Intelligente Straßenbeleuchtungen

Bild 2: Firmware-Struktur des Powerline-Modems.STMicroelectronics

Die Firmware, mit der das in Teil 1 beschriebene Netzwerkmodell implementiert wird, ist in mehrere Schichten unterteilt, die jeweils für bestimmte Operationen zuständig sind.

Die oberste Schicht der Firmware besteht aus der Anwender-Firmware, die in diesem Fall das Straßenbeleuchtungs-Protokoll implementiert (Bild 2). Auf dieser Ebene sind auch die Zustandsautomaten für das Leuchtenmanagement eingerichtet, mit denen Befehle mit den Stromversorgungen der einzelnen Straßenleuchten (ein, aus, dimmen) ausgetauscht werden. An die Powerline-Modems können drei Frame-Typen gesendet werden. Daten-Frames enthalten die zu sendenden Anwenderdaten beziehungsweise die aus der Stromversorgung der Leuchte gelesenen Parameter (Leuchte ein, Leuchte aus, Dimmungsgrad sowie Lampenleistung, Lampenspannung, Umgebungstemperatur und so weiter). Programmier-Frames enthalten die Programmier-Parameter des jeweiligen Knotens (beispielsweise eindeutige Knoten-Adresse und im Flash-Speicher abzulegende Anwenderdaten). Schließlich gibt es die Service-Frames, in denen sich Parameter sowie die PLM-Stack-Parameter (zum Beispiel Timing, Daten, Zahl der Wiederholungen), der Knoten-Takt sowie Werte zur Einstellung der Knoten-Betriebsart befinden – je nach dem zu implementierenden Netzwerkmodell (mit oder ohne Empfangsbestätigung, Broadcast-Verhalten, Wiederholungsmodus und so weiter).

Ablauf der Datenkommunikation

Alle diese Frames werden durch die Application Engine gemanagt, die als Koordinator für die in den Knoten übertragenen Informationen fungiert. Die Daten-Frames mit den Anwenderdaten werden von dieser Engine vom User Level an den PLM Stack Level übergeben. Dort werden sie verpackt und durch ergänzende Angaben wie beispielsweise FEC und CRC-Prüfsumme (Cyclic Redundancy Check) ergänzt und schließlich an das PLM übertragen. Wenn umgekehrt am PLM gültige Informationen eintreffen, werden diese vom PLM-Stack behandelt: verfälschte Daten werden per FEC korrigiert und auch die CRC-Prüfsumme wird überprüft. Werden dann gültige Daten decodiert, werden diese an die Engine weitergereicht, die sie daraufhin bestimmungsgemäß behandelt und adressiert. Wiederholungen, das nötige Timing und die Bestätigungen werden direkt vom PLM-Stack gemanagt, ohne die Applikations-Engine in Anspruch zu nehmen.

Bild 3: Ablauf der Datenkommunikation (mit einer Wiederholung).STMicroelectronics

Geht für ein Daten-Frame kein Bestätigungssignal vom adressierten Knoten ein, wird der Frame von benachbarten Knoten, die den Daten-Frame registriert haben und deren Wiederholungs-Funktion aktiviert ist, nach Ablauf des Acknowledge Timeouts weitergeleitet (sofern das Frequenzband nicht schon durch einen anderen Knoten belegt ist). Dieser Wiederholmechanismus wird direkt von der PLM Stack Engine gemanagt. Er erfolgt für jeden Knoten einmal, bis entweder der Bestätigungs-Frame erkannt wird oder jeder Knoten den Daten-Frame wiederholt hat (Bild 3). Der beschriebene Wiederholungsmechanismus ist auch für den Bestätigungs-Frame eingerichtet (falls dieser vom Master nicht empfangen wird).

Jede Firmware-Schicht fügt dem ursprünglichen Frame bestimmte eigene Informationen hinzu. So kommt es, dass sich beispielsweise die 100 Anwender-Byte aus der Applikations-Engine bis zum Erreichen der Powerline-Schicht mehr als verdoppeln. Hauptursache hierfür ist die zu jedem Byte hinzugefügte FEC-Redundanz, mit der sich verfälschte Informationen nach Ankunft im Zielknoten korrigieren lassen. Der Netzwerkverkehr reduziert sich also, wenn die Netzleitung nicht extrem verrauscht ist, da der FEC-Algorithmus die verfälschten Informationen reparieren kann.

