利用公网GPRS的城市照明监控系统--控制网



利用公网GPRS的城市照明监控系统
企业：控制网 日期：2009-05-16
领域：运动控制 点击数：1511











樊立虎
男，汉族，高级工程师，1981年毕业于太原工学院，多年从事城市给排水工作， 2006年起从事城市照明工作，现任长治市照明管理处处长。

摘要：针对长治市城市照明系统管理和维护的要求，开发了一种基于GPRS的城市照明远程控制系统，给出了基于GPRS网络的城市照明管理方案。该方案利用GPRS的优势，通过单片机实现与路灯控制器PLC的通信，实现远程数据传输和控制管理。实际投入运行表明，该系统能有效实现对路灯的远程监控。系统的应用降低了照明管理成本，提高了城市照明服务水平，有较大推广价值。

关键词：照明系统；PLC；远程控制；GPRS

Abstract: According to the management and maintain requirements of the lighting system 
of Changzhi city, we developed a GPRS-based remote control system of the city lighting, and gave the management program of the 
GPRS networks of the city lighting. By making full use of the advantages of the GPRS, 
based on the SCM (singlechip controller) the program realizes the communications between 
the road lamp controllers of PLC, the data transmission, and the remote control. Through 
practical operation, this system can achieve the remote monitoring of the road lamps 
effectively. The application of this system can reduce the management cost of lighting, 
and improve the service level of the city lighting. Therefore, it has a great value of popularization.

Key words: Lighting System; PLC; Remote Control; GPRS

1 引言

    现在的城市照明已从电力系统中划分成为一个公共服务管理机构，对整个城市的道路、景观、公共场所照明进行建设、管理和维护。随着城市的发展，规模的扩大，照明系统也变得十分庞大。长治市城市照明需要将整个城市照明系统进行细分．按城区进行区域化管理。

    随着城市建设的开展，城市跨度增大，照明控制器数量的剧增，分布范围广，给照明系统的管理和维护造成很大的负担，城市照明管理和维护的人员和机构增多，造成资源的浪费，效率低下。现有照明控制器均采用自动独立的控制方式，对全年照明时间进行控制。但是，季节的变化、天气的影响和特殊节日的安排都需要对照明的时间和地点进行调整和控制，现场操作难以实现。现有的无线扩频通信、载波通信由于地理位置、可靠性等限制不能满足照明系统管理和维护的要求。光纤通信是最可靠的通信手段，由于造价高，方案规划投资大，是—种有线方式，不适用于城市照明系统。  随着新一代的移动通信业务CPRS的开展，基于CPRS的无线通信应用越来越广泛，使得城市照明的远程控制系统的实现具有可行性。

2 GPRS技术概述

    GPRS (General Packet Radio Service)通用分组无线业务是在现有的GSM上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供以分组形式的数据传输业务。与原有的GSM比较,GPRS在数据业务承载和支持上具有非常明显的优势：

    (1)通过多个GSM时隙复用，支持更高的数据传输速率，理论峰值达到171.2Kbit/s（CS-42编码方式适用于无线环境好的地区）。

    (2)多网络用户共享同一组GPRS信道，某一用户需要发送或接收数据才会占用信道资源，多用户的业务复用，更有效利用无线网络信道资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输。

    (3)GPRS计费方式灵活，支持按数据流量进行计费；GPRS激活后，可以实现“永远在线”，类似与无线专线网络服务，提高数据实时性，应用范围广。

    (4)GPRS能够为用户提供透明的IP通道，可直接防问Internet中的所有站点和资源。

    另外，GPRS能够支持进行数据传输的同时进行语音通话等，相对于短消息等其他无线数据通信业务，按数据流量收费的价格优势更加明显。

    GPRS是基于GSM网络的，采刚分组技术的GPRS利用了GSM宝贵的无线信道资源，提高信道的利用率，GSM优秀的网络覆盖面，保证GPRS数据传输稳定，对于城市照明控制是一个优秀的通信资源、GPRS在夜间实行半价收费，照明系统数据传输、远程控制都在夜间进行，结合经济效益考虑，GPRS是一个最佳的远程通信实现。

