基于低压电力线载波通信技术的路灯监控系统的研究

摘要

城市路灯照明系统因其耗费大量的电能已成为当今社会实现节能减排的重要突破口。引入先进的路灯监控系统，可以极大的提高电能的利用率，降低能耗。基于低压电力线载波通信技术的路灯监控系统以成本低、无需重新布线等优点而成为路灯监控系统的研究重点。文章首先从系统的总体设计方案开始，详细分析了系统的功能并设计了系统的总体结构。此外，通过比较各种通信方式的抗干扰能力及实现难度，选用了扩频通信技术作为载波通信方式，并通过MATLAB软件对扩频通信技术的抗干扰能力进行了仿真和分析。
　　在此基础上，文章详细分析了低压电力线信道的传输特性、低压电力线理想信道传输模型。利用二端口网络理论T参数等效模型，建立了低压电力线带负载信道传输模型，得到了电压电流信号的传输函数，并运用蒙特卡洛模拟方法对信道模型进行仿真及验证，仿真结果表明所建立的带负载信道模型和已有研究结论相吻合，证明了信道模型的可用性，也证明了蒙特卡洛模拟方法应用于低压电力线信道研究的可行性。这为低压电力线信道传输特性的研究提供了一种新的研究方法。
　　其次，根据系统的总体设计方案，分别进行了硬件电路的设计及软件的设计。硬件电路设计从系统的硬件整体结构开始，按电路模块功能分别设计了数据传输电路、载波通信模块、路灯控制电路。软件设计首先设计了系统的总体软件结构，在此基础上从载波信道数据传输协议设计开始，详细分析和设计了数据传输格式及数据传输中继协议。利用模块化的设计思想，分别设计了集中控制器子程序、路灯控制器子程及载波收发子程序。最后是软件设计的重点，引入基于蚁群算法的路由中继策略来提高系统远程控制的可靠性。首先详细分析了路灯分布情况，设计了蚁群路由中继模型，并运用MATLAB软件对模型的可靠性、抗毁灭性进行了仿真验证，仿真结果表明，设计的基于蚁群的路由中继策略可以以最优跳数为依据选择信号传输的路径，在某部分路灯节点损毁时，蚁群路由中继策略能避开这些节点重新选择传输路径。
　　最后，文中对整个系统的运行进行了测试。从硬件电路测试开始，测试了各个信号关键节点的波形；进而进行了系统整机的测试，最后设计了系统的路由中继功能测试方案。测试结果表明，蚁群路由中继具有自动寻址功能。

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第一章 绪 论

§1.1研究背景和意义

§1.2国内外研究现状与发展方向

§1.3论文的研究内容和结构安排

第二章 路灯监控系统的总体方案设计

§2.1系统功能分析

§2.2系统总体结构设计

§2.3载波通信方式的选择

§2.4扩频通信技术

§2.4本章小结

第三章 低压电力线信道模型研究

§3.1低压电力线信道特性分析

§3.2低压电力线无负载信道模型

§3.3低压电力线带负载信道模型

§3.4基于蒙特卡洛方法的信道模型仿真及分析

§3.5本章小结

第四章 路灯监控系统硬件设计

§4.1硬件总体结构设计

§4.2载波通信模块硬件设计

§4.3数据传输电路设计

§4.4路灯监控终端硬件设计

§4.5本章小结

第五章 路灯监控系统软件设计

§5.1软件总体结构设计

§5.2载波信道数据传输协议

§5.3路灯监控系统主程序设计

§5.4载波通信模块主程序设计

§5.5基于蚁群算法的路由中继策略

§5.6本章小结

第六章 实验测试与结果分析

§6.1测试平台设计

§6.2硬件电路测试

§6.3系统整机测试

§6.4路由中继功能测试

§6.5本章小结

第七章 总结与展望

§7.1总结

§7.2展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果