基于无线通信技术的路灯监控系统设计

　　引 言

　　国家级合肥经济技术开发区位于合肥市南部，是合肥市重要的工业科技中心。近年来，随着经济的发展，辖区内道路不断增多，道路照明和景观照明的要求和数量不断增加。到目前为止，辖区内共有路灯控制柜125只，灯光控制点2 003个。面对众多的控制点，原有的分散式控制方式已经不能满足经济开发区路灯发展和管理的需求。考虑到有线监控方式受到铺设线路的成本、建设周期等因素的限制，制约了路灯的远程控制。因此，本文提出了一种新型的基于GPRS与PLC技术的无线路灯监控系统。

　　1　系统设计

　　系统由路灯监控中心、通信网络和路灯监控终端组成，在路灯监控中心可通过系统软硬件实现自动监控、维护与处理突发事件，同时还可以通过视频监控设备将现场情况、数据报表进行反映和显示，以供用户进行管理和决策。路灯监控终端采集路灯控制柜中每个路灯回路的相关参数，接受由监控中心下达的命令，并通过执行机构完成相关操作。实现路灯l监控终端的自动采集和控制。而路灯监控中心与路灯监控终端间的联络则是通过基于GPRS技术的通信网络来实现的，其基本结构如图1所示。

　　1.1　路灯监控中心的设计

　　路灯监控中心是无线路灯监控系统的核心，其组织构架如图2所示。监控中心通过内部局域网将所用设备连接起来并通过防火墙等设备与因特网相连。监控中心以Windows XP中文版操作系统为平台，在设计上采用了面向用户的视窗化编程语言，融合地理信息系统，支持网络服务功能。操作人员只需轻点鼠标即可进行各项功能操作。路灯监控系统监控软件的流程图如图3所示。通过该软件监控中心可实现的功能如下：

　　（1）通过系统软件，可根据不同需要将监控终端分为不同的功能组，以便对不同灯型、不同区域、不同路段、不同时段进行灵活分组分别进行控制和检测，实现单控、组控以及群控的需要。

　　（2）根据照明设备的不同类型，按嵌层分组模式以时控与光控相结合的方式自动完成遥控开／关全夜灯、半夜灯、凌晨回开灯和饰灯。

　　（3）以设定的周期自动巡测系统内所有终端设备的各项运行参数。

　　（4）采用时间、设备、类型等多种方式对系统的检测数据、告警数据、用户操作记录等进行查询、打印、备份和整理。

　　（5）管理人员在主调度机上可自行增减终端设备并对终端设备的编码、名称、灯型、地理位置、编组等进行组态；系统监控终端数量可随意扩充，数量不受限制，完全满足城市建设需要。

　　此外，该系统还可并入城市光彩亮化自动监控系统、给排水自动监控系统、城市排污自动监控系统等相关市政工程项目，进行统一的控制与管理。实现城市数字化、网格化的管理要求。

　　1.2　通信网络的设计

　　无线路灯监控系统由监控中心与监控终端组成的两级集散式控制系统，而级间通信是根据所传数据的形式、流量、施T地区的条件以及客户的具体需求来确定，可采用多种不同的方式。经过实地的考察和调研，系统采用了中国移动的GPRS无线通信方式进行信息传输。基于GPRS的无线路灯监控系统的架构如图4所示。GPRS模块放置于路灯控制柜内，通过移动通信网的GPRS通信网络实现PLC控制终端与路灯监控中心问的的通信。

　　由于GPRS采用分组交换方式，仅在实际传送和接收数据时才占用无线资源，所以在一定区域内多个用户可以共享一条无线信道，这样大大提高了信道的利崩率。用户可随时与网络保持联系，当没有数据传输时就进入一种准休眠状态释放所用的无线信道给其他用户使用，这样也极大地降低了服务成本。

　　1.3　路灯监控终端

　　目前，无线路灯监控终端设备种类较多，较为常用的有：采用单片机为核心的分布式控制系统，并以此为基础的企业标准终端；以PLC工业总线为特征的终端。

　　以单片机为核心和多种接口电路形成的路灯测控单元，是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。结构小巧，功能多样，抗电磁干扰能力强，价格相对PLC较低。但模块程序的编写无统一的标准，缺少通用性，且硬线连接设备上远不及PLC方便。

　　PLC可处理模拟量、数字运算、人机接口和网络。由其构成路灯测控单元结构小巧，功能多样，抗电磁干扰能力强，工作温度湿度范围很大，且价格相对便宜，特别适用于户外无人值班的设备监控。PLC预集成了多个通信端口，包括以太网和串口（RS一232／485），可方便地接入远传数字电度表，并依据通信协议读取资料，可准确地将本监控点的用电量、电压、电流、有功功率、无功功率等参数上报到监控中心。

