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[導(dǎo)讀]在分析我國(guó)城市路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)當(dāng)前實(shí)際情況,提出了基于GPRS無(wú)線(xiàn)通信與電力線(xiàn)載波通信PLC的遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案與系統(tǒng)構(gòu)成,并討論了系統(tǒng)的工作原理、硬件組成及其軟件實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈的遠(yuǎn)程控制,并能對(duì)路燈的電力參數(shù)、開(kāi)關(guān)量和報(bào)警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,具有良好的應(yīng)用前景。

1 GPRS技術(shù)簡(jiǎn)介
    GPRS(General Packet Radio Service,通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù))是一種基于第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM的無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù),特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸,也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS的傳輸速率最高可達(dá)171.2 kbps,實(shí)際應(yīng)用中的平均速率也高達(dá)53.6kbps。GPRS為移動(dòng)用戶(hù)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供連接,為移動(dòng)用戶(hù)提供高速無(wú)線(xiàn)接口和X.25服務(wù)。GPRS采用數(shù)據(jù)分組交換技術(shù),每個(gè)用戶(hù)可同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線(xiàn)信道,同一無(wú)線(xiàn)信道又可以有多個(gè)用戶(hù)共享,因而資源被有效利用。用戶(hù)永遠(yuǎn)在線(xiàn),按流量計(jì)費(fèi),降低了服務(wù)成本。
    利用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸具有如下的優(yōu)點(diǎn):
    ①接入范圍廣。GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)上升級(jí),可充分利用全國(guó)范圍的電信網(wǎng)絡(luò),可以方便、快速、低成本地為用戶(hù)數(shù)據(jù)終端提供遠(yuǎn)程接入網(wǎng)絡(luò)的部署。
    ②傳輸速率高。理論值最高可達(dá)171.2 kbps,是當(dāng)前GSM網(wǎng)絡(luò)中電路數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)速度的十幾倍。下一代GPRS業(yè)務(wù)的速度甚至可以達(dá)到384 kbps,完全可以滿(mǎn)足用戶(hù)應(yīng)用需求。
    ③登陸快捷。GPRS接入等待時(shí)間短,可快速建立連接,平均耗時(shí)為2 s。
    ④永遠(yuǎn)在線(xiàn),提供實(shí)時(shí)在線(xiàn)功能?!皩?shí)時(shí)在線(xiàn)”或“永遠(yuǎn)在線(xiàn)”即用戶(hù)隨時(shí)與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系。即使沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送,終端也一直與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系,這將使訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)變得非常簡(jiǎn)單、快速。
    ⑤按流量計(jì)費(fèi)。用戶(hù)只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用無(wú)線(xiàn)資源,按照用戶(hù)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量計(jì)費(fèi)。沒(méi)有數(shù)據(jù)流量時(shí),用戶(hù)即使掛在網(wǎng)上也不收費(fèi)。
    ⑥切換自如。用戶(hù)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí),不影響語(yǔ)音信號(hào)接收。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)的切換有自動(dòng)和手動(dòng)2種方式,具體形式依據(jù)不同終端而定。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    按照路燈遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和要實(shí)現(xiàn)的功能,將系統(tǒng)大體分為中央控制室、集中控制器和路燈控制器3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。


    第1層中央控制室是l臺(tái)PC服務(wù)器,負(fù)責(zé)整個(gè)城市路燈的監(jiān)控;第2層集中控制器負(fù)責(zé)一條街上全部路燈的控制;第3層路燈控制器負(fù)責(zé)同一燈桿上的所有燈具。其中,l層與2層之間使用了GPRS無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng),這兩層之間距離遠(yuǎn),雖然通信成本較高但通信成員少。2層與3層應(yīng)用了窄帶電力線(xiàn)載波通信技術(shù),利用現(xiàn)有的電力線(xiàn)傳輸信號(hào),不用另外鋪設(shè)線(xiàn)纜,幾乎沒(méi)有運(yùn)行成本,特別適合通信對(duì)象多的情況。
    另外,本設(shè)計(jì)還具有電量計(jì)量等功能,由電壓互感器和電流互感器對(duì)各路段路燈的電力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ),或者通過(guò)監(jiān)控中心的巡檢把現(xiàn)場(chǎng)各路段工作參數(shù)(包括電壓電流開(kāi)關(guān)量等)傳回監(jiān)控中心。監(jiān)測(cè)終端能自動(dòng)檢測(cè)到跳閘、斷路、電壓異常、供電故障、開(kāi)關(guān)燈控制異常等突發(fā)事件,并及時(shí)將告警數(shù)據(jù)上傳監(jiān)控中心,以供監(jiān)控中心值班人員及時(shí)了解情況做出處理。GPRS通信網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)控中心與無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)傳輸通道,選用固定IP地址方式通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將所采集到的工作參數(shù)主動(dòng)、及時(shí)地上傳到監(jiān)控中心。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 GPRS發(fā)送模塊電路設(shè)計(jì)

