基于無(wú)線通信技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引 言

　　國(guó)家級(jí)合肥經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)位于合肥市南部，是合肥市重要的工業(yè)科技中心。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，轄區(qū)內(nèi)道路不斷增多，道路照明和景觀照明的要求和數(shù)量不斷增加。到目前為止，轄區(qū)內(nèi)共有路燈控制柜125只，燈光控制點(diǎn)2 003個(gè)。面對(duì)眾多的控制點(diǎn)，原有的分散式控制方式已經(jīng)不能滿足經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)路燈發(fā)展和管理的需求?？紤]到有線監(jiān)控方式受到鋪設(shè)線路的成本、建設(shè)周期等因素的限制，制約了路燈的遠(yuǎn)程控制。因此，本文提出了一種新型的基于GPRS與PLC技術(shù)的無(wú)線路燈監(jiān)控系統(tǒng)。

　　1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)由路燈監(jiān)控中心、通信網(wǎng)絡(luò)和路燈監(jiān)控終端組成，在路燈監(jiān)控中心可通過系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控、維護(hù)與處理突發(fā)事件，同時(shí)還可以通過視頻監(jiān)控設(shè)備將現(xiàn)場(chǎng)情況、數(shù)據(jù)報(bào)表進(jìn)行反映和顯示，以供用戶進(jìn)行管理和決策。路燈監(jiān)控終端采集路燈控制柜中每個(gè)路燈回路的相關(guān)參數(shù)，接受由監(jiān)控中心下達(dá)的命令，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相關(guān)操作。實(shí)現(xiàn)路燈l監(jiān)控終端的自動(dòng)采集和控制。而路燈監(jiān)控中心與路燈監(jiān)控終端間的聯(lián)絡(luò)則是通過基于GPRS技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.1　路燈監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)

　　路燈監(jiān)控中心是無(wú)線路燈監(jiān)控系統(tǒng)的核心，其組織構(gòu)架如圖2所示。監(jiān)控中心通過內(nèi)部局域網(wǎng)將所用設(shè)備連接起來(lái)并通過防火墻等設(shè)備與因特網(wǎng)相連。監(jiān)控中心以Windows XP中文版操作系統(tǒng)為平臺(tái)，在設(shè)計(jì)上采用了面向用戶的視窗化編程語(yǔ)言，融合地理信息系統(tǒng)，支持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能。操作人員只需輕點(diǎn)鼠標(biāo)即可進(jìn)行各項(xiàng)功能操作。路燈監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控軟件的流程圖如圖3所示。通過該軟件監(jiān)控中心可實(shí)現(xiàn)的功能如下：

　?。?）通過系統(tǒng)軟件，可根據(jù)不同需要將監(jiān)控終端分為不同的功能組，以便對(duì)不同燈型、不同區(qū)域、不同路段、不同時(shí)段進(jìn)行靈活分組分別進(jìn)行控制和檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)單控、組控以及群控的需要。

　?。?）根據(jù)照明設(shè)備的不同類型，按嵌層分組模式以時(shí)控與光控相結(jié)合的方式自動(dòng)完成遙控開／關(guān)全夜燈、半夜燈、凌晨回開燈和飾燈。

　?。?）以設(shè)定的周期自動(dòng)巡測(cè)系統(tǒng)內(nèi)所有終端設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)。

　?。?）采用時(shí)間、設(shè)備、類型等多種方式對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)、用戶操作記錄等進(jìn)行查詢、打印、備份和整理。

　?。?）管理人員在主調(diào)度機(jī)上可自行增減終端設(shè)備并對(duì)終端設(shè)備的編碼、名稱、燈型、地理位置、編組等進(jìn)行組態(tài)；系統(tǒng)監(jiān)控終端數(shù)量可隨意擴(kuò)充，數(shù)量不受限制，完全滿足城市建設(shè)需要。

　　此外，該系統(tǒng)還可并入城市光彩亮化自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、給排水自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、城市排污自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)等相關(guān)市政工程項(xiàng)目，進(jìn)行統(tǒng)一的控制與管理。實(shí)現(xiàn)城市數(shù)字化、網(wǎng)格化的管理要求。

　　1.2　通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

　　無(wú)線路燈監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控中心與監(jiān)控終端組成的兩級(jí)集散式控制系統(tǒng)，而級(jí)間通信是根據(jù)所傳數(shù)據(jù)的形式、流量、施T地區(qū)的條件以及客戶的具體需求來(lái)確定，可采用多種不同的方式。經(jīng)過實(shí)地的考察和調(diào)研，系統(tǒng)采用了中國(guó)移動(dòng)的GPRS無(wú)線通信方式進(jìn)行信息傳輸。基于GPRS的無(wú)線路燈監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)如圖4所示。GPRS模塊放置于路燈控制柜內(nèi)，通過移動(dòng)通信網(wǎng)的GPRS通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PLC控制終端與路燈監(jiān)控中心問的的通信。

