基于ST7580单芯片电力线通信和网络解决方案

　　固态路灯的安装正在全球范围内加快步伐。在全市范围内将这些灯具联网的好处已广为人知，并且期望联网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） 作为网络化户外照明应用中的骨干连接技术的优势。虽然它可以（并且经常）与无线网络技术相结合，但当路灯等节点已经通过自己的主电源网络连接时，PLC 具有明显的优势。

　　参考最近推出的意法半导体 STEVAL-IHP007V1评估套件，它基于ST7580单芯片电力线通信和网络解决方案，加上Echelon SmartServer2.0PL网络、控制和管理设备。

　　控制和连接

　　显着节能和降低维护成本是全球互联户外照明装置增长的主要驱动力。据广泛报道，公共照明可以消耗多达 40% 的市政能源预算。成本节约可能是显着的，估计从 30% 到 70% 不等。这些节省主要是通过安装长寿命、可调光 LED 技术实现的能源效率，以及重要的是，监控照明网络的能力。

　　图 ：连接性是智能路灯的关键，它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）

　　在智慧城市中，连接的固态路灯可以为公用事业、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加入，路灯成为越来越多智能城市应用的核心，从交通监控和停车管理，到环境和天气报告，再到公共安全和安保设施，甚至是互联网热点。

　　全市范围内的能源效率可以为减少 CO 2排放做出宝贵贡献。公共安全改进是大多数城市议程的重点，无论是简单地为夜间驾驶提供更合适的色温、增加事故现场照明的能力、监测污染，甚至是对枪击位置进行三角测量。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覆盖范围更广的宽带通信正变得越来越可行。因此，由于 LED 技术，不起眼的灯柱正成为重要的数据中心。

　　无论是何种应用，关键要求是双向通信、可控性和连接性。根据市场研究公司 Strategies Unlimited 在其最近发布的“互联户外照明报告：2015 年照明分析和预测”中，预计到 2022 年，全球收入将以年均 40% 的速度增长（复合年增长率为 52%）。

　　在连接性方面，已经采用了一系列技术，包括以太网骨干网和低功耗无线网状局域网协议，例如 IP6LoWPAN 和 ZigBee。最近，Wi-Fi 正在成为竞争者。然而，在我们日益无线化的世界中，还有另一种经常被忽视的解决方案：电力线通信 （PLC）。

　　市场报告强调了连接技术，指出尽管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选择，尤其是在隧道和偏远的道路上。然而，无论是有线还是无线，一个突出的问题是各种网络协议之间的互操作性和兼容性的需求，这将促进更具竞争力的市场并刺激更快速的增长。

　　PLC 的好处

　　PLC是转换为LED路灯的城市不应忽视的解决方案。在物联网领域，它已经被证明是智能电网和智能电表应用的热门路线。PLC 已被用于连接尚未更新为固态灯具的街道照明网络。重点是; 该技术已经过验证，并且可以从许多供应商处获得。

　　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。它可以与射频无线网络结合使用，以利用这两种方法的优势。PLC 相对于无线系统的优势包括：不受天气影响、基于电缆的固有安全性以及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，使用 PLC，通信是通过隧道在地下保持的。

　　本质上，PLC 在同时用于电力传输的导体上携带数据。它通过向布线系统添加调制载波信号来运行。不需要额外的数据电缆。PLC 模块可以很容易地安装在灯柱中，并且可能安装在灯杆的底部而不是灯具本身。

　　显然，电源线可能是嘈杂的环境，设计人员需要注意应对可能的干扰。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来自网络上其他设备（例如开关模式电源和逆变器）的噪声干扰。但是，PLC 经常独占使用从 50 到 50 kHz 的整个 PLC 频谱。解决可能干扰的技术包括使用 OFDM（正交频分复用）技术，该技术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射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/网关收发器提供多个节点之间的双向通信，通常使用网状网络拓扑，距离为 2 到 5 公里，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）。一些最近推出的智慧城市基础设施平台现在正在将 PLC 与 IPv6/6lowPAN 网络相结合，无缝结合有线和无线技术。

　　图 ：基于电力线通信的典型自动化路灯网络拓扑。资料来源：Maxim Integrated。

　　双向通信很重要，因此可以将传感器数据和灯状态传输到控制中心，并将开/关和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，但可以根据需要在灯具内部和灯具之间使用辅助射频网络（ZigBee 很流行）。

　　照明领域的主要参与者，包括亿光、欧司朗和飞利浦照明，正与思科、埃施朗和 Paradox Engineering 等跨国系统公司合作，为全市范围内的 LED 街道照明方案建造和安装灯具、驱动器和控制中心。可编程逻辑控制器。在半导体阵营中，包括 STMicroelectronics 和 Maxim Integrated 在内的公司已经开发了关键组件，例如基于微控制器内核的收发器，专门针对 PLC 和街道照明应用进行了优化。

　　集成 SoC 缩短了设计时间

　　例如，意法半导体的ST7580是一款高度集成且灵活的电力线网络片上系统 （SoC）。该器件结合了高性能 PHY 处理器内核、协议控制器和完全集成的用于线路驱动的模拟前端和功率放大器，是一种有效的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组件成本。

　　就在最近，ST 推出了STEVAL-IHP007V1评估板，该评估板被描述为具有管理街道照明网络应用功能的电力线通信模块。它基于 ST7580，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，并具有双通道操作模式、卷积 ECC 和信噪比估计。它还包含一个 128 位 AES 加密块，用于安全通信。安全正成为一个主要问题，因为恐怖分子越来越多地利用通信网络进行破坏性通信或破坏活动。

　　ST 的集成功率放大器可提供高达 1 A RMS的输出电流，并简化了线路耦合网络以实现低成本 BOM。UART 主机接口可用于与外部主机通信，从而实现对设备及其协议栈的远程配置和控制。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。由于其固有的可扩展性和标准接口，ST 的智能路灯系统提供了网络配置和管理的灵活性。

　　开放标准

　　在系统解决方案层次结构中上移一级是 Echelon 的SmartServer 2.0PL PROF SR2网络控制和管理设备。该服务器具有本地和远程控制功能，既可以独立使用，也可以与第三方控制系统集成使用。它具有适用于一系列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。

　　图 ：Echelon 的 SmartServer 连接照明方法，结合了电力线和射频通信技术。

　　SmartServer 2.0PL PROF SR2是内置路灯段控制的 PLC 版本，还支持使用电力线和射频段的路灯控制器的网格重复。通过内部 10/100BaseT 以太网或外部 GSM/GPRS 或 3G 调制解调器进行连接。Echelon 基于 PLC 和 RF 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的路灯网络提供了一个明显的起点。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慧城市中的互联街道照明提供高效、可扩展且具有成本效益的解决方案。