基于GPRS的智能路灯远程监控系统的研究

路灯管理是城市管理中技术含量较高、难度较大的一项工作，随着路灯设施数量的增加，传统人工管理的弊端日趋明显。（1）耗费较大的人力和物力，大幅度的提高了管理的费用；（2）不能实现监控路灯设施的运行状况，造成设施故障信息的滞后性，不能及时进行维护，影响市民夜间出行安全，存在诸多安全隐患；（3）电网供电情况发生变化时，路灯设施的馈入功率不能随电网电压的变化实时控制，造成大量的能源浪费，降低了电能的使用效率，缩短了灯具的使用寿命。伴随着数字技术和网络技术的飞速发展，人们对路灯系统的数字化和网络化管理进行了研宄，不但可以达到节约能源、延长灯具使用寿命的目的，同时还能够提高城市建设的管理水平，保障市民夜间出行的安全，降低交通事故的发生率。 随着人民生活水平的提高，公共路灯的监控越来越重要经过近年来的研宄和实践，虽然目前国内的路灯监控系统在功能、技术性能和工作可靠性等方面达到了一定的水平。 但是，在稳压方面仍存在许多缺点和需要改进的地方。智能化、网络化、实时化、精确化和动态化己经成为现代城市道路照明管理系统发展的必然趋势。 1系统模型设计及系统通信机制1系统模型设计智能路灯监控系统主要由监控中心、智能路灯控制器和若基金项目：山东省技术创新项目智能化节电技术（200891907009）。 化检测与自动控制技术方向的研宄。 干个路灯节点组成。监控中心PC机对整个路灯监控系统的运行集中管理，包括进行远程实时控制、系统运行信息的采集和监测。智能路灯控制器负责所辖路段的智能化照明控制、解析执行管理中心指令和采集上报运行数据。路灯节点负责单个路灯的控制和状态检测。智能路灯控制器和监控中心之间采用GPRS进行数据传输，路灯节点和智能路灯控制器之间采用电力线载波通信方式进行数据传输。系统模型如所示：系统模型首先，通过对光照的采集，由智能路灯控制器判断路灯照明系统（由一条街的数十、甚至上百盏路灯组成）是否需要开启，如需要运行则由功率开关单元来完成路灯的软启动。路灯打开后，路面安装的声学传感器采集车流量与人流量所发出的声信号，由智能路灯控制器发出控制信息，通过功率开关单元控制无触点变压器来决定路灯输出电压的大小。如果实时车辆与人流量较大，需要照度较高，系统根据需求自动调高路灯的输出电压；相反，系统自动降低路灯的输出电压。 1.2系统通信机制系统中每台从机均分配有一个**的从机地址。主机与从机通信时，主机先呼叫某从机地址，唤醒被叫从机后，主、从两机之间进行数据交换，未被呼叫的从机则继续进行各自的工作。单片机通过对多机通信控制位SM2进行置位和复位来控制正确接收地址和数据信号，在返回数据时通过设TB8为0或1来区别返回的是数据还是地址。 通信协议中规定：（1）单片机以方式3进行通信，地址帧用1表示，数据帧用0表示；（2）设定通信的波特率为（3）地址帧01H~FFH，代表从机地址；（4）00H是以地址帧形式发送的一条对所有从机起作用的控制命令，命令各从机恢复SM2=1，等待接收状态。 2系统硬件设计21智能化路灯控制器硬件主要是由声音传感器、光电传感器、信号放大器、V/F转换器、单片机、触发电路和开关电路等组成。 光信号通过光电传感器转变成电信号，电信号经过放大、A/D转换后送给微处理器，控制路灯的开关。声音信号通过声音传感器变成电压信号，电压信号经过放大器送给A/D模数转换器，并将电压信号转换成频率脉冲信号，根据声音大小的不同，得到不同的频率脉冲数据，送到微处理器后，通过一系列的计算分析，就可以得到控制信号，然后将数据送到D/A数模转换器转变成摸拟信号，送给触发电路，*后由触发电路驱动功率开关单元。通过控制开关单元的关断，使被控对象可以得到相应的电压，其硬件结构图如所示。 21.1微处理器本系统采用的是AT89S52型号的单片机，AT89S52是一种低功耗、高性能的含有8k字节快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造。芯片上的FPEROM允许在线或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。 AT89S52单片机在高温环境中稳定性妊支持在线编程ISP，无需专用的编程器方便调试，为众多嵌入式控制应用提供了一个高效灵活的解决方案它的作用是负责驱动GPRS模块与外网的连接，接收并处理GPRS模块上传来的数据包，组装或生成要发送数据包传送给GPRS模块控制继电器通断以及对采集到的数据进行运算等。 2为A/D转换电路的连接端口，P13、P15、P17为D/A转换电路的连接端口，P1 4为声音传感器的接口，P16为光线传感器的接口。 212GPRS无线通信模块系统的GPRS模块选用的是西门子公司的无线数据传输模块MC35i支持数据、短信、语音和传真业务。MC35i是新一代GSM/GPRS双模模块，完全兼容上一代的MC35、TC35i采用紧凑型设计为用户提供了简单、内嵌式的无线GPRS连接。