基于無線通信技術的路燈監控系統設計

　　引 言

　　國家級合肥經濟技術開發區位于合肥市南部，是合肥市重要的工業科技中心。近年來，隨著經濟的發展，轄區內道路不斷增多，道路照明和景觀照明的要求和數量不斷增加。到目前為止，轄區內共有路燈控制柜125只，燈光控制點2 003個。面對眾多的控制點，原有的分散式控制方式已經不能滿足經濟開發區路燈發展和管理的需求。考慮到有線監控方式受到鋪設線路的成本、建設周期等因素的限制，制約了路燈的遠程控制。因此，本文提出了一種新型的基于GPRS與PLC技術的無線路燈監控系統。

　　1　系統設計

　　系統由路燈監控中心、通信網絡和路燈監控終端組成，在路燈監控中心可通過系統軟硬件實現自動監控、維護與處理突發事件，同時還可以通過視頻監控設備將現場情況、數據報表進行反映和顯示，以供用戶進行管理和決策。路燈監控終端采集路燈控制柜中每個路燈回路的相關參數，接受由監控中心下達的命令，并通過執行機構完成相關操作。實現路燈l監控終端的自動采集和控制。而路燈監控中心與路燈監控終端間的聯絡則是通過基于GPRS技術的通信網絡來實現的，其基本結構如圖1所示。

　　1.1　路燈監控中心的設計

　　路燈監控中心是無線路燈監控系統的核心，其組織構架如圖2所示。監控中心通過內部局域網將所用設備連接起來并通過防火墻等設備與因特網相連。監控中心以Windows XP中文版操作系統為平臺，在設計上采用了面向用戶的視窗化編程語言，融合地理信息系統，支持網絡服務功能。操作人員只需輕點鼠標即可進行各項功能操作。路燈監控系統監控軟件的流程圖如圖3所示。通過該軟件監控中心可實現的功能如下：

　　（1）通過系統軟件，可根據不同需要將監控終端分為不同的功能組，以便對不同燈型、不同區域、不同路段、不同時段進行靈活分組分別進行控制和檢測，實現單控、組控以及群控的需要。

　　（2）根據照明設備的不同類型，按嵌層分組模式以時控與光控相結合的方式自動完成遙控開／關全夜燈、半夜燈、凌晨回開燈和飾燈。

　　（3）以設定的周期自動巡測系統內所有終端設備的各項運行參數。

　　（4）采用時間、設備、類型等多種方式對系統的檢測數據、告警數據、用戶操作記錄等進行查詢、打印、備份和整理。

　　（5）管理人員在主調度機上可自行增減終端設備并對終端設備的編碼、名稱、燈型、地理位置、編組等進行組態；系統監控終端數量可隨意擴充，數量不受限制，完全滿足城市建設需要。

　　此外，該系統還可并入城市光彩亮化自動監控系統、給排水自動監控系統、城市排污自動監控系統等相關市政工程項目，進行統一的控制與管理。實現城市數字化、網格化的管理要求。

　　1.2　通信網絡的設計

　　無線路燈監控系統由監控中心與監控終端組成的兩級集散式控制系統，而級間通信是根據所傳數據的形式、流量、施T地區的條件以及客戶的具體需求來確定，可采用多種不同的方式。經過實地的考察和調研，系統采用了中國移動的GPRS無線通信方式進行信息傳輸。基于GPRS的無線路燈監控系統的架構如圖4所示。GPRS模塊放置于路燈控制柜內，通過移動通信網的GPRS通信網絡實現PLC控制終端與路燈監控中心問的的通信。

　　由于GPRS采用分組交換方式，僅在實際傳送和接收數據時才占用無線資源，所以在一定區域內多個用戶可以共享一條無線信道，這樣大大提高了信道的利崩率。用戶可隨時與網絡保持聯系，當沒有數據傳輸時就進入一種準休眠狀態釋放所用的無線信道給其他用戶使用，這樣也極大地降低了服務成本。

　　1.3　路燈監控終端

　　目前，無線路燈監控終端設備種類較多，較為常用的有：采用單片機為核心的分布式控制系統，并以此為基礎的企業標準終端；以PLC工業總線為特征的終端。

　　以單片機為核心和多種接口電路形成的路燈測控單元，是一種遠端測控單元裝置，負責對現場信號、工業設備的監測和控制。結構小巧，功能多樣，抗電磁干擾能力強，價格相對PLC較低。但模塊程序的編寫無統一的標準，缺少通用性，且硬線連接設備上遠不及PLC方便。

　　PLC可處理模擬量、數字運算、人機接口和網絡。由其構成路燈測控單元結構小巧，功能多樣，抗電磁干擾能力強，工作溫度濕度范圍很大，且價格相對便宜，特別適用于戶外無人值班的設備監控。PLC預集成了多個通信端口，包括以太網和串口（RS一232／485），可方便地接入遠傳數字電度表，并依據通信協議讀取資料，可準確地將本監控點的用電量、電壓、電流、有功功率、無功功率等參數上報到監控中心。

