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基于GPRS的智能路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究

2016/8/16 9:41:03??????點擊:

路燈管理是城市管理中技術(shù)含量較高、難度較大的一項工作,隨著路燈設(shè)施數(shù)量的增加,傳統(tǒng)人工管理的弊端日趨明顯。(1)耗費較大的人力和物力,大幅度的提高了管理的費用;(2)不能實現(xiàn)監(jiān)控路燈設(shè)施的運行狀況,造成設(shè)施故障信息的滯后性,不能及時進行維護,影響市民夜間出行安全,存在諸多安全隱患;(3)電網(wǎng)供電情況發(fā)生變化時,路燈設(shè)施的饋入功率不能隨電網(wǎng)電壓的變化實時控制,造成大量的能源浪費,降低了電能的使用效率,縮短了燈具的使用壽命。伴隨著數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對路燈系統(tǒng)的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化管理進行了研宄,不但可以達到節(jié)約能源、延長燈具使用壽命的目的,同時還能夠提高城市建設(shè)的管理水平,保障市民夜間出行的安全,降低交通事故的發(fā)生率。

  隨著人民生活水平的提高,公共路燈的監(jiān)控越來越重要經(jīng)過近年來的研宄和實踐,雖然目前國內(nèi)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)在功能、技術(shù)性能和工作可靠性等方面達到了一定的水平。

  但是,在穩(wěn)壓方面仍存在許多缺點和需要改進的地方。智能化、網(wǎng)絡(luò)化、實時化、精確化和動態(tài)化己經(jīng)成為現(xiàn)代城市道路照明管理系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

  1系統(tǒng)模型設(shè)計及系統(tǒng)通信機制1系統(tǒng)模型設(shè)計智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、智能路燈控制器和若基金項目:山東省技術(shù)創(chuàng)新項目智能化節(jié)電技術(shù)(200891907009)。

  化檢測與自動控制技術(shù)方向的研宄。

  干個路燈節(jié)點組成。監(jiān)控中心PC機對整個路燈監(jiān)控系統(tǒng)的運行集中管理,包括進行遠程實時控制、系統(tǒng)運行信息的采集和監(jiān)測。智能路燈控制器負責(zé)所轄路段的智能化照明控制、解析執(zhí)行管理中心指令和采集上報運行數(shù)據(jù)。路燈節(jié)點負責(zé)單個路燈的控制和狀態(tài)檢測。智能路燈控制器和監(jiān)控中心之間采用GPRS進行數(shù)據(jù)傳輸,路燈節(jié)點和智能路燈控制器之間采用電力線載波通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)模型如所示:系統(tǒng)模型首先,通過對光照的采集,由智能路燈控制器判斷路燈照明系統(tǒng)(由一條街的數(shù)十、甚至上百盞路燈組成)是否需要開啟,如需要運行則由功率開關(guān)單元來完成路燈的軟啟動。路燈打開后,路面安裝的聲學(xué)傳感器采集車流量與人流量所發(fā)出的聲信號,由智能路燈控制器發(fā)出控制信息,通過功率開關(guān)單元控制無觸點變壓器來決定路燈輸出電壓的大小。如果實時車輛與人流量較大,需要照度較高,系統(tǒng)根據(jù)需求自動調(diào)高路燈的輸出電壓;相反,系統(tǒng)自動降低路燈的輸出電壓。

  1.2系統(tǒng)通信機制系統(tǒng)中每臺從機均分配有一個唯一的從機地址。主機與從機通信時,主機先呼叫某從機地址,喚醒被叫從機后,主、從兩機之間進行數(shù)據(jù)交換,未被呼叫的從機則繼續(xù)進行各自的工作。單片機通過對多機通信控制位SM2進行置位和復(fù)位來控制正確接收地址和數(shù)據(jù)信號,在返回數(shù)據(jù)時通過設(shè)TB8為0或1來區(qū)別返回的是數(shù)據(jù)還是地址。

  通信協(xié)議中規(guī)定:(1)單片機以方式3進行通信,地址幀用1表示,數(shù)據(jù)幀用0表示;(2)設(shè)定通信的波特率為(3)地址幀01H~FFH,代表從機地址;(4)00H是以地址幀形式發(fā)送的一條對所有從機起作用的控制命令,命令各從機恢復(fù)SM2=1,等待接收狀態(tài)。

  2系統(tǒng)硬件設(shè)計21智能化路燈控制器硬件主要是由聲音傳感器、光電傳感器、信號放大器、V/F轉(zhuǎn)換器、單片機、觸發(fā)電路和開關(guān)電路等組成。