MC35i的GPRS永久在线功能提供了*快的数据传输速率。 MC35i模块有40个引脚，通过一个ZIF（ZeroInsertionFor（e零阻力插座）连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。第1~14脚为电源部分：1~5为电源电压输入端VBATT+，6~10为电源地GND，11、12为充电引脚，13为对外输出电压（供外电路使用），14为ACCU―TEMP接负温度系数的热敏电阻。24~29卡引脚，分另I为CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC和CCGND.33~40为语音接口，用来接电话手柄。15、30、31和32脚为控制部分：15为点火线IGT（Ignition）当TC35i通电后必须给IGT―个大于100ms低电平模块才启动；30为RTCbackup），该模块是采用AT指令进行控制的，采用AT指令可以实现模块参数的设置实现数据的发送与接收。外围电图如所示。 在硬件连接完成后，GPRS上网操作之前，首先要对GPRS模块进行一定的设置。主要的设置工作有以下几个方面38400命令，把波特率设为384001/s或其它合适的波特率，默认的通信速设置移动终端的类别为B类，即同时监控多种业务；但只能运行一种业务，即在同一时间只能使用GPRS上网，或者使用GSM的语音通信。 令激活GPRS功能，如果返回OK则GPRS连接成功；如果返回ERROR则意味着GPRS失败。这时应检查一下S1M卡的GPRS业务是否己经开通，GPRS模块天线是否安装正确等问题2路灯节点路灯节点主要完成路灯线路的送、断电控制和线路状态检测功能，同时为了保证在远程控制失效的特殊情况下，可以切换到手动控制方式进行人工控制，还增设了手动控制/自动控制切换按钮。其控制信号由微处理器给定，反馈控制结果返回给微处理器。同时，将采集到的线路的电压、电流、用电量、累计用电量、功率因数以及欠电压和过电压检测结果等参数上传。其中电流和功率信息还被用作电缆状态监测的辅助信息。 3系统软件设计系统的软件主要包括两个部分：（1）数据采集以及传输部分，是以AT89S52单片机为核心的程序设计；（2）监控中心管理软件的设计部分。监控中心数据管理界面采用VB6 0编程，智能路灯控制器中单片机的程序是基于KE1L开发平台采用C51语言编写。这样可以缩短开发周期，降低开发成本，使程序易于调试和维护，可靠性高，可读性和可移植性好1智能路灯控制器软件设计该控制软件主要完成的任务就是系统初始化，定时对信号采样，对采样结果分析和输出控制信号。 31.1主程序其中程序初始化包括对定时器和计数器的初始化，还有D/A数模转换器的初始化，作用是确定工作方式、输入控制字及装入数据等。由定时中断程序负责对声音数据的采集开关由数据采集子程序采集后送到数据处理子程序，处理后输出控制信号，并经延迟后告知主程序。主程序流程图如所示。 31.2通信协议主机首先发布一组读数命令，智能路灯控制器将采集的数据送回主机，还可对现场参数进行设置。数据通信协议如下：I控制器地址I发数长度I功能码I数据域ILRC校验I结束码I，其中功能码主要有：03H（读保存寄存器）、06H（预置单寄存器）、10H（预置多寄存器）等；数据域主要由数据寄存器地址、寄存器个数和寄存器预置数据组成。 31.3模糊控制算法智能控制是门边缘科学，是采用模拟人类的逻辑思维方式去控制对象。智能控制的控制类型有分层递阶智能控制、专家控制、神经网络控制和模糊控制等。经分析后，系统选用了模糊控制，并结合实际情况给出了具体算法。 根据路灯系统的工作情况，模糊控制设有3个语言变量：噪声输入变量偏差E、噪声偏差变化率EC和输出控制量U其中噪声输入变量偏差分为大（PB）、较大（PS）、中（Z）、5个等级，代表了现场噪声的全部状况；噪声偏差变化率也分为5种情况，即变化率强（PB）、较强（PS）、中（Z）、较弱（NS）、弱（NB）。每一语言变量用5个语言值表示：负大NB=―2负小NS=―1，零Z=0，正小PS=l正大PB=2输出控制量U的论域与E和EC相同，为5个等级范围。因此其控制规则表可以用下列关系式近2监控中心软件设计本系统的主机通信界面是采用VB6 0通信控件MSComm编写，MSComm控件具有功能完善的串口数据发送和接收功能，以及良好的人机界面。通信终端软件包括接收采集数据和发送控制命令，参数设置等，以界面的形式进行操作。 表1测试结果平均电压（V）平均电流（A）总电度数测量时间非节电状态1个月节电状态1个月节电率5结束语基于GPRS的智能路灯监控系统集成了先进的自动稳压技术、环境综合智能控制技术、计算机技术及无线通信技术，大大提高了路灯管理水平和服务质量，实现了合理照明、美化照明及安全照明的理念。经现场测试，系统谐波含量少、节电率高，达到了智能节电、延长灯具寿命等多重效果。因此采用该系统对传统的路灯管理系统进行改造，是一种投资少、见效快且效益高的方法，值得推广。