实现路面的实时监控的基础，是对雷达信号的准确度的一个保障，对雷达信号传来的告警信号能够进行二次判断，达到双保障。

通常带有FIFO存储器的摄像头有18到22个引脚，本设计采用的摄像头是型号为W5500，引脚数为20。先将摄像头模块初始化后，STM32的中断寄存器会收到一个来自摄像头的场中断信号，此时摄像头会将摄像头数据缓存入数据缓存器中。当STM32第二次收到来自摄像头的场中断信号，就说明了图像数据已经成功缓存进数据缓存器，这时场中断关闭，WEN引脚将被置为高电平，拒绝其他数据进入数据缓存器。完成上述步骤之后，STM32芯片开始读取数据缓存器中的图像数据，并存入内存之中。等待数据读取完毕，场中断将重新开启，重复上述步骤，直到图像数据全部采集完成。

图17是以太网模块的引脚图，以太网模块采用的是ENC28J60，支持全双工和半双工工作模式，具有高速的传输数据，自带检错功能，支持IEEE802.3的以太网控制器。以太网模块通过SPI接口接入STM32芯片，完成配置之后，通过网线连接到主机，成功连接之后，进入用户登陆界面，用户输入正确的帐号密码后进入控制界面，在控制窗口进行控制实验，并且获得来自路灯的反馈信息。以太网通过LWIP协议栈实现功能。LWIP协议栈是计算机传输层应用的TCP/IP协议，适用于嵌入式的系统，可以移植到任意操作系统。这样可以通过数据报文，以TCP/IP协议来实现路灯与主机之间的双工通信，路灯与路灯之间通信。数据在电力线上正如广播模式下的数据供每个设备提取，实现数据共享。

如图18所示，DSP使用内部振荡器时在X1/XCLKIN与X2引脚间连接30MHz的晶振，上拉电容MP/MC引脚控制微处理器和微控制器模式，实验测试时，将DSP置于MC模式，即可仿真烧写程序，进行在线调试。XF是输出引脚，可以直接连接输出器件，使用GPIO功能，连接在高电平，确定使能内部锁相环PLL电路使用内部振荡器时在X1/XCLKIN与X2引脚间连接30MHz的晶振，上拉电容/>MP/MC引脚控制微处理器和微控制器模式，实验测试时，将DSP置于MC模式，即可仿真烧写程序，进行在线调试。XF是输出引，可以直接连接输出器件，使用GPIO功能，连接在高电平，确定使能内部锁相环PLL电路。

如图19所示，DSP数据处理模块是由DSP2812芯片，电源电路，串口部分，AD转换电路，时钟电路，以及JTAG接口等七部分组成。其中AD转换电路是将来自微波雷达模块的模拟信号转化为数字信号，进而接入DSP2812芯片之中，进行数据的处理。JTAG接口是下载程序的接口，始终电路是为整个系统提供时钟，使芯片能够工作。串口电路是为了将采集的数据上传到主机。

如图20所示，模拟信号从ADCA0输入，电容作为一个容抗，与电阻R55并联后对输入信号进行分压。由容抗公式与并联电阻公式/>可知，ω越大，即输入信号频率f越高，5端输入的电压值越小。电路放大倍数为1。考虑到实际应用中的误差以及电路的设计方便，将输入电压限制在0～3.3V。当5端输入电压大于3.3V时，二极管2导通，电压限制在3.3V以下；当电压小于0时，二极管1导通，输入电压接近0V。这样就能够将数据传入到DSP芯片之中，通过判断高电平，等到需要的频率和车辆的估算值。将得到的数据传至STM32芯片上，进行数据的分析判断，如果超过限值，者向上主机告警。

AD变换包含采样，保持，量化等过程，目的是将模拟量转换为数字量，为分析信号做准备。TMS320F2812的ADC模块一共有16个通道，分为A、B两组，每组有8个通道，记为ADCINA0～ADCINA7和ADCINB0～ADCINB7。虽然有多个通道数，但是因为内部只有一个转换器，因此在一个时刻只能对一路信号采样。模块有三种工作模式，分别为A组采样，B组采样还有AB组共同采样。这里的共同指的是采集其一信道的信号。本设计中采用A组顺序采样，使用SEQ1自动排序器，且采样通道为ADCINA0。n位的ADC模块，采集精度为因此模块的精度为/>由于输入的多普勒信号频率范围约为0～4900Hz，根据奈奎斯特定律，为保证信号不失真，采样频率应大于9800Hz。程序设计中，考虑到绘图中频率间隔为整数，设置HSPLK为25MHz,ADC_CPKS为10，CPS为4，采样频率

图21为AD采样相关程序的流程图。程序首先初始化ADC模块与通用输入输出GPIO后，DSP开启中断函数进入数据采集程序，在通道ADCIN0引脚采集数据，由于DSP的AD转换位数为12位，但是AD数据寄存器为16位，因此使用数据操作前向右移四位。保存数据后检查数据个数是否达到2048，没有则继续采集，满2048个则结束此次采集，关中断。

