基于GPRS的城市照明智能監(jiān)控管理系統(tǒng)

劉 華

(長春市路燈管理處，吉林 長春 130000)

引言

隨著城市的快速發(fā)展，人們對城市照明建設(shè)的需求不斷增加。能源的消耗促使我們思考、研究、運用更加節(jié)能、綠色的照明方式。如果一個照明控制系統(tǒng)能夠做到充分考慮照明對人們活動的影響，根據(jù)環(huán)境的變化，實現(xiàn)相應的燈光場景，不僅體現(xiàn)以人為本的照明設(shè)計理念，同時可以達到綠色、節(jié)能的目的，有效避免能源的浪費[1-5]。

1 某市當前路燈監(jiān)控方式介紹

1.1 某市目前路燈監(jiān)控方式

目前，某市現(xiàn)有路燈控制方式為無線監(jiān)控與手動控制相結(jié)合的方式。一部分新建工程使用無線監(jiān)控管理系統(tǒng)，可以遠距離無線測量電流、電壓值等照明參數(shù)，監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)信息，實時改變設(shè)備運行狀態(tài)。另一部分老城區(qū)的老舊路燈目前僅可通過開關(guān)配電箱實現(xiàn)對路燈開關(guān)的控制，尚未實現(xiàn)統(tǒng)一化的管理。維護僅能通過人工夜間巡查及市民報修發(fā)現(xiàn)壞燈情況，效率很低。面對監(jiān)控站點逐步增加，巡檢周期逐步延長，硬件限制無法擴展新功能等問題?，F(xiàn)有監(jiān)控管理系統(tǒng)已無法滿足城市照明管理單位日益增長的監(jiān)控管理要求。在保證現(xiàn)有系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行的前提下，逐步改進、平穩(wěn)過渡，實現(xiàn)實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并處理路燈故障，做到統(tǒng)一化監(jiān)控管理的需求尤為迫切。

1.2 某市現(xiàn)有路燈監(jiān)控方式存在的問題

某市現(xiàn)有路燈監(jiān)控管理方式存在的問題主要有：

1)通信覆蓋有盲區(qū)?，F(xiàn)有路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)為電臺專網(wǎng)型系統(tǒng)，隨著城市的快速發(fā)展，城市范圍逐步擴大，且城市內(nèi)不斷增建高層建筑，致使450 MHz電臺無線傳輸路徑受限，傳輸半徑無法對全市實現(xiàn)無盲區(qū)覆蓋。

2)故障不能及時發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)有路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)采用的無線通信技術(shù)只支持半雙工，存在技術(shù)瓶頸。且路燈故障的保修主要依靠人工夜間巡查及市民路燈故障保修，巡檢周期較長、效率較低，無法及時發(fā)現(xiàn)故障點并及時維修，不能有效保障亮燈率。

3)硬件限制無法擴展新功能。由于硬件設(shè)備老舊、無擴展端口，無法實現(xiàn)新功能的擴展，如壞燈報警、異常開關(guān)燈、線路異常、電纜失盜等。

4)軟件功能單一。現(xiàn)有監(jiān)控管理系統(tǒng)僅有簡單的測量數(shù)據(jù)，缺少對實時數(shù)據(jù)進行周期性整理、分析及打印報表功能、如準確校時、計算亮燈率、處理故障情況和遠程實時查詢等功能都未實現(xiàn)。

2 城市照明智能監(jiān)控管理系統(tǒng)的設(shè)計

鑒于當前某市路燈監(jiān)控系統(tǒng)的局限性，設(shè)計一款城市照明智能監(jiān)控管理系統(tǒng)，實現(xiàn)根據(jù)環(huán)境、功能和照明需求的不同，提供相應的控制方案，并提供由不同方案組合后能夠展現(xiàn)的效果。能夠?qū)χ匾缆返牧翢羟闆r的直觀展現(xiàn)，實現(xiàn)實時檢測不同方案下設(shè)備的運行狀況及運行參數(shù)?？梢愿鶕?jù)實際情況實時遠程調(diào)整控制方案，實現(xiàn)全市路燈集中監(jiān)控管理，達到光照與當?shù)貥藴书_關(guān)燈時間相結(jié)合的科學開關(guān)燈，也可做到根據(jù)實際情況分區(qū)、分時段開關(guān)燈，實現(xiàn)路燈及設(shè)備異常主動報警，并將故障信息以短信形式送達維護人員。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

城市照明智能監(jiān)控管理系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端和GPRS無線通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、服務器、客戶端幾部分構(gòu)成。系統(tǒng)整體可分為兩個層次，第一層由監(jiān)控終端和GPRS無線通信構(gòu)成，主要完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸；第二層包括存儲各監(jiān)控終端信息的數(shù)據(jù)庫、服務器及客戶端，用來完成數(shù)據(jù)的監(jiān)控及管理。系統(tǒng)整體框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Overall block diagram of the system