  光信號通過光電傳感器轉(zhuǎn)變成電信號,電信號經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換后送給微處理器,控制路燈的開關(guān)。聲音信號通過聲音傳感器變成電壓信號,電壓信號經(jīng)過放大器送給A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器,并將電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率脈沖信號,根據(jù)聲音大小的不同,得到不同的頻率脈沖數(shù)據(jù),送到微處理器后,通過一系列的計算分析,就可以得到控制信號,然后將數(shù)據(jù)送到D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成摸擬信號,送給觸發(fā)電路,最后由觸發(fā)電路驅(qū)動功率開關(guān)單元。通過控制開關(guān)單元的關(guān)斷,使被控對象可以得到相應(yīng)的電壓,其硬件結(jié)構(gòu)圖如所示。

  21.1微處理器本系統(tǒng)采用的是AT89S52型號的單片機,AT89S52是一種低功耗、高性能的含有8k字節(jié)快閃可編程/擦除只讀存儲器的8位CMOS微控制器,使用高密度、非易失存儲技術(shù)制造。芯片上的FPEROM允許在線或采用通用的非易失存儲編程器對程序存儲器重復(fù)編程。

  AT89S52單片機在高溫環(huán)境中穩(wěn)定性妊支持在線編程ISP,無需專用的編程器方便調(diào)試,為眾多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個高效靈活的解決方案它的作用是負責(zé)驅(qū)動GPRS模塊與外網(wǎng)的連接,接收并處理GPRS模塊上傳來的數(shù)據(jù)包,組裝或生成要發(fā)送數(shù)據(jù)包傳送給GPRS模塊控制繼電器通斷以及對采集到的數(shù)據(jù)進行運算等。

  2為A/D轉(zhuǎn)換電路的連接端口,P13、P15、P17為D/A轉(zhuǎn)換電路的連接端口,P1 4為聲音傳感器的接口,P16為光線傳感器的接口。

  212GPRS無線通信模塊系統(tǒng)的GPRS模塊選用的是西門子公司的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊MC35i支持數(shù)據(jù)、短信、語音和傳真業(yè)務(wù)。MC35i是新一代GSM/GPRS雙模模塊,完全兼容上一代的MC35、TC35i采用緊湊型設(shè)計為用戶提供了簡單、內(nèi)嵌式的無線GPRS連接。MC35i的GPRS永久在線功能提供了最快的數(shù)據(jù)傳輸速率。

  MC35i模塊有40個引腳,通過一個ZIF(ZeroInsertionFor(e零阻力插座)連接器引出。這40個引腳可以劃分為5類,即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。第1~14腳為電源部分:1~5為電源電壓輸入端VBATT+,6~10為電源地GND,11、12為充電引腳,13為對外輸出電壓(供外電路使用),14為ACCU―TEMP接負溫度系數(shù)的熱敏電阻。24~29卡引腳,分另I為CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC和CCGND.33~40為語音接口,用來接電話手柄。15、30、31和32腳為控制部分:15為點火線IGT(Ignition)當(dāng)TC35i通電后必須給IGT―個大于100ms低電平模塊才啟動;30為RTCbackup),該模塊是采用AT指令進行控制的,采用AT指令可以實現(xiàn)模塊參數(shù)的設(shè)置實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。外圍電圖如所示。

  在硬件連接完成后,GPRS上網(wǎng)操作之前,首先要對GPRS模塊進行一定的設(shè)置。主要的設(shè)置工作有以下幾個方面38400命令,把波特率設(shè)為384001/s或其它合適的波特率,默認的通信速設(shè)置移動終端的類別為B類,即同時監(jiān)控多種業(yè)務(wù);但只能運行一種業(yè)務(wù),即在同一時間只能使用GPRS上網(wǎng),或者使用GSM的語音通信。

  令激活GPRS功能,如果返回OK則GPRS連接成功;如果返回ERROR則意味著GPRS失敗。這時應(yīng)檢查一下S1M卡的GPRS業(yè)務(wù)是否己經(jīng)開通,GPRS模塊天線是否安裝正確等問題2路燈節(jié)點路燈節(jié)點主要完成路燈線路的送、斷電控制和線路狀態(tài)檢測功能,同時為了保證在遠程控制失效的特殊情況下,可以切換到手動控制方式進行人工控制,還增設(shè)了手動控制/自動控制切換按鈕。其控制信號由微處理器給定,反饋控制結(jié)果返回給微處理器。同時,將采集到的線路的電壓、電流、用電量、累計用電量、功率因數(shù)以及欠電壓和過電壓檢測結(jié)果等參數(shù)上傳。其中電流和功率信息還被用作電纜狀態(tài)監(jiān)測的輔助信息。