    GPRS模塊主要實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)的功能。市場(chǎng)上有一些成熟的產(chǎn)品,譬如說(shuō)Sony/Eircsson公司的M47c、Simens公司的MC35等。這里選用Cello公司的CMS91,它是一種雙頻段GSM/GPRSlO級(jí)模塊,主要優(yōu)點(diǎn)有低功耗、接口簡(jiǎn)單、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS10、開(kāi)發(fā)多媒體應(yīng)用、價(jià)格較低等。同時(shí),它也提供SMS(短消息服務(wù))和語(yǔ)音功能。GPRS模塊提供RS232接口,可以通過(guò)它來(lái)完成對(duì)模塊的控制,譬如撥號(hào)和切換模式等。一旦通過(guò)模塊連接上Internet,采集到的數(shù)據(jù)就可以用TCP/IP傳輸方式發(fā)送到任意一臺(tái)具有公網(wǎng)IP地址的主機(jī)上去,從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸。圖2給出了由CMS91構(gòu)成的GPRS發(fā)送模塊的電路原理圖。


    在該設(shè)計(jì)中,CMS91模塊相當(dāng)于1個(gè)無(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)器用戶(hù)的應(yīng)用系統(tǒng),需要通過(guò)PPP(LCP/PAP/IPCP)先和運(yùn)營(yíng)商的Internet接入服務(wù)器連接,然后才能應(yīng)用TCP/IP/UDP或者更高一層的應(yīng)用層程序(如HTTP、FTP等)進(jìn)行通信。該模塊已經(jīng)集成了1個(gè)天線(xiàn)接收機(jī)模塊,實(shí)際使用時(shí)需接入SIM卡插座。GPRS終端是通過(guò)RS232接口與設(shè)備進(jìn)行通信的,利用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實(shí)現(xiàn)了微處理器的TTL電平與RS232電平的轉(zhuǎn)換。MAX232能滿(mǎn)足TIA/EIA-232-F和1TU v.28標(biāo)準(zhǔn)的要求,其工作電源電壓為3~5.5 V,有1個(gè)驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)接收器,數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)250 kbps,該芯片具有靜電保護(hù)功能和自動(dòng)掉線(xiàn)的特點(diǎn)。
3.2 電力線(xiàn)載波模塊設(shè)計(jì)
    電力線(xiàn)接口模塊由線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器和線(xiàn)接口組成,它的主要功能是:
    ①發(fā)送模式中,用于將ST7537送來(lái)的傳送信號(hào)(AT0)放大和濾波;
    ②接收模式中,從電力線(xiàn)給ST7537的接收口提供接收信號(hào);
    ③有抵制尖峰脈沖和過(guò)載的保護(hù)電路。


    電力線(xiàn)接口模塊的框圖如圖3所示。線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器起放大ST7537的輸出信號(hào)(AT0)的作用。為了使線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器適用于電力線(xiàn),使用了線(xiàn)接口。在線(xiàn)接口中使用了變壓器,其功能為:
    ◆把其他電路與電力線(xiàn)隔離開(kāi);
    ◆把傳輸信號(hào)送到電力線(xiàn)上去;
    ◆從電力線(xiàn)中提取出接收信號(hào);
    ◆濾除傳輸信號(hào)中的諧波。
    電力線(xiàn)接口模塊的電路原理圖如圖4所示。