　　由于GPRS采用分組交換方式，僅在實(shí)際傳送和接收數(shù)據(jù)時(shí)才占用無(wú)線資源，所以在一定區(qū)域內(nèi)多個(gè)用戶可以共享一條無(wú)線信道，這樣大大提高了信道的利崩率。用戶可隨時(shí)與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)就進(jìn)入一種準(zhǔn)休眠狀態(tài)釋放所用的無(wú)線信道給其他用戶使用，這樣也極大地降低了服務(wù)成本。

　　1.3　路燈監(jiān)控終端

　　目前，無(wú)線路燈監(jiān)控終端設(shè)備種類較多，較為常用的有：采用單片機(jī)為核心的分布式控制系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)終端；以PLC工業(yè)總線為特征的終端。

　　以單片機(jī)為核心和多種接口電路形成的路燈測(cè)控單元，是一種遠(yuǎn)端測(cè)控單元裝置，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。結(jié)構(gòu)小巧，功能多樣，抗電磁干擾能力強(qiáng)，價(jià)格相對(duì)PLC較低。但模塊程序的編寫無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，缺少通用性，且硬線連接設(shè)備上遠(yuǎn)不及PLC方便。

　　PLC可處理模擬量、數(shù)字運(yùn)算、人機(jī)接口和網(wǎng)絡(luò)。由其構(gòu)成路燈測(cè)控單元結(jié)構(gòu)小巧，功能多樣，抗電磁干擾能力強(qiáng)，工作溫度濕度范圍很大，且價(jià)格相對(duì)便宜，特別適用于戶外無(wú)人值班的設(shè)備監(jiān)控。PLC預(yù)集成了多個(gè)通信端口，包括以太網(wǎng)和串口（RS一232／485），可方便地接入遠(yuǎn)傳數(shù)字電度表，并依據(jù)通信協(xié)議讀取資料，可準(zhǔn)確地將本監(jiān)控點(diǎn)的用電量、電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率等參數(shù)上報(bào)到監(jiān)控中心。

　　通過以上對(duì)兩種控制終端的比較并根據(jù)本工程的實(shí)際情況，在設(shè)計(jì)中選擇以PLC為控制單元的終端控制器是較為合理的?；赑LC的無(wú)線路燈監(jiān)控終端的系統(tǒng)構(gòu)架如圖5所示。該終端具有如下功能。

　?。?）采集功能。每個(gè)監(jiān)控終端可對(duì)路燈控制柜中的模擬量進(jìn)行采樣，直接同現(xiàn)場(chǎng)線路對(duì)接，并可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)充。

　?。?）遠(yuǎn)程抄表功能。自帶的RS一485通信接口可方便的接入遠(yuǎn)傳數(shù)字電度表，并依據(jù)通信協(xié)議讀取資料，可準(zhǔn)確的將本監(jiān)控點(diǎn)的用電量、電壓、電流，有功功率、無(wú)功功率等參數(shù)上報(bào)到監(jiān)控中心。

　?。?）命令執(zhí)行功能。可隨時(shí)接收、判斷、執(zhí)行主站下發(fā)的遙控、遙測(cè)、遙信等命令，具備現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制功能。

　?。?）交流采樣功能。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電流電壓的采集均直接進(jìn)行交流采樣，采集精度為0.5％，相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后送至路燈監(jiān)控中心。

　?。?）脫機(jī)自動(dòng)運(yùn)行。具有自控功能，當(dāng)通信故障或主站停機(jī)時(shí)，監(jiān)控終端自動(dòng)轉(zhuǎn)換為自身時(shí)控模式，依照預(yù)先設(shè)定的時(shí)間完成開關(guān)燈控制。

　?。?）數(shù)據(jù)處理功能。自動(dòng)連續(xù)采集、處理設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)存入相關(guān)數(shù)據(jù)變量中，以備主站需要時(shí)傳送數(shù)據(jù)。

　?。?）單燈或多燈故障檢測(cè)功能?？筛鶕?jù)線路運(yùn)行參數(shù)計(jì)算出阻抗值，與動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)的終端上、下限告警值進(jìn)行比較，依據(jù)設(shè)定的限值檢測(cè)出單燈或多燈故障信息，同時(shí)上報(bào)主站。用阻抗法檢測(cè)單燈或多燈故障的主要優(yōu)點(diǎn)是可排除電壓波動(dòng)時(shí)對(duì)故障報(bào)警的影響。