  3系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件主要包括兩個部分:(1)數(shù)據(jù)采集以及傳輸部分,是以AT89S52單片機為核心的程序設(shè)計;(2)監(jiān)控中心管理軟件的設(shè)計部分。監(jiān)控中心數(shù)據(jù)管理界面采用VB6 0編程,智能路燈控制器中單片機的程序是基于KE1L開發(fā)平臺采用C51語言編寫。這樣可以縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)成本,使程序易于調(diào)試和維護,可靠性高,可讀性和可移植性好1智能路燈控制器軟件設(shè)計該控制軟件主要完成的任務(wù)就是系統(tǒng)初始化,定時對信號采樣,對采樣結(jié)果分析和輸出控制信號。

  31.1主程序其中程序初始化包括對定時器和計數(shù)器的初始化,還有D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器的初始化,作用是確定工作方式、輸入控制字及裝入數(shù)據(jù)等。由定時中斷程序負責(zé)對聲音數(shù)據(jù)的采集開關(guān)由數(shù)據(jù)采集子程序采集后送到數(shù)據(jù)處理子程序,處理后輸出控制信號,并經(jīng)延遲后告知主程序。主程序流程圖如所示。

  31.2通信協(xié)議主機首先發(fā)布一組讀數(shù)命令,智能路燈控制器將采集的數(shù)據(jù)送回主機,還可對現(xiàn)場參數(shù)進行設(shè)置。數(shù)據(jù)通信協(xié)議如下:I控制器地址I發(fā)數(shù)長度I功能碼I數(shù)據(jù)域ILRC校驗I結(jié)束碼I,其中功能碼主要有:03H(讀保存寄存器)、06H(預(yù)置單寄存器)、10H(預(yù)置多寄存器)等;數(shù)據(jù)域主要由數(shù)據(jù)寄存器地址、寄存器個數(shù)和寄存器預(yù)置數(shù)據(jù)組成。

  31.3模糊控制算法智能控制是門邊緣科學(xué),是采用模擬人類的邏輯思維方式去控制對象。智能控制的控制類型有分層遞階智能控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制等。經(jīng)分析后,系統(tǒng)選用了模糊控制,并結(jié)合實際情況給出了具體算法。

  根據(jù)路燈系統(tǒng)的工作情況,模糊控制設(shè)有3個語言變量:噪聲輸入變量偏差E、噪聲偏差變化率EC和輸出控制量U其中噪聲輸入變量偏差分為大(PB)、較大(PS)、中(Z)、5個等級,代表了現(xiàn)場噪聲的全部狀況;噪聲偏差變化率也分為5種情況,即變化率強(PB)、較強(PS)、中(Z)、較弱(NS)、弱(NB)。每一語言變量用5個語言值表示:負大NB=―2負小NS=―1,零Z=0,正小PS=l正大PB=2輸出控制量U的論域與E和EC相同,為5個等級范圍。因此其控制規(guī)則表可以用下列關(guān)系式近2監(jiān)控中心軟件設(shè)計本系統(tǒng)的主機通信界面是采用VB6 0通信控件MSComm編寫,MSComm控件具有功能完善的串口數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能,以及良好的人機界面。通信終端軟件包括接收采集數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令,參數(shù)設(shè)置等,以界面的形式進行操作。

  表1測試結(jié)果平均電壓(V)平均電流(A)總電度數(shù)測量時間非節(jié)電狀態(tài)1個月節(jié)電狀態(tài)1個月節(jié)電率5結(jié)束語基于GPRS的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)集成了先進的自動穩(wěn)壓技術(shù)、環(huán)境綜合智能控制技術(shù)、計算機技術(shù)及無線通信技術(shù),大大提高了路燈管理水平和服務(wù)質(zhì)量,實現(xiàn)了合理照明、美化照明及安全照明的理念。經(jīng)現(xiàn)場測試,系統(tǒng)諧波含量少、節(jié)電率高,達到了智能節(jié)電、延長燈具壽命等多重效果。因此采用該系統(tǒng)對傳統(tǒng)的路燈管理系統(tǒng)進行改造,是一種投資少、見效快且效益高的方法,值得推廣。