基于GPRS的路灯远程监控系统的设计

四川师范大学成都学院本科毕业设计1基于GPRS的路灯远程监控系统的设计前言从功能从可靠性来说，没有一个无线网可以与移动通信网相比拟，总体来说，有以下优点：一、覆盖域广，目前移动通信网全国覆盖率95%以上，非边远区覆盖率几乎100%。GPRS用户可随意分布和移动自己网络点，无须担心线路维护或有线移机时导致通讯中断。建设新监控点无需进行拉线，埋线等工作。较光纤，或专线系统投资较少，设备安装方便。通信距离远，任何场合都可以设中心站。覆盖较好，比较很多无线数据网络（集群，双向传呼，CDPD，CDMA）而言，其网络覆盖是最好。二、GPRS网络接入速度快，提供了与现有数据网无缝连接。GPRS网本身就是一个分组型数据网,支持TCP/IP、X.25协议，无需PSTN等网络转接，直接与分组数据网（IP网或X.25网）互通，接入速度仅几秒钟，快于电路型数据业务。采用TCP/IP协议，较以前无线数据网络（集群，双向传呼，GSM短信息）而言，网络接入更加直接方便。三、网络可靠性高。首先网络有较大冗余设备及信道；其次设备复用；再次，一旦基站特殊情况下损坏，移动公司抢修非常及时。四、稳定性好，抗自然干扰能力强；另频段专用，不会受到人为干扰。GPRS能最好支持频繁、少量突发型数据业务。通信质量稳定可靠，永不掉线。五、GPRS资费便宜，计费合理。GPRS资费包月比有线电话网络资费还便宜。路灯监控数据采集业务没有大数据量信息传输，不必要采用资费很高专线（DDN、帧中继）。GPRS还可通信数据量和提供服务质量进行计费。GPRS网中，用户只需与网络建立一次连接，就可长时间保持这种连接，并只传输数据时才占用信道并被计费，保持时不占用信道不计费。这样，营业点即不用频繁建立连接，必支付传输间隙时费用。GPRS是移动通信网中一种新技术，完成了无线Internet接入，这种技术数据传输时，将数据进行分组（TCP/IP）传送，并提供透明通道。网络容量仅需要时才分配，一旦分组完成发送任务，信道容量立即释放，提供了即时连接和高效传输，实现了实时线功能。，它是一种经济高效分组数据技术。组网方面主站和从站设备均可使用动态IP和固定IP两种工作方式，当组成小规模监测网时，主站和从站均采用动态IP方式，用动态域名解析使用公网，可节省费用（不用专门租用DDN等专线）；组成大网时，主机可采用固定IP，并用专网，以提高系统效率，但条件不具备时仍可使用动态IP和公网，此时效率仅比固定IP低0.2%。四川师范大学成都学院本科毕业设计21路灯控制系统发展现状为了高效的进行城市路灯管理,世界各国都在不断地研究，利用各种先进技术手段进行城市路灯监控。目前对于路灯监控系统的研究，多采用如下几种方案：1.1自控型自控型又分定时器控制和光控器控制两种,自控型照明控制器的优点是设备投资少、安装及维修简单灵活。时控法以时间为唯一的开、关灯依据，不论在任何季节气象条件下，均只能在规定的统一时刻开、关灯，但随季节变化，需要人工干预来调整开、关时间，因此存在对环境光照度的变化适应能力差的缺点。而光控法是按光照度的差异来控制开、关灯的，则易受粉尘、雨雪污染使灵敏度降低，且功能单一，开关动作不统一，控制不灵活，随时需要人为干预。1.2有线型在路灯系统中架设电源线缆和控制线缆，由控制中心集中控制，这种方案其优点是控制准确,动作可靠，能应用计算机技术进行多层次、多任务控制,缺点是设备投资大、故障易发点多、维护困难。1.3无线电台控制型常规无线数传电台控制系统—利用常规无线电台的收发信道作为载体，采取双音多频作为控制信令，达到控制照明灯开关的目的。常规无线电台控制系统的优点是技术成熟、布点灵活、安装方便、功能扩充性好，可实现双向通信，缺点是易受干扰、控制组合较少、主控电台的射频发射功率被限制在10W以下，受控区域小、容易造成人为误动作和恶意操作，设备投资大，性价比低。2路灯节能方式探讨绿色照明是当今照明界发展的一种趋势。目前，在道路照明工程中，电网电压受负荷的影响较大，在负荷高峰时偏低，在负荷低谷时偏高。每当傍晚，道路上交通量高峰时，恰值电网负荷高峰，由于电网电压偏低，光源发出的光通量低，路面照度低；而接近午夜时，道路上交通量处于低谷，此时电网负荷也是低谷，由于电网电压偏高，因此光源发出的光通量高，路面照度高。而人眼在黑暗中经过一定时间就有了适应黑暗的能力,深夜时亮度只需刚刚天黑的70%就有相同的“感觉亮度”。