電子設計 發表於 2019-03-29 08:37:00
固態街道照明的安裝正在全球範圍內加速。這些燈具在全市範圍內聯網的好處已經得到了很好的認可，並且期望連接的戶外照明將為進一步基於網絡的智能城市應用提供基礎設施，通常作為物聯網（IoT）運動的一部分。
本文將電力線通信（PLC）作為網絡室外照明應用中的骨幹連接技術的優勢考慮在內。雖然它可以（並且經常）與無線網絡技術相結合，但是當路燈等節點已經通過其自己的主電源網絡連接時，PLC具有明顯的優勢。
參考最近推出的STMicroelectronics STEVAL-IHP007V1評估套件基於ST7580單晶片電力線通信和網絡解決方案，以及Echelon SmartServer2.0PL網絡，控制和管理設備。
控制和連接
重要節能和降低維護成本是全球聯網戶外照明設施發展的主要動力。據報導，公共照明可以消耗多達40％的市政能源預算。成本節約可能很大，估計從30％到70％不等。這些節省主要通過安裝長壽命，可調光LED技術實現的能源效率來實現，重要的是，能夠監控和控制照明網絡。
< p>圖1：連通性是智能街道照明的關鍵，使控制和監控能夠提供能源效率，更簡單的維護和安全功能的實施。資料來源：飛利浦（CityTouch）
在智能城市，連接的固態街道照明可為公用事業，城市和公眾帶來額外的好處。隨著網絡技術和一些傳感器的增加，路燈成為越來越多的智能城市應用的核心，從交通監控和停車管理，環境和天氣報告，到公共安全和安全設施，甚至網際網路熱點。
全市範圍內的能源效率可以為減少二氧化碳排放做出有價值的貢獻。公共安全改善在大多數城市議程中都很高，無論是為夜間駕駛提供更合適的色溫，在事故現場增加照明的能力，監控汙染，甚至是對槍聲的位置進行三角測量。同時，使用照明網絡基礎設施為公民，商業和消費者客戶提供更廣泛的寬帶通信正變得越來越可行。因此，由於LED技術，不起眼的燈柱正在成為重要的數據中心。
無論何種應用，關鍵要求都是雙向通信，可控性和連接性。市場研究公司Strategies Unlimited在其最近發布的「連通室外照明報告：2015年照明分析和預測」中表示，預計到2022年，全球收入平均每年增長40％（複合年增長率52％）。
在連接方面，已採用了一系列技術，包括乙太網骨幹網和低功率無線網狀網本地網絡協議，如IP6LoWPAN和ZigBee。最近，Wi-Fi正在成為競爭者。然而，在我們日益增長的無線世界中，還有另一個經常被忽視的解決方案：電力線通信（PLC）。
市場報告強調連接技術，指出雖然無線通信被廣泛使用，但有線通信技術將繼續成為一系列戶外應用的更合適的選擇，特別是在隧道和遠程道路中。然而，一個突出的問題，無論是有線還是無線，都需要各種網絡協議之間的互操作性和兼容性，這將促進更具競爭力的市場並促進更快速的增長。
PLC的好處
PLC是一個不容忽視的城市轉換為LED路燈的解決方案。在物聯網領域，它已經成為智能電網和智能電錶應用的熱門途徑。 PLC已經被用於連接街道照明網絡，但尚未使用固態燈具進行更新。重點是;該技術已經過許多供應商的驗證和證明。
利用現有的電力線基礎設施進行通信可以節省安裝時間和成本。它可以與RF無線網絡結合使用，以充分利用這兩種方法的優勢。 PLC在無線系統上的優勢包括：免受天氣影響，固有的安全性，因為它是基於電纜的，不受其他網絡的幹擾。此外，信號傳輸不能被樹木或建築物等障礙物阻擋;事實上，通過PLC，通過隧道將通信保持在地下。
本質上，PLC在同時用於電力傳輸的導體上傳輸數據。它通過向布線系統添加調製載波信號來工作。無需額外的數據布線。 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境，設計人員需要注意防範幹擾。這些可能來自多種來源，包括：巨大的負載阻抗變化，選擇性PLC載波頻率的衰減，以及網絡上其他設備的噪聲幹擾，如開關模式電源和逆變器。但是，PLC通常獨佔使用50至50 kHz的整個PLC頻譜。用於解決可能的幹擾的技術包括使用OFDM（正交頻分復用）技術，其使用多個載波頻率和單載波跳頻。解決負載阻抗，線路衰減和噪聲幹擾的另一種方法是改變發送輸出功率和節點之間的載波頻率。
