基于无线通信技术的路灯监控系统设计.pdf

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1、低压电器(2 0 1 0 N o l 1)智能电器及计算机应用 基 于无线通信技术的路灯 监控 系统设计 万 力，笪 良飞(1 合肥工业大学建筑设计研 究院，安徽 合肥2 3 0 0 0 9；2 合肥工业大学 电气与 自动化工程学院，安徽 合肥2 3 0 0 0 9)摘要：结合合肥市经开区路灯监控系统工程，介绍了一种基于 P I C与 G P R S的 无线路灯监控系统的设计，对该系统的组成构架及其功能作了详细说明。关键词：无线路灯监控 系统；无线通信技术；照明 中图分类号：T P 2 7 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 1 5 5 3 1(2 0 1 0)l 1-0 0 2 2-0

2、 4 De s i g n o f S t r e e t La mp M o n i t o r i ng S y s t e m Ba s e d o n W i r e l e s s Co mmun i c a t i o n Te c hn o l o g y WAN Li 一，D A L i a n g f e i 万 力(1 9 6 7 一)，男，教授级 高级工 程师，研究方 向为 电气自动化和建筑 智 能化。(1 HF U T I n s t i t u d e o f A r c h i t e c t u r a l D e s i g n，H e f e i 2 3 0

3、0 0 9，C h i n a；2 S c h o o l o f E l e c t r i c a l&A u t o m a t i o n E n g i n e e r i n g，H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，He f e i 2 3 0 0 0 9，C h i n a)A b s t r a c t：T h r o u g h s t r e e t m o n i t o r i n g p r o j e c t i n H e i E c o n o m i c&T e c h n o l o g

4、 i c a l D e v e l o p m e n t A r e a，a w i r e l e s s s t r e e t l a mp c o n t r o l s y s t e m d es i g n b a s e d o iq PLC a n d GP RS wa s i n t r o du c e d，a de t a i l e d e x p l a na t i o n o n t h e s t r u c t u r e a nd f un c t i o n o f t h e s y s t e m wa s g i ve n Ke y wor d

5、 s：wi r e l e s s s t r e e t l a m p mo ni t or i ng s y s t e m；wi r e l e s s c ommuni c a t i o n t e c hn ol o gy；l i g ht i ng 0 引 言 国家级合肥经济技 术开发区位于合肥 市南 部，管辖面积 5 3 k m ，是合肥市重要的工业 科技 中心。近年来，随着经济的发展，辖区内道路不断 增多，道路照明和景观照 明的要求 和数量不断增 加。到 目前为止，辖区内共有路灯控制柜 1 2 5只，灯光控制点 2 0 0 3个。面对众多的控制点，原有 的分散式控制方式已经

6、不能满足经济开发区路灯 发展和管理的需求。考虑到有线监控方式受到铺 设线路 的成本、建设周期等因素的限制，制约了路 灯的远程控制。因此，本文提 出了种新型的基 于 G P R S与 P L C技术的无线路灯监控系统。1 系统设计 系统由路灯监控中心、通信网络和路灯监控 终端组成，在路灯监控 中心可通过系统软硬件实 现 自动监控、维护与处理突发事件，同时还可以通 过视频监控设备将现场情况、数据报表进行反映 和显示，以供用户进行管理和决策。路灯监控终 笪 良飞(1 9 8 3 一)，男，硕士研究生，研究方 向为楼宁 自动化。一2 2 一 端采集路灯控制柜中每个路 灯回路的相关参数，接受 由监控中心

7、 下达的命令，并通过执行机构完 成相关操作。实现路灯监控终端的 自动采集和控 制。而路灯监控 中心与路灯监控终端间的联络则 是通过基 于 G P R S技术 的通信网络来实现 的，其 基本结构如图 1 所示。箜曰 丝 丝 叠 塾 雨 际 图 1 无线路灯监控系统构架图 1 1 路灯监 控 中心的设 计 路灯监控 中心是无线路灯监控系统的核心，其组织构架如图 2所示。监控中心通过 内部局域 网将所用设备连接起来并通过防火墙等设备与因 特网相连。监控中心 以 Wi n d o w s X P中文版操作 系统为平台，在设计上采用 了面向用户的视窗化 编程语 言，融合地理信息系统，支持网络服务 功 能

