基于宽带电力线载波通信的机场照明单灯监控系统设计

基于宽带电力线载波通信的机场照明单灯监控系统设计摘要：针对传统基于宽带电力线载波通信技术的机场灯光单灯监控系统通信速率低、通信延迟大的问题，提出了一种基于宽带电力的机场灯光单灯监控系统解决方案。提出了载波通信技术。本文首先对窄带电力线载波通信技术和宽带电力线载波通信技术的优缺点进行了比较，简要介绍了基于窄带电力线载波通信的传统单灯监控系统面临的问题。考虑到技术特点，选择宽带电力线载波通信技术开发一种新型的机场照明单灯监控系统。其次，阐述了基于宽带电力线载波通信技术的新型机场照明单灯监控系统的设计开发过程，从系统整体架构方案的制定到本地融合设备的实现，重点阐述了单灯监控模块软硬件开发流程分析。最后，本文搭建了一个测试环境，并通过实验验证了性能指标。测试结果表明，该系统满足设计指标要求，可以提高机场照明单灯监控系统的性能，有效解决传统系统面临的问题，进一步满足机场对机场照明的需求。监测和控制。1、引言机场照明电源电路由恒流调光器、隔离变压器、一次电源线和机场照明灯组成，是保证机场正常运行的重要组成部分，是飞机起飞必备的目视助航设备。复杂天气条件下夜间平稳起飞、降落和滑行[1]。随着民航领域智慧机场理念的深入，机场急需新型的机场照明单灯监控系统，实现机场照明的单灯监控。此外，采用先进的地面运动引导和控制系统(A-SMGCS)[2],为飞机滑行提供先进的路径引导，以提高机场的运营效率，减少碳排放[3]。目前，电力线载波技术主要分为宽带电力线载波技术和窄带电力线载波技术[4]。窄带电力线载波技术，采用BPSK或扩频调制，通信协议为Lonworks自有各种协议，载波频率从9kHz到500kHz,通信速率小于200kbps。宽带电力线载波技术采用OFDM等高性能调制方式，通信协议为TCP/IP或UDP协议，载频2M~34M,通信速率大于1Mbps[5-6]。传统的机场照明单灯监控系统基本采用窄带电力线载波通信技术。由于机场照明电路中隔离变压器和照明负载的影响，高频电力线载波信号衰减很大，系统参数调制难以处理。同时，非正弦波恒流调光器的供电线路中含有大量的谐波分量，使电路中产生不可预测的噪声和干扰源[7]。在实际应用中，虽然窄带具有传输距离远、跨越隔离变压器等优点，但最大通信速率为10kbps[8-9],通信时延仅满足2s的标准要求值[10]。系统性能较差，无法完全满足机场用户对单灯监控的业务需求。利用宽带电力线载波在通信速率和通信时延上的明显优势，利用OFDM等高性能调制方式和完善的中继网络机制[11]，提出了一种基于宽带电力的单灯监控系统解决方案。载波通信，使新型单灯监控系统具备监控功能，性能指标如下：单灯控制精度大于99.9%；系统双向通信延迟小于1.2s;系统最大通信速率大于500kbps。本文将介绍如何利用宽带电力线载波通信技术实现新型机场照明单灯监控系统的开发。通过实验验证系统是否具备灯具监控功能，是否满足设计性能指标要求。2、系统架构设计该系统采用计算机集中控制和分布式数据采集的分布式工作模式[12]，其系统架构如下图1所示。Singlr-ampSinglc-lampSingle-lampmonitoringmonituringmoduleComputer servermoduleSignal coupling nitSignal coupling wnirLocalMain cure of the primary power cableconvergentequipmentShicldiny luyer图1.系统架构。该系统包括：计算机服务器、本地融合设备、单灯监控模块和信号耦合单元。计算机服务器通过互联网与本地融合设备通信，本地融合设备使用一次电力电缆的主芯以及机场照明电路的屏蔽层，与外场单灯监控模块进行数据交换。计算机服务器用于监控远程设备的状态并发送控制命令。本地融合设备的数据用于设备管理、数据汇聚和转发。单灯监控模块实现对机场灯光的监控。信号耦合单元并联在隔离变压器的两端，用于耦合电力线载波信号，降低隔离变压器对电力线载波信号的衰减[13]。本地融合设备前端通讯模块和单灯监控模块后端通讯模块上电后，后端通讯模块根据网络环境和配置参数自动发起组网。整个网络优化收敛后，通信链路网络拓扑形成了一个比较稳定的树状结构，如图2所示。这种结构具有中继传输功能，最多支持16级中继，保证远距离传输系统[14]。即使在运行过程中电路环境发生变化，通信链路也可以通过自动协商设置中继节点，优化传输路径，确保最佳传输路径。Third-levelrelaySTASecond-levelrelaySTASTAFirst-lcyclrclaySTASTASTASTASTACCOSTASTASTASTASTASTASTAFront-endSTABack-cndcommunication modulecommunication modulc图2系统通信链路组网树形拓扑图。3、本地融合设备的设计如何实现后端设备管理和本地数据汇聚转发是本地融合设备需要解决的首要问题。Local convergent equipmentThe core board ofFront-endrommunicationedge computingmodule图3.本地融合设备解决方案。根据本地融合设备的业务需求，提出了本地融合设备的解决方案，如图3所示，包括边缘计算核心板和前端通信模块。它们之间采用扩展网络接口进行数据交换，采用基于IP的PLC-IoT网络实现后端设备管理和办公端数据汇聚转发。边缘计算核心板用于上下行数据交互以及前后端通信模块管理。内置LXC容器[15],方便第三方APP软件的部署和运行，实现用户所需的业务功能，支持RTC温度检测、掉电检测、容器管理、安全启动、白名单证书认证、数据加密TCP、UDP、ICMP、IPv4、IPv6等[16]前端通信模块对宽带电力线载波通信信号进行处理、分析和耦合，通过宽带电力线载波通信技术上传或下载数据，以及实现对终端设备的远程监控。工作频率支持2M-12M范围，通讯接口支持强弱电接口。本地融合设备的数据流包括上行和下行数据流。下行数据流是指边缘计算核心板通过其以太网GE0端口接收来自计算机服务器的数据，通过容器内置的APP软件对前端通信模块进行分析、处理和转发，然后进行前端通信模块将数据编码和调制成电力线载波信号，并将其耦合到电力电缆。上行数据流是指前端通信模块对来自电力电缆的电力线载波信号进行解调解码，将解析后的数据包通过网络扩展口传递到边缘计算核心板，再由内置的APP软件进行处理。容器，最后通过GE0端口将数据传输到计算机服务器。4、单灯监控模块设计4.1硬件设计单灯监控模块方案如图4所示。单灯监控模块可实现机场灯光监控控制和远程数据交换，包括后端通讯模块和主监控模块。后端通信模块具有数据采集功能，通过宽带电力线载波通信上传或下载数据，实现远程数据交换。工作频率从2M