Jeder Frame enthält neben Ziel‑ und Quelladresse eine Reihe weiterer Parameter. Zum Beispiel gibt ein Flag-Byte das Netzwerkmodell an (es signalisiert also, ob für diesen Frame keine Wiederholung erfolgen soll, ob auf die Bestätigung gewartet wird und so weiter). Eine Frame-ID verhindert außerdem, dass es zu mehrfachen Wiederholungen desselben Frames kommt. Hinzu kommen die 16 Byte des CRC, das Preamble‑, Header‑ und Postamble-Byte des Modems und so weiter.

Das so genannte Hopping ist ein weiterer Mechanismus, der die Wiederholungen betrifft. Bei dem Hop-Level handelt es sich um einen vom Anwender definierbaren PLM-Parameter, der bei den Wiederholungen eine gewisse Hierarchie einrichtet. Wenn ein Frame wiederholt werden muss, aber sein Hop-Level kleiner ist als der gespeicherte PLM-Parameter, wird der Frame ignoriert. Normalerweise wird die Hierarchie entsprechend der Entfernung und abhängig vom Störaufkommen in der Umgebung gewählt. Je näher sich ein Knoten am Konzentrator befindet (bei eingeschalteter Wiederholungsfunktion), umso höher wird der Hop-Level gewählt. Auf diese Weise wird der durch unnötige Wiederholungen entstehende Traffic vermindert.

Auch eine Netz-Gruppierung ist eingerichtet. Wird dieses Feature vom Anwender aktiviert, werden die ersten beiden Byte der insgesamt 6 Byte umfassenden Frame-Adresse als Gruppenadresse betrachtet. Alle Frames mit einer von der jeweiligen Gruppe abweichenden Gruppenadresse werden in diesem Fall ignoriert. Auf diese Weise können an einer Powerline mehrere Netzwerke betrieben werden, ohne dass sie sich gegenseitig behindern.

Grafische Benutzeroberfläche

Bild 4: Grafische Benutzeroberfläche der Fernbedienung mit PLM-Kommunikation.STMicroelectronics

Die aktuelle Firmware-Implementierung ist für alle Gerätetypen (Master, Slave oder Repeater) gleich. Der PLM-Stack kann im Einzelfall am Datenkontext erkennen, ob der Zustandsautomat für Master, Slave oder Repeater ausgeführt werden muss.

Für den Test sowie für das manuelle Management der Features einer Straßenleuchte steht eine spezielle grafische Benutzeroberfläche zur Verfügung (Bild 4). Damit können – entweder gezielt für einen bestimmten Knoten oder nach dem Broadcast-Verfahren – die PLM-Parameter für die einzelnen Leuchten gesetzt werden (ein, aus, Dimmungsgrad), oder es lassen sich sämtliche Lampenparameter (Status, Leistung, Busspannung und so weiter) auslesen. Das auf einem PC laufende Graphical User Interface (GUI) kommuniziert per RS232-Interface mit den einzelnen Knoten. Im Anschluss an die Programmierphase, in der jedem Knoten eine eindeutige Adresse zugewiesen wird, wird im PC eine Datenbank eingerichtet und gespeichert, in der alle installierten Knoten verzeichnet sind.

Im HID-Teil kann der Anwender sämtliche manuellen Bedienhandlungen an den Leuchten vornehmen, die mit einem in der Datenbank enthaltenen Knoten verbunden sind. Durch Setzen des Broadcast-Häkchens lassen sich alternativ alle Knoten auf einmal adressieren.

Ein besonderer Abschnitt der GUI (Fernbedienung mit PLM-Kommunikation) gibt dem Anwender die Möglichkeit zum Einrichten eines Profils mit Ein‑, Aus‑ und Dimmungs-Operationen für einen bestimmten Knoten, wobei jeder Lampenfunktion eine Uhrzeit zugewiesen wird. Sobald die zuvor gespeicherte Uhrzeit erreicht ist (jeder Knoten enthält eine eigene Echtzeituhr), führt der Knoten die entsprechende Operation mit der Lampe aus. Zurzeit können im PLM-Datenspeicher bis zu sechs Schritte gespeichert und ausgeführt werden.

Ein Log-Fenster dient zum Überprüfen der Ergebnisse aller Operationen, die über die Oberfläche ausgeführt werden. Angezeigt werden außerdem beispielsweise etwaige Modem-Resultate und Fehler.

