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樊立虎
男，漢族，高級工程師，1981年畢業(yè)于太原工學(xué)院，多年從事城市給排水工作， 2006年起從事城市照明工作，現(xiàn)任長治市照明管理處處長。

摘要：針對長治市城市照明系統(tǒng)管理和維護(hù)的要求，開發(fā)了一種基于GPRS的城市照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，給出了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的城市照明管理方案。該方案利用GPRS的優(yōu)勢，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與路燈控制器PLC的通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和控制管理。實(shí)際投入運(yùn)行表明，該系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)的應(yīng)用降低了照明管理成本，提高了城市照明服務(wù)水平，有較大推廣價值。

關(guān)鍵詞：照明系統(tǒng)；PLC；遠(yuǎn)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

    現(xiàn)在的城市照明已從電力系統(tǒng)中劃分成為一個公共服務(wù)管理機(jī)構(gòu)，對整個城市的道路、景觀、公共場所照明進(jìn)行建設(shè)、管理和維護(hù)。隨著城市的發(fā)展，規(guī)模的擴(kuò)大，照明系統(tǒng)也變得十分龐大。長治市城市照明需要將整個城市照明系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分．按城區(qū)進(jìn)行區(qū)域化管理。

    隨著城市建設(shè)的開展，城市跨度增大，照明控制器數(shù)量的劇增，分布范圍廣，給照明系統(tǒng)的管理和維護(hù)造成很大的負(fù)擔(dān)，城市照明管理和維護(hù)的人員和機(jī)構(gòu)增多，造成資源的浪費(fèi)，效率低下。現(xiàn)有照明控制器均采用自動獨(dú)立的控制方式，對全年照明時間進(jìn)行控制。但是，季節(jié)的變化、天氣的影響和特殊節(jié)日的安排都需要對照明的時間和地點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和控制，現(xiàn)場操作難以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)有的無線擴(kuò)頻通信、載波通信由于地理位置、可靠性等限制不能滿足照明系統(tǒng)管理和維護(hù)的要求。光纖通信是最可靠的通信手段，由于造價高，方案規(guī)劃投資大，是—種有線方式，不適用于城市照明系統(tǒng)。  隨著新一代的移動通信業(yè)務(wù)CPRS的開展，基于CPRS的無線通信應(yīng)用越來越廣泛，使得城市照明的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有可行性。

2 GPRS技術(shù)概述

    GPRS (General Packet Radio Service)通用分組無線業(yè)務(wù)是在現(xiàn)有的GSM上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供以分組形式的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。與原有的GSM比較,GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢：

    (1)通過多個GSM時隙復(fù)用，支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，理論峰值達(dá)到171.2Kbit/s（CS-42編碼方式適用于無線環(huán)境好的地區(qū)）。

    (2)多網(wǎng)絡(luò)用戶共享同一組GPRS信道，某一用戶需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)才會占用信道資源，多用戶的業(yè)務(wù)復(fù)用，更有效利用無線網(wǎng)絡(luò)信道資源，特別適合突發(fā)性、頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸。

    (3)GPRS計(jì)費(fèi)方式靈活，支持按數(shù)據(jù)流量進(jìn)行計(jì)費(fèi)；GPRS激活后，可以實(shí)現(xiàn)“永遠(yuǎn)在線”，類似與無線專線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，提高數(shù)據(jù)實(shí)時性，應(yīng)用范圍廣。

    (4)GPRS能夠?yàn)橛脩籼峁┩该鞯腎P通道，可直接防問Internet中的所有站點(diǎn)和資源。

    另外，GPRS能夠支持進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r進(jìn)行語音通話等，相對于短消息等其他無線數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，按數(shù)據(jù)流量收費(fèi)的價格優(yōu)勢更加明顯。

    GPRS是基于GSM網(wǎng)絡(luò)的，采剛分組技術(shù)的GPRS利用了GSM寶貴的無線信道資源，提高信道的利用率，GSM優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面，保證GPRS數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，對于城市照明控制是一個優(yōu)秀的通信資源、GPRS在夜間實(shí)行半價收費(fèi)，照明系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制都在夜間進(jìn)行，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益考慮，GPRS是一個最佳的遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)。

3 城市照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    城市照明以道路照明為主，有專門的供電線路和以路段為劃分依據(jù)的控制器。路燈控制器為遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，照明管理中心(局)為臨控中心。照明控制需要實(shí)時性、可靠性、保密性的數(shù)據(jù)傳輸，一般不采用虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)絡(luò)的接入方式，而采用APN接入方式，申請城市照明專用的APN接入點(diǎn)，管理中心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過專線和當(dāng)?shù)匾苿油ㄐ殴綠PRS網(wǎng)絡(luò)相連，專用路由器接入。移動通信公司發(fā)放專用路燈控制器通信和手持計(jì)算機(jī)通信的SIM卡，在路燈控制器、手持計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間構(gòu)成一條無線虛擬專用通道，滿足城市照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)要求。