　　通过以上对两种控制终端的比较并根据本工程的实际情况，在设计中选择以PLC为控制单元的终端控制器是较为合理的。基于PLC的无线路灯监控终端的系统构架如图5所示。该终端具有如下功能。

　　（1）采集功能。每个监控终端可对路灯控制柜中的模拟量进行采样，直接同现场线路对接，并可根据需要进行扩充。

　　（2）远程抄表功能。自带的RS一485通信接口可方便的接入远传数字电度表，并依据通信协议读取资料，可准确的将本监控点的用电量、电压、电流，有功功率、无功功率等参数上报到监控中心。

　　（3）命令执行功能。可随时接收、判断、执行主站下发的遥控、遥测、遥信等命令，具备现场手动控制功能。

　　（5）交流采样功能。对现场电流电压的采集均直接进行交流采样，采集精度为0.5％，相关数据经处理后送至路灯监控中心。

　　（6）脱机自动运行。具有自控功能，当通信故障或主站停机时，监控终端自动转换为自身时控模式，依照预先设定的时间完成开关灯控制。

　　（7）数据处理功能。自动连续采集、处理设备的各项运行数据，同时将数据存入相关数据变量中，以备主站需要时传送数据。

　　（8）单灯或多灯故障检测功能。可根据线路运行参数计算出阻抗值，与动态存储的终端上、下限告警值进行比较，依据设定的限值检测出单灯或多灯故障信息，同时上报主站。用阻抗法检测单灯或多灯故障的主要优点是可排除电压波动时对故障报警的影响。

　　（9）运行线路故障保护告警功能。在设定时间内连续检测出运行线路故障时，监控终端会首先进行线路保护，同时向主站上报告警状态及告警参数；监控终端预留多个状态量检测口，用以完成供电回路工作状态异常及防盗、防火检测。

　　2　系统的特点

　　2.1　系统优点

　　（1）先进性。系统各环节设计具备良好的兼容性，有效避免局部损坏而导致系统瘫痪，系统能监测和控制不同配置（配置指电气设备的数量）的配电箱，符合自动化监测和控制设计标准。

　　（2）可扩充性。系统软件采用组态设计及在线参数设置，用户可白行增减终端设备，系统硬件采用模块化结构，确保升级或扩充时不改变已有的系统结构，不需淘汰原有的系统设备。系统可扩展城市光彩亮化监控系统功能，还可预留城市给、排水控制系统的各种功能，以及预留城市排污监控系统的接口。

　　（3）系统的可维护性。无线监控终端机选用标准通用的PLC工控产品，稳定性好、可靠性高，便于故障判断和处理，模块及外围器件全部采用导轨式安装，插接式端子，易于维护和更换。

　　2.2　系统功能

　　（1）动态监测城市路灯网络，即在路灯监控中心可了解每个路灯控制柜的开关状态，回路电流、各相电压、亮灯情况、功率因数、运行状态、耗电量等数据，同时可在路灯非通电状态下监测电缆状态信息，对电缆失窃情况实时报警。

　　（2）实时城市道路亮灯信息及有关电量信息在监控终端上直观显示，可以按指定管理区、道路对路灯进行控制，控制中心人员可根据天气、气候变化及时开启、关闭路灯，同时保证区域开关时间的一致性和随意性，可以远程设置某个时间段内部分回路的开关（半夜灯）状态，节约电能。

　　（3）自动计算亮灯率即能根据电压、电流、有功功率和功率因数的变化自动进行亮灯率估算。

　　具有现场手动或远程手动，对监控器各个参数进行设置的功能。

　　（4）可采用时控、光控或两者相结合的控制方式进行自动和手动控制；可采用卫星自动校时系统（GPS），对系统进行自动校时；通过因特网，系统可以实现“三遥”功能即遥控、遥测、遥信。

　　（5）系统需采用多级操作口令和自动密码保护，来对系统实行安全管理；通过不间断的巡检控制终端的运行状态随时接受和处理上报信息；可自动监测路灯损坏情况，将相关信息传送到监测中心及时通知维护人员。

　　（6）可对白天亮灯、晚上非正常熄灯、配电箱电路故障、电压电流越限和供电线路停电等故障进行自动告警；具有记录查询统计功能，可根据年、月、日统计数据进行查询，显示的数据可打印输出。

　　3 　结 语

　　该无线路灯监控系统已于2008年12月通过验收，至今运行良好，该系统使开发区管理单位能够高效、可靠、及时、准确地监测和收集辖区域内的照明、亮化等数据，并对城市集中管理系统的照明运行情况、路灯偷盗情况乃至寿命做出正确分析，同时也为决策者提供了数据和管理执行手段，提高了城市公共设施的综合技术与管理水平。