    復(fù)合晶體管Q1、Q2、Q3、Q4組成推挽式放大器。電阻R1、R2可使放大器獲得最佳性能。當(dāng)(接收模式)時(shí),ST7537輸出信號(hào)PABC=1和使雙極型晶體管Q1和Q5截止,切斷了功率放大器的電源,功放不工作。
    變壓器由1個(gè)主繞組和2個(gè)副繞組組成。繞組比例為4:1:1,其參數(shù)為:主繞組9.4μH,副繞組140μH,C1=2.2 nF。為了防止非線(xiàn)性畸變,C2的線(xiàn)性必須非常好,C3濾除從電力線(xiàn)過(guò)來(lái)的50/60 Hz的信號(hào),并有短路保護(hù)功能。當(dāng)相位不知時(shí),使用附加電容C4加到C3上去,組成放電回路,避免發(fā)生觸電危險(xiǎn)。
    為了避免尖峰信號(hào)對(duì)電路的破壞,采用1個(gè)雙向穩(wěn)壓管。當(dāng)電壓值大于或等于穩(wěn)壓管電壓時(shí),穩(wěn)壓管就會(huì)短接到地,保護(hù)接口電路地器件不會(huì)被燒壞。
    另外,該系統(tǒng)采用了Dallas半導(dǎo)體公司的DS1302涓流充電時(shí)鐘芯片。該芯片是可編程I2C串行接口時(shí)鐘芯片,還提供31字節(jié)的非易失SRAM用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可以通過(guò)單片機(jī)的任意I/O口作為SCL和SDA信號(hào)線(xiàn),編程簡(jiǎn)單,成本較低。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主要采用無(wú)線(xiàn)Modem CMS91來(lái)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及報(bào)告信息的遠(yuǎn)程傳輸。通過(guò)單片機(jī)AT指令對(duì)CMS91進(jìn)行上網(wǎng)前的設(shè)置和數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)收到CMS91的正確反饋回答后,1條物理信道就在CMS91和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間建立起來(lái)。單片機(jī)通過(guò)向Modem發(fā)送不同的AT命令來(lái)控制其工作。
    CMS91加電后,應(yīng)用程序需通過(guò)P0口操作CMS91的ON/OFF控制位,CMS91正式啟動(dòng)的過(guò)程大約3~5 s,若CMS91接有有效的SIM卡,CMS91將附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)。對(duì)CMS91的串口讀寫(xiě)操作仍然由中斷服務(wù)程序來(lái)實(shí)現(xiàn),復(fù)位上電后,程序先進(jìn)行工作頻率等參數(shù)的設(shè)置,然后進(jìn)行撥號(hào)和PPP協(xié)商。PPP協(xié)商成功后,將得到系統(tǒng)本地IP,一旦獲得自己的IP,系統(tǒng)實(shí)際上就已經(jīng)連入Internet,但要和連入Internet的另一IP終端通信,就還需要與另一IP終端進(jìn)行端對(duì)端的TCP連接。在TCP連接成功后,整個(gè)程序?qū)⒈3诌@個(gè)連接狀態(tài)。進(jìn)入TCP連接狀態(tài)后,可能會(huì)收到TCP連接的另一IP終端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù),在層層解包處理之后,便可以得到TCP層之上的種種應(yīng)用層數(shù)據(jù)。如果要向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù),則要先進(jìn)行中斷請(qǐng)求發(fā)送,在等到TCP連接建立之后方可發(fā)送。這部分TCP/IP協(xié)議的處理由CMS91內(nèi)嵌的單片機(jī)來(lái)完成。
    GPRS模塊發(fā)送子程序和接收子程序的流程如圖5所示。



5 結(jié)論
    本文設(shè)計(jì)的基于GPRS和PLC的遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控系統(tǒng),相對(duì)于以往的時(shí)鐘以及光電控制路燈,能夠?qū)β窡艟€(xiàn)路進(jìn)行有效的監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)和遙信功能,而且運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。該設(shè)計(jì)采用GPRSPLC進(jìn)行通信,無(wú)需重新鋪設(shè)線(xiàn)纜和構(gòu)建新的通信網(wǎng)絡(luò),運(yùn)行成本很低,具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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