以太网模块的硬件接口如图22所示。MCU即STM32主控制器，通过SPI接口由SI、SO、SCK构成MCU与ENC28j60模块间的通信信道。由/>构成总线接口来解析通过SPI接收到的数据和命令。在ENC28j60模块的内部系统中TX/RX缓冲器用来接收和发送数据，实现以太网的功能。在发送数据时，PHY接收MAC传输来的数据(由于PHY并不能识别帧数据，对于PHY而言，不论是地址、数据还是CRC都统一看成数据进行处理)，紧接着将并行数据转变为串行数据，再根据物理层的编码规则对数据进行编码，最后将数据变为模拟信号传送出去。接收数据的过程，则与发送时的流程相反。整个的传输过程可以概括为：在传输数据之前，以太网ENC28j60模块会先监听双绞线上有无载波信号在传输。有信号就判断有别的路灯在发送数据，继续监听传输信道。如果监听到有一段时间内信道内没有信号传输时，即信道没有被别的路灯占用，就可以发送本路灯的数据信号，为了避免冲突，此时还要继续监听网线通道上是否有信号传输。在数据发送的时间里，若是监测到有别的路灯也在发送，就马上停止本次的传送，并且通过网线发送“阻塞”信号，告知控制中心该信道上存在着冲突，以此来筛除那些一直在重复传输的无用信号，确定等待的时间长短(通过退避算法来确定)。等待相应的时间后再重传，若是重传次数过多则舍弃。接收的时候，数据帧的长度被限制在一定的范围内，超出这个范围的都将被判断为无效给舍弃，只有在该范围内才会判定为有效。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种基于电力载波路灯杆智能系统，包括微波雷达模块、DSP处理模块、摄像头、STM32芯片、路灯控制模块、以太网模块、主机和智能模块，其特征在于，所述以太网模块分别连接STM32芯片、主机和智能模块，所述智能模块有多个，主机还连接大数据系统，STM32芯片还分别连接DSP处理模块、摄像头和路灯控制模块；

信息在电力线上的交互程序与逻辑：

发送方的数据经过以太网模块的通信到达接收方，PC端发送的原始数据进入应用层后便会给加上一APP头再传输给传输层，传输层又在上层传输来的数据基础上再加上自己的TCP头成为TCP数据包传输给网络层，网络层为其加上IP头成为IP数据包传输给LLC层加上该层特有的头文件成为LLC数据包到达MAC层后加上控制信号就能与物理层进行传输，最终由物理层的PHY层转化出能在网线上传输的位流，在接收方则是逆过程；

控制中心通过载波模块和电力线发送数据给以太网模块，模块会判断是否收到确认帧，当确认收到该帧时则将数据发送给STM32路灯控制器进行二次确认等待下一数据到达，否则返回给控制中心一个发送失败的信号，请求重新发送，这样循环下去直到数据发送完毕，若数据发送超时则等待下一次发送；

当stm32芯片收到控制信息时，先是芯片的各个引脚初始化使能成功，紧接着外接的模块初始化成功后开始搜集数据，stm32判断搜集数据是否完毕，若完毕则开启太网模块的通信模块将采集到的数据通过网线传输出去进入电力线进行远程传输；若发现没有数据没有搜集完毕则返回信号让从设备继续搜集；

在主机接收端通过大数据技术，将雷达数据、图像信息以及路灯数据进行储存，利用这些数据与从电力线实时解调的节点信息进行分析比对，找出异常信息，接收到的信息经过长期的积累，可以形成一定区域内的路面情况表和路灯故障信息的报表；

所述智能系统的工作原理：采用以电力线为载体通过以太网传输数据，每一个智能控制模块通过220V市电达到互相通信的目的，在控制主机上进行实时监测与控制，使其完成主机与路灯、路灯与路灯之间的相互通信的功能，以及实现对路面情况的实时反馈；总体的拓扑结构包括：路灯、智能控制模块、以太网传输模块、电力线、主机五部分组成；智能模块负责对路面的监控，路灯的控制，以太网模块主要负责数据共享，主机负责数据处理，利用现有的大数据系统，对接收到各节点的路灯信息进行对比分析，达到精确告警，指令的下达，电力线主要负责数据的传输的载体；

STM32芯片再将采集到的模拟信号转化为数字信号通过电力线发送到主机进行数据处理分析，电力载波模块组网成功之后，电力载波模块是将来自其他路灯杆的信息调制上电力线，在电力线上传输，然后送至STM32芯片，STM32芯片接入以太网，控制中心提取数据接收并处理完毕，STM32芯片等待主机的调取指令或者向上主动告警，通过以太网传输模块将数据上传到电力载波模块调制到电力线上，各路灯节点提取数据，并做出应答。

2.根据权利要求1所述的一种基于电力载波路灯杆智能系统，其特征在于，所述智能模块有多个。

3.根据权利要求1所述的一种基于电力载波路灯杆智能系统，其特征在于，所述微波雷达模块包括X频段雷达模块、预处理电路和DSP处理器。