2.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)對某市原有監(jiān)控系統(tǒng)進行升級，采用GPRS無線通信系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的傳輸，通過移動SDH傳輸實現(xiàn)專線鏈接。專線中的隧道協(xié)議與VPN Gateway保持連接狀態(tài)，以保證傳輸更加安全可靠。既實現(xiàn)了全雙工通信，系統(tǒng)巡測速度得到了提升，又有效地解決了系統(tǒng)通信覆蓋有盲區(qū)的問題。在城市照明配電箱或者照明專用箱式變壓器內(nèi)監(jiān)控終端安裝，監(jiān)控終端采用32位ARM芯片，加入計量芯片，采樣速度快、精度高?？梢詫崟r采集設(shè)備電壓、電流、功率因數(shù)、故障信息等數(shù)據(jù)。通過GPRS無線網(wǎng)絡發(fā)送至監(jiān)控中心，形成數(shù)據(jù)分析報表，從而實現(xiàn)城市路燈的集中監(jiān)控管理。監(jiān)控中心主要由監(jiān)控主機、服務器、光端機、路由器和交換機實現(xiàn)移動網(wǎng)絡的接入和組網(wǎng)。系統(tǒng)總體設(shè)計方案見圖2。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案Fig.2 Overall design scheme of the system

2.3 通信方式設(shè)計

2.3.1 監(jiān)控終端通信方式

1)數(shù)據(jù)上行：采用TCP/IP體系結(jié)構(gòu)進行GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸。利用Siemens MC52i GPRS模塊實現(xiàn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信。終端的微控制器將獲取到的最初數(shù)據(jù)打包發(fā)送至MC52i模塊，打包的協(xié)議依據(jù)是應用層自定義的。MC52i模塊對應用層傳送的數(shù)據(jù)進行TCP/IP協(xié)議封裝、數(shù)據(jù)封裝；然后把封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送至GPRS 網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上行傳輸。

2)數(shù)據(jù)下行：與數(shù)據(jù)上行的傳輸方式相對應。MC52i模塊解析接到的數(shù)據(jù)。在解析到正確的數(shù)據(jù)包后，MC52i模塊把該數(shù)據(jù)傳給應用層，應用程序能夠?qū)ψ畛醯臄?shù)據(jù)包進行解析，依據(jù)解析的內(nèi)容實現(xiàn)對功能照明及景觀照明的查詢和輸出控制，以此實現(xiàn)遠程監(jiān)控的目的。

2.3.2 監(jiān)控中心通信方式

1)數(shù)據(jù)上行：通訊過程采用TCP/IP體系結(jié)構(gòu)；GPRS網(wǎng)絡APN專網(wǎng)協(xié)助監(jiān)控終端把現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心主控機相應的TCP/IP端口。主控機通信模塊首先對是否有新的數(shù)據(jù)載入進行判斷，若有，則再通過Winsock API完成將TCP/IP數(shù)據(jù)包還原成應用層中需要的數(shù)據(jù)幀，到達該步驟時，上位機通訊模塊數(shù)據(jù)停止接收。

2)數(shù)據(jù)下行：與上述的過程相對應。首先主控機通過用戶自定義的通訊協(xié)議對最初的數(shù)據(jù)包實行首次封裝，其次，將數(shù)據(jù)從用戶層送至網(wǎng)絡層和傳輸控制層(TCP/IP)，利用Winsock API完成剩余的封裝過程，最后是通過GPRS專用網(wǎng)絡將主控機數(shù)據(jù)包發(fā)送至相對應的監(jiān)控終端，至此發(fā)送過程完畢。

2.4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.4.1 監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)為C/S模式。主要功能實現(xiàn)包括：數(shù)據(jù)存數(shù)、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)分析、用戶管理及報表打印。功能模塊示意見圖3。

圖3 功能模塊示意圖Fig.3 Schematic diagram of functional modules

1)主控程序模塊，負責設(shè)置人機交互操作界面及環(huán)境，完成啟動、結(jié)束事件循環(huán)程序。

2)數(shù)據(jù)儲存模塊，負責存儲監(jiān)控終端采集來的數(shù)據(jù)并進行分析判斷。

3)通信模塊，負責數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。將監(jiān)控終端采集的數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信系統(tǒng)傳輸至監(jiān)控中心，以及向監(jiān)控終端發(fā)送指令。

4)報表打印模塊，負責按照用戶設(shè)定的報表形式，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)形成報表并可打印。

5)用戶管理模塊，負責軟件用戶權(quán)限的管理，以及系統(tǒng)安全管理。

程序流程見圖4。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

2.4.2 監(jiān)控終端功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)控終端主要實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、防盜報警、遠程抄表、遙測、遙控、自控等?？蓪崿F(xiàn)采集電壓、電流參數(shù)，主要采集信號包括3相總電壓、3相總電流以及3相8路共24個支路電流；可提供12路開關(guān)量輸入，滿足不同環(huán)境對開關(guān)量的檢測需求；可實現(xiàn)12路輸出控制，滿足功能照明和景觀照明的獨立控制需求；可實現(xiàn)無線通信全覆蓋的通信模式，通過GPRS網(wǎng)絡進行監(jiān)控終端與監(jiān)控中心的通信；提供標準RS-485接口，可讀取電表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程抄表。

3 結(jié)束語

隨著城市建設(shè)以及經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市照明作為保障性的配套公共基礎(chǔ)設(shè)施也要不斷地完善。傳統(tǒng)的路燈控制方式，已無法滿足當代城市節(jié)能、低碳、綠色、環(huán)保的發(fā)展理念。針對某市現(xiàn)階段路燈監(jiān)控管理過程中出現(xiàn)的問題，本文提出城市照明智能監(jiān)控管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了更加實時、精準的監(jiān)測與控制，提高了工作效率，達到了優(yōu)化資源配置、節(jié)約能源的目的。