用于网络室外照明应用的电力线通信解决方案

固态街道照明的安装正在全球范围内加速。这些灯具在全市范围内联网的好处已经得到了很好的认可，并且期望连接的户外照明将为进一步基于网络的智能城市应用提供基础设施，通常作为物联网（IoT）运动的一部分。

本文将电力线通信（PLC）作为网络室外照明应用中的骨干连接技术的优势考虑在内。虽然它可以（并且经常）与无线网络技术相结合，但是当路灯等节点已经通过其自己的主电源网络连接时，PLC具有明显的优势。

参考最近推出的STMicroelectronics STEVAL-IHP007V1评估套件基于ST7580单芯片电力线通信和网络解决方案，以及Echelon SmartServer2.0PL网络，控制和管理设备。

控制和连接

重要节能和降低维护成本是全球联网户外照明设施发展的主要动力。据报道，公共照明可以消耗多达40％的市政能源预算。成本节约可能很大，估计从30％到70％不等。这些节省主要通过安装长寿命，可调光LED技术实现的能源效率来实现，重要的是，能够监控和控制照明网络。

< p>图1：连通性是智能街道照明的关键，使控制和监控能够提供能源效率，更简单的维护和安全功能的实施。资料来源：飞利浦（CityTouch）

在智能城市，连接的固态街道照明可为公用事业，城市和公众带来额外的好处。随着网络技术和一些传感器的增加，路灯成为越来越多的智能城市应用的核心，从交通监控和停车管理，环境和天气报告，到公共安全和安全设施，甚至互联网热点。

全市范围内的能源效率可以为减少二氧化碳排放做出有价值的贡献。公共安全改善在大多数城市议程中都很高，无论是为夜间驾驶提供更合适的色温，在事故现场增加照明的能力，监控污染，甚至是对枪声的位置进行三角测量。同时，使用照明网络基础设施为公民，商业和消费者客户提供更广泛的宽带通信正变得越来越可行。因此，由于LED技术，不起眼的灯柱正在成为重要的数据中心。

无论何种应用，关键要求都是双向通信，可控性和连接性。市场研究公司Strategies Unlimited在其最近发布的“连通室外照明报告：2015年照明分析和预测”中表示，预计到2022年，全球收入平均每年增长40％（复合年增长率52％）。

在连接方面，已采用了一系列技术，包括以太网骨干网和低功率无线网状网本地网络协议，如IP6LoWPAN和ZigBee。最近，Wi-Fi正在成为竞争者。然而，在我们日益增长的无线世界中，还有另一个经常被忽视的解决方案：电力线通信（PLC）。

市场报告强调连接技术，指出虽然无线通信被广泛使用，但有线通信技术将继续成为一系列户外应用的更合适的选择，特别是在隧道和远程道路中。然而，一个突出的问题，无论是有线还是无线，都需要各种网络协议之间的互操作性和兼容性，这将促进更具竞争力的市场并促进更快速的增长。

PLC的好处

PLC是一个不容忽视的城市转换为LED路灯的解决方案。在物联网领域，它已经成为智能电网和智能电表应用的热门途径。 PLC已经被用于连接街道照明网络，但尚未使用固态灯具进行更新。重点是;该技术已经过许多供应商的验证和证明。

利用现有的电力线基础设施进行通信可以节省安装时间和成本。它可以与RF无线网络结合使用，以充分利用这两种方法的优势。 PLC在无线系统上的优势包括：免受天气影响，固有的安全性，因为它是基于电缆的，不受其他网络的干扰。此外，信号传输不能被树木或建筑物等障碍物阻挡;事实上，通过PLC，通过隧道将通信保持在地下。

本质上，PLC在同时用于电力传输的导体上传输数据。它通过向布线系统添加调制载波信号来工作。无需额外的数据布线。 PLC模块可以很容易地安装在灯柱上，也可以安装在灯柱底部而不是灯具本身。