8、。操作人员只需轻点 鼠标即可进行各项功能操 智能电器及计算机应用 低压电器(2 0 1 0 N o l 1)l 数 据 热 备 份 组l I 时、光 控 J 件l IG IS 自 动 校 时 f +l 监 控 中 心 工 作 站l 监 控 中 心 系 统 服 务 器 l监 控 中 心 应 用 服 务 器 I f t +f l 路灯监控中心局域网 l+l 视 鐾 备 广 图 2 路灯 监控 中心 系统构架 图 图 3 监控 软件的流程 图 作。路 灯监控 系统监 控软件 的流程图如 图 3所 示。通过该软件监控中心可实现的功能如下：(1)通过系统软件，可根据不 同需要将监控 终端分为不同的功能组

9、，以便对不同灯型、不同区 域、不同路段、不同时段进行灵活分组分别进行控 制和检测，实现单控、组控 以及群控的需要。(2)根据照明设备 的不 同类型，按嵌层分组 模式以时控 与光 控相结 合 的方式 自动完成 遥控 开 关全夜灯、半夜灯、凌晨 回开灯和饰灯。(3)以设定的周期 自动巡测系统 内所有终端 设备的各项运行参数。(4)采用时间、设备、类型等多种方式对系统 的检测数据、告警数据、用户操作记录等进行查 询、打印、备份和整理。(5)管理人员在主调度机上可 自行增减终端 设备并对终端设备的编码、名称、灯型、地理位置、编组等进行 组态；系统 监控终 端数量可 随意扩 充，数量不受限制，完全满足城

10、市建设需要。1i t J,b，该系统还可并入城市光彩亮化 自动监 控系统、给排水 自动监控系统、城市排污 自动监控 系统等相关市政工程项 目，进行统一 的控制与管 理。实现城市数字化、网格化的管理要求。1 2通信 网络 的设计 无线路灯监控系统 由监控 中心与监控终端组 成的两级集散式控制系统，而级 问通信是根据所 传数据的形式、流量、施工地区的条件以及客户的 具体需求来确定，可采用多种不同的方式。经过 实地 的考 察 和 调 研，系 统 采 用 了 中 国移 动 的 G P R S无线通 信方式进 行信息传输。基 于 G P R S 的无线路灯监控 系统 的架构 如图 4所 示。G P R

11、S 模 块放 置于路 灯控 制柜 内，通过移 动通信 网的 G P R S通信网络实现 P L C控制终端与路灯监控中 心问的的通信。亚回 1=r【一 一 GPR S支持节点 网关 焉 匝亟巫 亟圃 坦 匦亟亟日亟：焦 坦 一：一 一 匦亟 亟 图4 无线路灯通信系统的架构 由于 G P R S采用分组交换方式，仅在实际传 送和接收数据时才 占用无线资源，所 以在一定 区 域内多个用户可 以共享一条无线信道，这样 大大 提高了信道的利用率。用户可随时与网络保持联 系，当没有数据传输时就进入一种准休眠状态释 放所用的无线信道给其他用户使用，这样也极 大 地降低了服务成本。1 3路 灯监 控终 端

12、 目前，无线路灯监控终端设备种类较多，较为 常用的有：采用单片机为核心的分布式控制系统，并以此为基础的企业标准终端；以 P L C工业总线 为特征的终端。以单片机为核心和多种接 口电路形成的路灯 测控单元，是一种远端测控单元装置，负责对现场 信号、工业设备的监测 和控制。结构小巧，功能多 样，抗电磁干扰 能力强，价格相 对 P L C较低。但 模块程序的编写无统一的标准，缺少通用性，且硬 2 3 低压电器(2 0 1 0 N o l l J 智能电器及计算机应用 线连接设备上远不及 P L C方便。P L C可处理模拟量、数字运算、人机接 口和网 络。由其构成路灯测控单元结构小巧，功能多样，抗