                                       圖1   系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
3.2 系統(tǒng)工作原理

    系統(tǒng)由三部分組成：路燈控制器終端、管理中心服務(wù)器和手持客戶端。

    (1) 路燈控制器終端由PLC獨(dú)立控制模塊、完成電量采集和模塊通信功能的單片機(jī)模塊、GPRS通信模塊等組成，完成數(shù)據(jù)采集、控制輸出、數(shù)據(jù)通信、故障報警等功能。終端通過GPRS與城市照明管理中心的服務(wù)器相連，實(shí)現(xiàn)終端的實(shí)時通信。單片機(jī)控制GPRS模塊登錄GSM無線移動網(wǎng)絡(luò)，申請動態(tài)IP地址．主動連接管理中心固定IP地址，由管理中心服務(wù)器為終端建立和維持Socket連接。

    (2) 管理中心服務(wù)器作為整個城市照明系統(tǒng)監(jiān)控管理中心，對整個城市的照明系統(tǒng)進(jìn)行集中控制。城市照明管理中心架構(gòu)穩(wěn)定服務(wù)器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，采集數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫；網(wǎng)絡(luò)端口設(shè)置防火墻，保證系統(tǒng)的安全；采用輪詢的Service／Client通信方式，分區(qū)域?qū)h(yuǎn)程控制終端掃描實(shí)時電量數(shù)據(jù)和路燈控制器的輸出狀態(tài)。

    (3) 手持客戶端是以手持計(jì)算機(jī)作為載體，具有漫游移動功能的GPRS移動客戶端。城市照明管理所下屬維護(hù)人員小組裝備手持客戶端，現(xiàn)場讀取在管理中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中路燈控制器的電量數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快速處理路燈控制器故障，提高城市照明管理的維護(hù)快速性和機(jī)動性。

    系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測路燈控制器的運(yùn)行參數(shù)，包括三相電壓、三相電流、路燈控制器控制輸出和控制器的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)等。服務(wù)器采集電量數(shù)據(jù)，存儲在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，以曲線圖或表格的形式表示，對系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行評估；采集路燈控制器的運(yùn)行狀態(tài)和控制輸出，反映路燈控制器的工作狀態(tài)；針對季節(jié)的變化、天氣的影響和特殊節(jié)日的安排．對城市照明的時間和地點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)整．提高城市照明服務(wù)水平；在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常或者控制器人為破壞的情況下，管理中心服務(wù)器相應(yīng)終端報警信號，由管理中心通過對故障點(diǎn)附近手持客戶端發(fā)送信號，通知維護(hù)工人，處理終端故障。

4 路燈控制器硬件實(shí)現(xiàn)

                                        圖2   路燈控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

    路燈控制器中采用Siemens的小型可編程邏輯控制器S7-224對路燈照明按照常規(guī)獨(dú)立控制道路照明。GPRS通信采用Siemens的無線通信模塊TC35i，終端系統(tǒng)采用洛陽元煜公司的LCS-2000型單片機(jī)、Maxim的A/D采樣芯片MAXl97、開關(guān)穩(wěn)壓電源以及外部接口芯片和器件。

4.1 S7-224

    終端安裝現(xiàn)場環(huán)境惡劣．采用Siemens的小型PLC來實(shí)現(xiàn)照明開關(guān)控制，保證現(xiàn)場開關(guān)控制的穩(wěn)定性。在PLC內(nèi)部設(shè)定遠(yuǎn)程開關(guān)控制的優(yōu)先級比常規(guī)時間開關(guān)控制要高，通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)城市照明系統(tǒng)照明時間、地點(diǎn)靈活控制性。Siemens對外通信端口是RS485標(biāo)準(zhǔn)，在路燈控制器中采用自由通信協(xié)議端口與單片機(jī)通信。

4.2 TC35i

    終端路燈控制器的遠(yuǎn)程GPRS通信模塊采用Siemens公司的無線GPRS通信模塊TC35i。TC35i是Siemens公司推出的新一代上業(yè)級無線通信GSM模塊。TC35i模塊可以工作在雙頻段，工作在不同的頻段功耗分別為2W((GSM900MHZ)  和IW(GSMl800MHZ)。模塊有AT命令集接口。為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計(jì)。