　　（9）運(yùn)行線路故障保護(hù)告警功能。在設(shè)定時(shí)間內(nèi)連續(xù)檢測(cè)出運(yùn)行線路故障時(shí)，監(jiān)控終端會(huì)首先進(jìn)行線路保護(hù)，同時(shí)向主站上報(bào)告警狀態(tài)及告警參數(shù)；監(jiān)控終端預(yù)留多個(gè)狀態(tài)量檢測(cè)口，用以完成供電回路工作狀態(tài)異常及防盜、防火檢測(cè)。

　　2　系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　2.1　系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

　?。?）先進(jìn)性。系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)具備良好的兼容性，有效避免局部損壞而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)和控制不同配置（配置指電氣設(shè)備的數(shù)量）的配電箱，符合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和控制設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

　?。?）可擴(kuò)充性。系統(tǒng)軟件采用組態(tài)設(shè)計(jì)及在線參數(shù)設(shè)置，用戶可白行增減終端設(shè)備，系統(tǒng)硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，確保升級(jí)或擴(kuò)充時(shí)不改變已有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不需淘汰原有的系統(tǒng)設(shè)備。系統(tǒng)可擴(kuò)展城市光彩亮化監(jiān)控系統(tǒng)功能，還可預(yù)留城市給、排水控制系統(tǒng)的各種功能，以及預(yù)留城市排污監(jiān)控系統(tǒng)的接口。

　　（3）系統(tǒng)的可維護(hù)性。無(wú)線監(jiān)控終端機(jī)選用標(biāo)準(zhǔn)通用的PLC工控產(chǎn)品，穩(wěn)定性好、可靠性高，便于故障判斷和處理，模塊及外圍器件全部采用導(dǎo)軌式安裝，插接式端子，易于維護(hù)和更換。

　　2.2　系統(tǒng)功能

　?。?）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)城市路燈網(wǎng)絡(luò)，即在路燈監(jiān)控中心可了解每個(gè)路燈控制柜的開關(guān)狀態(tài)，回路電流、各相電壓、亮燈情況、功率因數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、耗電量等數(shù)據(jù)，同時(shí)可在路燈非通電狀態(tài)下監(jiān)測(cè)電纜狀態(tài)信息，對(duì)電纜失竊情況實(shí)時(shí)報(bào)警。

　　（2）實(shí)時(shí)城市道路亮燈信息及有關(guān)電量信息在監(jiān)控終端上直觀顯示，可以按指定管理區(qū)、道路對(duì)路燈進(jìn)行控制，控制中心人員可根據(jù)天氣、氣候變化及時(shí)開啟、關(guān)閉路燈，同時(shí)保證區(qū)域開關(guān)時(shí)間的一致性和隨意性，可以遠(yuǎn)程設(shè)置某個(gè)時(shí)間段內(nèi)部分回路的開關(guān)（半夜燈）狀態(tài)，節(jié)約電能。

　?。?）自動(dòng)計(jì)算亮燈率即能根據(jù)電壓、電流、有功功率和功率因數(shù)的變化自動(dòng)進(jìn)行亮燈率估算。

　　具有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)或遠(yuǎn)程手動(dòng)，對(duì)監(jiān)控器各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的功能。

　?。?）可采用時(shí)控、光控或兩者相結(jié)合的控制方式進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)控制；可采用衛(wèi)星自動(dòng)校時(shí)系統(tǒng)（GPS），對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)校時(shí)；通過因特網(wǎng)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)“三遙”功能即遙控、遙測(cè)、遙信。

　?。?）系統(tǒng)需采用多級(jí)操作口令和自動(dòng)密碼保護(hù)，來(lái)對(duì)系統(tǒng)實(shí)行安全管理；通過不間斷的巡檢控制終端的運(yùn)行狀態(tài)隨時(shí)接受和處理上報(bào)信息；可自動(dòng)監(jiān)測(cè)路燈損壞情況，將相關(guān)信息傳送到監(jiān)測(cè)中心及時(shí)通知維護(hù)人員。

　?。?）可對(duì)白天亮燈、晚上非正常熄燈、配電箱電路故障、電壓電流越限和供電線路停電等故障進(jìn)行自動(dòng)告警；具有記錄查詢統(tǒng)計(jì)功能，可根據(jù)年、月、日統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，顯示的數(shù)據(jù)可打印輸出。

　　3 　結(jié) 語(yǔ)

　　該無(wú)線路燈監(jiān)控系統(tǒng)已于2008年12月通過驗(yàn)收，至今運(yùn)行良好，該系統(tǒng)使開發(fā)區(qū)管理單位能夠高效、可靠、及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)和收集轄區(qū)域內(nèi)的照明、亮化等數(shù)據(jù)，并對(duì)城市集中管理系統(tǒng)的照明運(yùn)行情況、路燈偷盜情況乃至壽命做出正確分析，同時(shí)也為決策者提供了數(shù)據(jù)和管理執(zhí)行手段，提高了城市公共設(shè)施的綜合技術(shù)與管理水平。