　　通過以上對兩種控制終端的比較并根據本工程的實際情況，在設計中選擇以PLC為控制單元的終端控制器是較為合理的。基于PLC的無線路燈監控終端的系統構架如圖5所示。該終端具有如下功能。

　　（1）采集功能。每個監控終端可對路燈控制柜中的模擬量進行采樣，直接同現場線路對接，并可根據需要進行擴充。

　　（2）遠程抄表功能。自帶的RS一485通信接口可方便的接入遠傳數字電度表，并依據通信協議讀取資料，可準確的將本監控點的用電量、電壓、電流，有功功率、無功功率等參數上報到監控中心。

　　（3）命令執行功能。可隨時接收、判斷、執行主站下發的遙控、遙測、遙信等命令，具備現場手動控制功能。

　　（5）交流采樣功能。對現場電流電壓的采集均直接進行交流采樣，采集精度為0.5％，相關數據經處理后送至路燈監控中心。

　　（6）脫機自動運行。具有自控功能，當通信故障或主站停機時，監控終端自動轉換為自身時控模式，依照預先設定的時間完成開關燈控制。

　　（7）數據處理功能。自動連續采集、處理設備的各項運行數據，同時將數據存入相關數據變量中，以備主站需要時傳送數據。

　　（8）單燈或多燈故障檢測功能。可根據線路運行參數計算出阻抗值，與動態存儲的終端上、下限告警值進行比較，依據設定的限值檢測出單燈或多燈故障信息，同時上報主站。用阻抗法檢測單燈或多燈故障的主要優點是可排除電壓波動時對故障報警的影響。

　　（9）運行線路故障保護告警功能。在設定時間內連續檢測出運行線路故障時，監控終端會首先進行線路保護，同時向主站上報告警狀態及告警參數；監控終端預留多個狀態量檢測口，用以完成供電回路工作狀態異常及防盜、防火檢測。

　　2　系統的特點

　　2.1　系統優點

　　（1）先進性。系統各環節設計具備良好的兼容性，有效避免局部損壞而導致系統癱瘓，系統能監測和控制不同配置（配置指電氣設備的數量）的配電箱，符合自動化監測和控制設計標準。

　　（2）可擴充性。系統軟件采用組態設計及在線參數設置，用戶可白行增減終端設備，系統硬件采用模塊化結構，確保升級或擴充時不改變已有的系統結構，不需淘汰原有的系統設備。系統可擴展城市光彩亮化監控系統功能，還可預留城市給、排水控制系統的各種功能，以及預留城市排污監控系統的接口。

　　（3）系統的可維護性。無線監控終端機選用標準通用的PLC工控產品，穩定性好、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軌式安裝，插接式端子，易于維護和更換。

　　2.2　系統功能

　　（1）動態監測城市路燈網絡，即在路燈監控中心可了解每個路燈控制柜的開關狀態，回路電流、各相電壓、亮燈情況、功率因數、運行狀態、耗電量等數據，同時可在路燈非通電狀態下監測電纜狀態信息，對電纜失竊情況實時報警。

　　（2）實時城市道路亮燈信息及有關電量信息在監控終端上直觀顯示，可以按指定管理區、道路對路燈進行控制，控制中心人員可根據天氣、氣候變化及時開啟、關閉路燈，同時保證區域開關時間的一致性和隨意性，可以遠程設置某個時間段內部分回路的開關（半夜燈）狀態，節約電能。

　　（3）自動計算亮燈率即能根據電壓、電流、有功功率和功率因數的變化自動進行亮燈率估算。

　　具有現場手動或遠程手動，對監控器各個參數進行設置的功能。

　　（4）可采用時控、光控或兩者相結合的控制方式進行自動和手動控制；可采用衛星自動校時系統（GPS），對系統進行自動校時；通過因特網，系統可以實現“三遙”功能即遙控、遙測、遙信。

　　（5）系統需采用多級操作口令和自動密碼保護，來對系統實行安全管理；通過不間斷的巡檢控制終端的運行狀態隨時接受和處理上報信息；可自動監測路燈損壞情況，將相關信息傳送到監測中心及時通知維護人員。

　　（6）可對白天亮燈、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行自動告警；具有記錄查詢統計功能，可根據年、月、日統計數據進行查詢，顯示的數據可打印輸出。

　　3 　結 語

　　該無線路燈監控系統已于2008年12月通過驗收，至今運行良好，該系統使開發區管理單位能夠高效、可靠、及時、準確地監測和收集轄區域內的照明、亮化等數據，并對城市集中管理系統的照明運行情況、路燈偷盜情況乃至壽命做出正確分析，同時也為決策者提供了數據和管理執行手段，提高了城市公共設施的綜合技術與管理水平。