    路燈控制器遠(yuǎn)程終端通過編寫單片機(jī)啟動程序，應(yīng)用AT指令，對無線GPRS通信模塊TC35i進(jìn)行初始化設(shè)置，設(shè)定與服務(wù)器通信服務(wù)端口。將管理中心服務(wù)器地址進(jìn)行綁定，通過現(xiàn)場的GSM信號設(shè)備，接入公共的GSM網(wǎng)絡(luò)，通過當(dāng)?shù)匾苿泳W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心的APN按入端口，與管理中心連接通信。GPRS連接通過單片機(jī)的循環(huán)指令執(zhí)行和服務(wù)器的Sockel連接機(jī)制實(shí)現(xiàn)GPRS無線通信的“永遠(yuǎn)在線”連接，保證遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)時控制響應(yīng)。

5 路燈控制器軟件實(shí)現(xiàn)

5.1 PLC程序設(shè)計(jì)

    Siemens小型PLC系列PPI通信協(xié)議對外不公開，在本系統(tǒng)中，采用S7-224的自由口通信方式，從數(shù)據(jù)傳輸安全、控制信息保密的角度來制定城市照明管理中心服務(wù)器和路燈控制器終端的通信協(xié)議格式，PLC接收中斷處理程序中對傳輸控制命令進(jìn)行解碼，響應(yīng)控制操作，對發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，通過單片機(jī)打包，上傳至管理中心服務(wù)器。對管理中心的控制命令進(jìn)行解碼，控制輸出。

5.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

    數(shù)據(jù)采集采用程序控制方式，采集實(shí)時電量數(shù)據(jù)。與PLC通信，對PLC的狀態(tài)和電量數(shù)據(jù)進(jìn)行組合、編碼；處理GPRS的傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)送道PLC控制器。

    GPRS模塊TC35i沒有內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，系統(tǒng)中所涉及的通信功能不包括完整的TCP/IP協(xié)議族，對TCP/IP協(xié)議進(jìn)行裁剪，采用嵌人式TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對TC35i通信模塊的控制．對GPRS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行解碼、編碼功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

    為解決GPRS無線遠(yuǎn)程通信存在的干擾和誤差，加強(qiáng)系統(tǒng)GPRS無線通信傳輸數(shù)據(jù)保密，安全性。單片機(jī)與中心服務(wù)器約定通信的譯碼、解碼算法。統(tǒng)一控制命令密鑰、數(shù)據(jù)編碼方式。單片機(jī)中斷處理程序中，增加密鑰判斷，能夠識別錯誤的命令和外來的干擾，  丟棄錯誤數(shù)據(jù)；管理中心在數(shù)據(jù)發(fā)送之后，延時對終端監(jiān)測響應(yīng)，在數(shù)據(jù)丟失、破壞的情況下，自動重發(fā)控制數(shù)據(jù)；通過以上措施，保城市照明系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制的準(zhǔn)確性和安全性，避免干擾操作．

6 管理中心功能和特點(diǎn)

    城市照明遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)管理中心冗余服務(wù)器由二套服務(wù)器系列的226通用服務(wù)器構(gòu)成，一套臺式機(jī)作管理操作。DELL顯示器作系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示，結(jié)合電子地圖、道路規(guī)劃圖實(shí)時顯示控制器運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)以下功能：

    (1) 實(shí)時記錄每個路燈控制器終端的三相電流、電壓和控制輸出狀態(tài)參數(shù)，存儲數(shù)據(jù)。

    (2) 對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，以曲線圖的形式顯示歷史電壓、電流運(yùn)行狀態(tài)。

    (3) 嚴(yán)格控制操作權(quán)限，保密與PLC的通信協(xié)議的編碼解碼，實(shí)行安全的、保密性高的城市照明遠(yuǎn)程控制。

    (4) 遠(yuǎn)程終端報警功能，如斷電、斷相、過流、過壓、三相不平衡、人為破壞路燈控制器等。記錄時間，響應(yīng)報警控制，提高照明系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

7 結(jié)束語

    開發(fā)的基于GPRS城市照明系統(tǒng)．已在長治市區(qū)路燈管理處投入試驗(yàn)運(yùn)行，城市照明系統(tǒng)采用APN的接入方式，網(wǎng)絡(luò)延遲小，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程中央控制。在精簡城市照明管理的人員機(jī)構(gòu)、降低照明管理成本，提高城市照明服務(wù)水平方面，有很大的應(yīng)用前景。

    其他作者：代永智，男，漢族，現(xiàn)就職于洛陽元煜自控工程有限公司，從事城市照明自動監(jiān)控系統(tǒng)研制、開發(fā)工作；孫泉，男，漢族，畢業(yè)于蘭州化工學(xué)院工業(yè)儀表及自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于洛陽元煜自控工程有限公司從事城市照明自動監(jiān)控系統(tǒng)研制、開發(fā)工作。

參考文獻(xiàn)

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