13、 电磁干扰能力强，工作温度湿度范围很大，且价 格相对便宜，特别适用 于户外无人值班 的设备监 控。P L C预集成了多个通信端 口，包括 以太网和 串口(R S一2 3 2 4 8 5)，可方便地接人远传数字 电 度表，并依据通信协议读取资料，可准确地将本监 控点的用电量、电压、电流、有功功率、无功功率等 参数上报到监控中心。通过以上对两种控制终端的比较并根据本工 程 的实际情况，在设计 中选择以 P L C为控制单元 的终端控制器是较为合理的。基于 P L C的无线 路灯监控终端的系统构架如 图5所示。该终端具 有如下功能。一 士 f一 j f 开 关 量 输 入I I 模 数 转 换 模

14、块 I I 开 关 量 输 出 I f f l 路灯控制 回路 路灯控制回路 控制路灯回路 接触器状态检测 电流、电压参数检测 的接触器 牛 +l广 图5 无线监控终端的架构(1)采集功能。每个监控终端可对路灯控制 柜 中的模拟量进行采样，直接同现场线路对接，并 可根据需要进行扩充。(2)远程抄表功能。自带的 R S一 4 8 5通信 接 口可方便的接人远传数字电度表，并依据通信 协议读取资料，可准确的将本监控点的用电量、电 压、电流，有功功率、无功功率等参数上报到监控 中心。(3)命令执行功能。可随时接收、判断、执行 主站下发 的遥控、遥测、遥信等命令，具备现场手 动控制功能。(5)交流采样

15、功能。对现场电流电压 的采集 均直接进行交流采样，采集精度为 0 5 ，相关数 据经处理后送至路灯监控中心。(6)脱机自动运行。具有自控功能，当通信 故障或主站停机时，监控终端 自动转换 为 自身时 一2 4 一 控模式，依照预先设定的时问完成开关灯控制。(7)数据处理功能。自动连续采集、处理设 备的各项运行数据，同时将数据存入相关数据变 量中，以备主站需要时传送数据。(8)单灯或多灯故障检测功能。可根据线路 运行参数计算 出阻抗值，与动态存储的终端上、下 限告警值进行 比较，依据设定的限值检测出单灯 或多灯故障信息，同时上报主站。用阻抗法检测 单灯或多灯故障的主要优点是可排除电压波动时 对故

16、障报警的影响。(9)运行线路故障保护告警功能。在设定时 间内连续检测出运行线路故障时，监控终端会 首 先进行线路保护，同时 向主站上报告警状态及告 警参数；监控终端预留多个状态量检测 口，用 以完 成供电回路工作状态异常及防盗、防火检测。2 系统的特 点 2 1系统 优点(1)先进性。系统各环节设计具备 良好的兼 容性，有效避免局部损坏而导致系统瘫痪，系统能 监测和控制不同配置(配置指 电气设备 的数量)的配电箱，符合 自动化监测和控制设计标准。(2)可扩充性。系统软件采用组态设计及在 线参数设置，用户可自行增减终端设备，系统硬件 采用模块化结构，确保升级或扩充时不改变 已有 的系统结构，不需

17、淘汰原有 的系统设备。系统可 扩展城市光彩亮化监控系统功能，还可预 留城市 给、排水控制系统的各种功能，以及预留城市排污 监控系统的接口。(3)系统的可维护性。无线监控终端机选用 标准通用的 P L C工控产品，稳定性好、可靠性高，便于故障判断和处理，模块及外 围器件全部采用 导轨式安装，插接式端子，易于维护和更换。2 2系统功能(1)动态监测城市路灯网络，即在路灯监控 中心可了解每个路灯控制柜的开关状态，回路电 流、各相 电压、亮灯情况、功率 因数、运行状态、耗 电量等数据，同时可在路灯非通 电状态下监测电 缆状态信息，对电缆失窃情况实时报警。(2)实时城市道路亮灯信息及有关电量信息 在监控

18、终端上直观显示，可以按指定管理区、道路 对路灯进行控制，控制中心人员可根据天气、气候 智能电器及计算机应用 低压电器(2 0 1 0 11 1)变化及时开启、关闭路灯，同时保证 区域开关时间 的一致性和随意性，可以远程设置某个 时间段 内 部分回路的开关(半夜灯)状态，节约电能。(3)自动计算亮灯率即能根据电压、电流、有 功功率和功率因数的变化 自动进 行亮灯率估算。具有现场手动或远 程手动，对监控器各个参数进 行设置的功能。(4)可采用 时控、光控或两者相结合 的控制 方式进行 自动和手 动控制；可采用卫星 自动校时 系统(G P S)，对系统进行 自动校 时；通过 因特 网，系统可以实现“