在典型安裝中，本地集中器/網關收發器提供雙向通信在多個節點之間，通常使用網狀網絡拓撲，距離為2到5 km，具體取決於設備規格。數據通常使用3G/GSM/手機網絡傳輸到安全的伺服器和管理系統或控制中心（圖2）。最近推出的智能城市基礎設施平臺現在將PLC與IPv6/6loWPAN網絡相結合，無縫結合了有線和無線技術。
圖2：基於電力線通信的典型自動路燈網絡拓撲結構。來源：Maxim Integrated。
雙向通信非常重要，因此傳感器數據和燈狀態可以傳輸到控制中心並打開/關閉，並且可以將調光命令發送到每個燈驅動器。雖然PLC主要用於網關和燈具之間的數據傳輸，但必要時可在燈具內部和燈具之間使用輔助RF網絡（ZigBee很受歡迎）。
照明領域的主要參與者，包括Everlight，歐司朗和飛利浦照明公司正在與思科，埃施朗和Paradox工程等跨國系統公司合作，為基於PLC的城市LED街道照明方案建造和安裝燈具，驅動器和控制中心。在半導體陣營中，包括意法半導體和Maxim Integrated在內的公司已開發出關鍵元件，例如基於微控制器內核的收發器，尤其適用於PLC和街道照明應用。
集成SoC縮短設計時間
最近，ST推出了STEVAL-IHP007V1評估板，描述為具有管理功能的電力線通信模塊街道照明網絡應用。基於ST7580，它還集成了STM32F ARM ® Cortex ® -M3微控制器。該模塊適用於EN50065，FCC第15部分和ARIB兼容應用，支持B-FSK，B-PSK，Q-PSK和8-PSK調製，具有雙通道操作模式，卷積ECC和信噪比估計功能。它還包含一個128位AES加密塊，用於安全通信。隨著恐怖分子越來越多地利用通信網絡進行自身的顛覆性通信或破壞，安全性正成為一個主要問題。
ST的集成功率放大器可提供高達1 ARMS的輸出電流，線路耦合網絡簡化為低成本的BOM。 UART主機接口可用於與外部主機通信，從而可以遠程配置和控制設備及其協議棧。標準串行通信埠允許設計人員將模塊與ST和其他供應商的照明驅動板和鎮流器控制器集成。因此，ST的智能街道照明系統具有內在的可擴展性和標準接口，可提供靈活的網絡配置和管理。
開放標準
在系統解決方案層次結構中向上移動一步是Echelon的SmartServer 2.0PL PROF SR2網絡控制和管理設備。該伺服器既可以本地使用，也可以遠程控制，可以單獨使用，也可以與第三方控制系統集成使用。它具有適用於各種行業標準協議的內置驅動程序，並帶有用於設置，監控和數據管理功能的內置網頁。
< p>圖3：Echelon的SmartServer連接照明方法，結合電力線和RF通信技術。
SmartServer 2.0PL PROF SR2是內置路燈段控制的PLC版本，加上對網格的支持使用電力線和RF段重複路燈控制器。連接通過內部10/100BaseT乙太網或外部GSM/GPRS或3G數據機。 Echelon基於PLC與RF結合的戶外照明開放標準方法已在全球城市部署。
結論
電力線通信為創建連接路燈提供了明顯的起點網絡。憑藉性能和安全優勢以及（通常）比RF網絡更容易安裝，作為系統主幹安裝的基於PLC的網絡可以與無線技術結合使用，以利用這兩種方法。本文展示了高度集成和基於開放標準的設備的組合如何為智能城市中的連接街道照明提供高效，可擴展且經濟高效的解決方案。
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