显然，电源线可能是嘈杂的环境，设计人员需要注意防范干扰。这些可能来自多种来源，包括：巨大的负载阻抗变化，选择性PLC载波频率的衰减，以及网络上其他设备的噪声干扰，如开关模式电源和逆变器。但是，PLC通常独占使用50至50 kHz的整个PLC频谱。用于解决可能的干扰的技术包括使用OFDM（正交频分复用）技术，其使用多个载波频率和单载波跳频。解决负载阻抗，线路衰减和噪声干扰的另一种方法是改变发送输出功率和节点之间的载波频率。

在典型安装中，本地集中器/网关收发器提供双向通信在多个节点之间，通常使用网状网络拓扑，距离为2到5 km，具体取决于设备规格。数据通常使用3G/GSM/手机网络传输到安全的服务器和管理系统或控制中心（图2）。最近推出的智能城市基础设施平台现在将PLC与IPv6/6loWPAN网络相结合，无缝结合了有线和无线技术。

图2：基于电力线通信的典型自动路灯网络拓扑结构。来源：Maxim Integrated。

双向通信非常重要，因此传感器数据和灯状态可以传输到控制中心并打开/关闭，并且可以将调光命令发送到每个灯驱动器。虽然PLC主要用于网关和灯具之间的数据传输，但必要时可在灯具内部和灯具之间使用辅助RF网络（ZigBee很受欢迎）。

照明领域的主要参与者，包括Everlight，欧司朗和飞利浦照明公司正在与思科，埃施朗和Paradox工程等跨国系统公司合作，为基于PLC的城市LED街道照明方案建造和安装灯具，驱动器和控制中心。在半导体阵营中，包括意法半导体和Maxim Integrated在内的公司已开发出关键元件，例如基于微控制器内核的收发器，尤其适用于PLC和街道照明应用。

集成SoC缩短设计时间

<例如，意法半导体（STMicroelectronics）的ST7580是一款高度集成且灵活的电力线网络片上系统（SoC）。通过将高性能PHY处理器内核，协议控制器和完全集成的模拟前端和功率放大器相结合，用于线路驱动，该器件实际上是一种单芯片窄带电力线通信解决方案。作为一个完全集成的SoC，它可以节省设计时间以及空间和元件成本。

最近，ST推出了STEVAL-IHP007V1评估板，描述为具有管理功能的电力线通信模块街道照明网络应用。基于ST7580，它还集成了STM32F ARM ® Cortex ® -M3微控制器。该模块适用于EN50065，FCC第15部分和ARIB兼容应用，支持B-FSK，B-PSK，Q-PSK和8-PSK调制，具有双通道操作模式，卷积ECC和信噪比估计功能。它还包含一个128位AES加密块，用于安全通信。随着***越来越多地利用通信网络进行自身的颠覆性通信或破坏，安全性正成为一个主要问题。

ST的集成功率放大器可提供高达1 ARMS的输出电流，线路耦合网络简化为低成本的BOM。 UART主机接口可用于与外部主机通信，从而可以远程配置和控制设备及其协议栈。标准串行通信端口允许设计人员将模块与ST和其他供应商的照明驱动板和镇流器控制器集成。因此，ST的智能街道照明系统具有内在的可扩展性和标准接口，可提供灵活的网络配置和管理。

开放标准

在系统解决方案层次结构中向上移动一步是Echelon的SmartServer 2.0PL PROF SR2网络控制和管理设备。该服务器既可以本地使用，也可以远程控制，可以单独使用，也可以与第三方控制系统集成使用。它具有适用于各种行业标准协议的内置驱动程序，并带有用于设置，监控和数据管理功能的内置网页。

< p>图3：Echelon的SmartServer连接照明方法，结合电力线和RF通信技术。

SmartServer 2.0PL PROF SR2是内置路灯段控制的PLC版本，加上对网格的支持使用电力线和RF段重复路灯控制器。连接通过内部10/100BaseT以太网或外部GSM/GPRS或3G调制解调器。 Echelon基于PLC与RF结合的户外照明开放标准方法已在全球城市部署。

结论

电力线通信为创建连接路灯提供了明显的起点网络。凭借性能和安全优势以及（通常）比RF网络更容易安装，作为系统主干安装的基于PLC的网络可以与无线技术结合使用，以利用这两种方法。本文展示了高度集成和基于开放标准的设备的组合如何为智能城市中的连接街道照明提供高效，可扩展且经济高效的解决方案。