19、三遥”功能即遥控、遥测、遥信。(5)系统需采用多级操作 口令和 自动密码保 护，来对系统实行安全管理；通过不问断 的巡检控 制终端的运行状态 随时接受和处理上报信息；可 自动监测路灯损坏情况，将 相关 信息传送 到监 测 中心及时通知维护人员。(6)可对 白天亮灯、晚上非正常熄灯、配 电箱 电路故障、电压电流越限和供电线路停 电等故障进 行 自动告警；具有记 录查询统计功 能，可根据年、月、日统计数据进行查询，显示的数据可打印输出。3 结 语 该无线路灯监控系统 已于 2 0 0 8年 1 2月通过 验收，至今运行 良好，该系统使开发 区管理单位能 够高效、可靠、及时、准确地监 测和收集辖区域

20、 内 的照明、亮化等数据，并对城市集 中管理系统的照 明运行情况、路灯偷盗情况乃至寿命做 出正确分 析，同时也为决策者提供 了数据和管理执行手段，提高了城市公共设施 的综合技术与管理水平。【参 考 文 献】1 里吉斯 通用分组无线业务(G P R S)技术与应用 M 朱洪波译 北京：人民邮电出版社，2 0 0 4 2 解相吾 移动通信技术与设备 M 北京：人民邮电 出版社，2 0 0 8 3 骆一舟，赵旦，楼诚杰，等 G P R S在远程监控中的运 用特 点 J 可 编 程 控 制 器 与 工 厂 自动 化，2 0 0 4 (1 2)：6 6-6 8 4 曹莉，徐 华 中 基于 G P R S

21、网络 的数 据无 线传输 实 现接 口 J 可 编程 控制器 与工 厂 自动 化，2 0 0 6 (1 2)：8 4 8 6 5 冯征 G P R S及其 网络 建设 J 电信 工程 技术与 标 准化，2 0 0 2(5)：8 1-9 1 6 王永华 现代电气控制及 P L C应用技术 M 2版 北京：北京航 空航天大学 出版社，2 0 0 8 收 稿 日期：2 03 00 22 2 (上 接 第 9页)如果试验或计算 中，发现当前初压力 引起 触 头弹跳时问过长，可 以确定一个 合适的触头弹跳 时间，通过式(2)求出第 1次碰撞 的反弹距离，通过仿真得到。，代入式(1)中，计算 出 F。6

22、接触系统的优化 接触系统即可通过调整触头弹簧参数获得合 适的触头弹跳数据，也可通过调整操作 机构来 获 得合适的触头弹跳数据。在操作机构确定的情况下，动、静触头相撞时 的速度不变，通过调整触头弹簧参数获得合适 的 触头弹跳数据。若初压力的变化范围超 出触头弹簧 的可调节 范围，则需要修改操作机构，以改变动触头与静触 头相撞时的速度，获得合适的触头弹跳数据。通过对这些参数 的调整，可 以比较方便地对 接触系统进行优化。7 结 语 利用现有 的公式和软件，用仿真的方法求得 触头接触时的速度，可较方便地得到触 头弹跳 的 数据，使计算和分析变得简单直观。通过对计算 结果的分析，通过调节触头弹簧参数以改变初压 力和修改机构 以改变触头接触时的速度，可以对 接触系统进行优化。【参 考 文 献】1 周茂祥 低压电器设计手册 M 北京：机械工业出 版社，1 9 9 2 2 夏天伟，丁明道 电器学 M 北京：机械工业 出版 社，2 0 0 0 3 U n i g r p h i c s S o l u t i o n s I n c U G运 动 分析 培训 教 程 M 北京：清华 大学 出版社，2 0 0 2 4 方鸿发 低压电器及其测试技术 M 北京：机械工 业 出版社，1 9 8 2 收 稿 日期：2 0 0 91 0 2 6 2 5