3 城市照明远程控制系统方案

3.1 系统网络结构

    城市照明以道路照明为主，有专门的供电线路和以路段为划分依据的控制器。路灯控制器为远程节点，照明管理中心(局)为临控中心。照明控制需要实时性、可靠性、保密性的数据传输，一般不采用虚拟数据专用网络的接入方式，而采用APN接入方式，申请城市照明专用的APN接入点，管理中心网络服务器通过专线和当地移动通信公司GPRS网络相连，专用路由器接入。移动通信公司发放专用路灯控制器通信和手持计算机通信的SIM卡，在路灯控制器、手持计算机和网络服务器之间构成一条无线虚拟专用通道，满足城市照明远程控制系统的网络要求。

                                       图1   系统通信网络结构图
3.2 系统工作原理

    系统由三部分组成：路灯控制器终端、管理中心服务器和手持客户端。

    (1) 路灯控制器终端由PLC独立控制模块、完成电量采集和模块通信功能的单片机模块、GPRS通信模块等组成，完成数据采集、控制输出、数据通信、故障报警等功能。终端通过GPRS与城市照明管理中心的服务器相连，实现终端的实时通信。单片机控制GPRS模块登录GSM无线移动网络，申请动态IP地址．主动连接管理中心固定IP地址，由管理中心服务器为终端建立和维持Socket连接。

    (2) 管理中心服务器作为整个城市照明系统监控管理中心，对整个城市的照明系统进行集中控制。城市照明管理中心架构稳定服务器系统实现远程监控，采集数据，建立数据库；网络端口设置防火墙，保证系统的安全；采用轮询的Service／Client通信方式，分区域对远程控制终端扫描实时电量数据和路灯控制器的输出状态。

    (3) 手持客户端是以手持计算机作为载体，具有漫游移动功能的GPRS移动客户端。城市照明管理所下属维护人员小组装备手持客户端，现场读取在管理中心服务器数据库中路灯控制器的电量数据，分析数据，实现快速处理路灯控制器故障，提高城市照明管理的维护快速性和机动性。

    系统能够实时监测路灯控制器的运行参数，包括三相电压、三相电流、路灯控制器控制输出和控制器的运行状态参数等。服务器采集电量数据，存储在服务器的数据库中，以曲线图或表格的形式表示，对系统的运行状况进行评估；采集路灯控制器的运行状态和控制输出，反映路灯控制器的工作状态；针对季节的变化、天气的影响和特殊节日的安排．对城市照明的时间和地点进行远程调整．提高城市照明服务水平；在数据出现异常或者控制器人为破坏的情况下，管理中心服务器相应终端报警信号，由管理中心通过对故障点附近手持客户端发送信号，通知维护工人，处理终端故障。

4 路灯控制器硬件实现

                                        图2   路灯控制器硬件结构图

    路灯控制器中采用Siemens的小型可编程逻辑控制器S7-224对路灯照明按照常规独立控制道路照明。GPRS通信采用Siemens的无线通信模块TC35i，终端系统采用洛阳元煜公司的LCS-2000型单片机、Maxim的A/D采样芯片MAXl97、开关稳压电源以及外部接口芯片和器件。

4.1 S7-224

    终端安装现场环境恶劣．采用Siemens的小型PLC来实现照明开关控制，保证现场开关控制的稳定性。在PLC内部设定远程开关控制的优先级比常规时间开关控制要高，通过远程控制实现城市照明系统照明时间、地点灵活控制性。Siemens对外通信端口是RS485标准，在路灯控制器中采用自由通信协议端口与单片机通信。

4.2 TC35i

    终端路灯控制器的远程GPRS通信模块采用Siemens公司的无线GPRS通信模块TC35i。TC35i是Siemens公司推出的新一代上业级无线通信GSM模块。TC35i模块可以工作在双频段，工作在不同的频段功耗分别为2W((GSM900MHZ)  和IW(GSMl800MHZ)。模块有AT命令集接口。为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。

