基于GPRS和PLC的遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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GPRS和PLC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。