PLM-Knoten als Dongle

Bild 5: Der als Dongle ausgeführte PLM-Netzwerkknoten STEVAL-IHP003V1. STMicroelectronics

In der Lösung von STMicroelectronics basiert die Hardware des PLM-Knotens auf dem Evaluationboard STEVAL-IHP003V1 (Bild 5). Zur Anbindung an den PLM-Transceiver ist dieses Board mit dem Powerline-Transceiver ST7540 FSK und einem ARM-basierten 32-Bit-Mikrocontroller STM32F103C8 bestückt.

Das System STEVAL-IHP003V1 enthält ein Schaltnetzteil, das speziell auf die Anforderungen bei der Powerline-Kopplung abgestimmt ist. Es ist ferner für einen weiten Netzspannungsbereich ausgelegt und hat die Aufgabe, den Mikrocontroller mit Strom zu versorgen.

Der Mikrocontroller enthält den 32-Bit-RISC-Core ARM Cortex-M3 mit 72 MHz Taktfrequenz und schnellen integrierten Speichern. Mit seinem leistungsstarken Core und seiner umfangreichen Ausstattung an verbesserten I/Os und Peripheriefunktionen unterstützt er alle Funktionen, die das Protokoll zu bieten hat.

Bei dem Baustein ST7540 handelt es sich um ein synchrones/asynchrones Halbduplex-FSK-Modem, das eigens für die Powerline-Kommunikation vorgesehen ist. Es kommt mit einer einzigen Versorgungsspannung aus und enthält einen Leitungstreiber und zwei Linearregler für 5 V beziehungsweise 3,3 V. Die Powerline-Übertragungsrate ist auf 2400 Bit/s eingestellt, kann aber auf 4800 Bit/s heraufgesetzt werden. Die wichtigsten Merkmale des Dongles sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1: Hauptmerkmale des STEVAL-IHP003V1.STMicroelectronics

Über den seriellen Port lässt sich dieser Dongle an einen PC oder ein anderes Board anschließen. In der vorliegenden intelligenten Straßenbeleuchtung wurde der PLM-Dongle mit dem HID-Vorschaltgerät STEVAL-ILH005V2 verbunden, um eine Straßenleuchte fernsteuern zu können. Mit mehrerer solcher Systemen wurde außerdem ein Versuchsnetz aufgebaut. Die Zielsetzung war es hierbei, das PLM-Protokoll einem Praxistest zu unterziehen, in dem mehrere Leuchten von einem PC aus gesteuert wurden.

HID-Vorschaltgerät

Bild 6: Das HID-Vorschaltgerät STEVAL-ILH005V2.STMicroelectronics

Die für den Betrieb der HID-Lampe verwendete Lösung von ST ist das System STEVAL-ILH005V2, das auf einer zweiteiligen Architektur basiert (Bild 6). Die Kombination aus einem im Transition Mode arbeitenden Aufwärtswandler (Power Factor Controller, PFC) und einem Vollbrücken-Wechselrichter ist in der Lage, Halogen-Metalldampflampen und Hochdruck-Natriumdampflampen mit 150 W Leistung mit einer Rechteckwelle niedriger Frequenz anzusteuern. Die wichtigsten Eigenschaften des Vorschaltgeräts können der Übersicht in Tabelle 2 entnommen werden.

Tabelle 2: Die wichtigsten Eigenschaften des STEVAL-ILH005V2 im Überblick.STMicroelectronics

Fazit

Die intelligente Straßenbeleuchtung wurde als eine komplette Systemlösung für das effiziente Management eines öffentlichen Straßenbeleuchtungs-Netzes ausgeführt. Auch eigene Lösungen lassen sich hiermit schnell realisieren. Beide Hardware-Boards sind im Evaluation-Board-Katalog verfügbar, während es den Firmware-Code und die PC-GUI auf Anfrage gibt. Der PLM-Knoten fungiert wie eine elektronische Brücke zum Stromversorgungsnetz und kann an jede elektronische Leiterplatte angeschlossen werden. Diese muss lediglich über eine RS232-Schnittstelle verfügen und in der Lage sein, einfachen Firmware-Code für den Datenaustausch auszuführen. Über diese Brücke lassen sich verschiedene Anwender-Informationen senden und empfangen, um die Straßenleuchten entsprechend den jeweiligen Umgebungsbedingungen anzusteuern und zu überwachen.

(jj)