    路灯控制器远程终端通过编写单片机启动程序，应用AT指令，对无线GPRS通信模块TC35i进行初始化设置，设定与服务器通信服务端口。将管理中心服务器地址进行绑定，通过现场的GSM信号设备，接入公共的GSM网络，通过当地移动网络数据中心的APN按入端口，与管理中心连接通信。GPRS连接通过单片机的循环指令执行和服务器的Sockel连接机制实现GPRS无线通信的“永远在线”连接，保证远程控制系统的实时控制响应。

5 路灯控制器软件实现

5.1 PLC程序设计

    Siemens小型PLC系列PPI通信协议对外不公开，在本系统中，采用S7-224的自由口通信方式，从数据传输安全、控制信息保密的角度来制定城市照明管理中心服务器和路灯控制器终端的通信协议格式，PLC接收中断处理程序中对传输控制命令进行解码，响应控制操作，对发送的数据进行编码，通过单片机打包，上传至管理中心服务器。对管理中心的控制命令进行解码，控制输出。

5.2 单片机程序设计

    数据采集采用程序控制方式，采集实时电量数据。与PLC通信，对PLC的状态和电量数据进行组合、编码；处理GPRS的传输数据，发送道PLC控制器。

    GPRS模块TC35i没有内嵌TCP/IP协议，系统中所涉及的通信功能不包括完整的TCP/IP协议族，对TCP/IP协议进行裁剪，采用嵌人式TCP/IP协议，实现对TC35i通信模块的控制．对GPRS传输的数据进行解码、编码功能，实现远程数据传输。

    为解决GPRS无线远程通信存在的干扰和误差，加强系统GPRS无线通信传输数据保密，安全性。单片机与中心服务器约定通信的译码、解码算法。统一控制命令密钥、数据编码方式。单片机中断处理程序中，增加密钥判断，能够识别错误的命令和外来的干扰，  丢弃错误数据；管理中心在数据发送之后，延时对终端监测响应，在数据丢失、破坏的情况下，自动重发控制数据；通过以上措施，保城市照明系统远程控制的准确性和安全性，避免干扰操作．

6 管理中心功能和特点

    城市照明远程控制系统管理中心冗余服务器由二套服务器系列的226通用服务器构成，一套台式机作管理操作。DELL显示器作系统运行状态显示，结合电子地图、道路规划图实时显示控制器运行状态。实现以下功能：

    (1) 实时记录每个路灯控制器终端的三相电流、电压和控制输出状态参数，存储数据。

    (2) 对采集的数据进行分析、计算，以曲线图的形式显示历史电压、电流运行状态。

    (3) 严格控制操作权限，保密与PLC的通信协议的编码解码，实行安全的、保密性高的城市照明远程控制。

    (4) 远程终端报警功能，如断电、断相、过流、过压、三相不平衡、人为破坏路灯控制器等。记录时间，响应报警控制，提高照明系统运行的可靠性。

7 结束语

    开发的基于GPRS城市照明系统．已在长治市区路灯管理处投入试验运行，城市照明系统采用APN的接入方式，网络延迟小，实现远程中央控制。在精简城市照明管理的人员机构、降低照明管理成本，提高城市照明服务水平方面，有很大的应用前景。

    其他作者：代永智，男，汉族，现就职于洛阳元煜自控工程有限公司，从事城市照明自动监控系统研制、开发工作；孙泉，男，汉族，毕业于兰州化工学院工业仪表及自动化专业，现就职于洛阳元煜自控工程有限公司从事城市照明自动监控系统研制、开发工作。

参考文献

[1] 吕捷. GPRS技术[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2001.

[2] 王涵韵, 温文波. 基于GPRS技术的配电网通讯解决方案[J]. 电力科学与工程,2003(4).

[3] 万海鹏, 侯春萍. 甚于8051嵌入式系统的GPRS终端实现[J]．电子技术应用,2004(5).

[4] 李涛, 徐建政. 基于GPRS无线技术的配电变压器监测系统[J]．电测与仪表,2004(6).
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