因此,路灯在深夜过高电压下运行会大大浪费电能。所以,科学地控制路灯,不仅能满足人们行路行车的安全,还能节约电能及延长灯具的使用寿命,从而减轻维修工作量和减少运行费用。为改变这种现象，一般采用如下几种方法：2.1照明稳压调光控制装置四川师范大学成都学院本科毕业设计3根据WPT(U2t)/R知道，在负荷不变的情况下，电能的消耗与电压的平方成正比，与用电时间成正比，电压越高，时间越长，耗能越大。稳定照明电压可以节省大量电能的消耗。稳定调光控制装置的基本性能是在黄昏时分将低于220V的电压调到220V，在午夜电源电压高到某值时，可按设定的电压180V(高压钠灯)将光源电压调下来，从而有效地降低路灯的电流、有功功率、无功功率，大量节省能源和资金。由于此装置具有稳压软启动功能，可以克服因气体放电灯低压启辉失败而严重影响路灯寿命的不利因素，同时克服了光源电压升高10％时光源冷启动大电流冲击烧灯现象。目前，常用的调光控制装置有两种，分别为可控硅调压系统和扼流圈调压系统。可控硅调压系统通过控制器发出相应的电脉冲，控制可控硅导通角，对供电电压做出模拟调节，使可控硅电源按设定值输出电压，供路灯照明使用；扼流困调压系统也是通过微控制器采集电压值，启动调压系统，按预设调压百分比进行电压调整。2.2半夜灯方式在路灯系统中增铺一到两条电缆，对线路上的路灯分别控制，在接近午夜交通量小的时候，熄灭部分电缆控制路灯，以达到节能的目的。但这样做也有缺点，道路照明的均匀度差且灯光零乱,对城市交通及道路景观有一定的负面影响。系统中重点考虑如何在控制方面进行节能设计。3总体设计方案3.1系统总体结构按照路灯远程测控系统的设计要求和要实现的功能，将系统大体分为中央控制室、集中控制器和路灯控制器3层网络结构。系统的总体结构如图3.1-1所示。图3.1-1系统的总体结构四川师范大学成都学院本科毕业设计43.1中央控制室中央控制室是整个系统的最高控制中心，它的硬件主要包括监控中心计算机、打印机、投影设备、路由器、中心服务器、Internet接入设备、与集中控制器通信模块（本系统通过GPRS模块与集中控制器通信）等。软件部分比较复杂，主要包括系统的运行平台Windows操作系统，应用软件以及数据库等。3.2集中控制器集中控制器在整个系统中起到桥梁作用，它通过电力线磁感线与路灯控制器通信，还通过GPRS模块与中央控制室通信。所以它的硬件组成部分主要有控制器CPU、GPRS模块、电力线载波模块、晶体振荡电路、时钟电路等。它主要是负责信息的采集和发送，控制命令的传递等。软件部分主要是信号的接收和发送。3.3路灯控制器路灯控制器直接实现路灯开关控制以及路灯控制状况信息的反馈，并且在发送的信号不能到达目标路灯控制器时，要有路灯控制器在其中作中继传递，以保证信号顺利传输。同时，当路灯控制器无法给电力载波调制解调器反馈信息时，也要有路灯控制器作中继传递。这样就要求路灯控制器有这样几部分组成：控制器CPU、电力线载波模块、陶瓷滤波电路、晶体振动电路、直流电源电路、继电器以及电流电压检测电路。软件部分主要涉及信号的采集和信号的中继传递。4系统通信方式系统的通信方式采用GPRS与电力磁感线通信相结合。中央控制室与电力载波调制解调器之间采用GPRS通信，电力载波调制解调器与路灯控制器的通信是电力磁感线通信的方式。路灯控制器之问的通信采用PLCC通信方式，实现电力载波调制解调器与目标路灯控制器之间的可靠通信，其实质就是中继通信。下面进行通信方式的比较选择。4.1GPRS通信GPRS通信是基于TCP(TransmissionControlProtocol)/IP(InternetProtocol)协议的网络通讯，它支持两种不同的传输层协议，分别是面向连接的TCP协议和无线连接的UDP(UserDatagramProtocol)协议。TCP和UDP的主要区别在于：①从对系统资源的要求上看，TCP较多，UDP少。②UDP程序结构较简单。③TCP是基于流模式的，UDP是基于数据报模式的。④TCP能够保证数据正确性和数据的顺序，而UDP可能会丢包，数据顺序也没有保证。四川师范大学成都学院本科毕业设计5另外，结合网络的情况具体看它们的区别：①TCP传输存在一定的延时，大概是1600ms，UDP响应速度稍微快一些。②从协议的包头结构来看，TCP包头至少有20字节，UDP的包头则小很多。③从GPRS网络端口资源分析，UDP十分紧缺，变化很快。而TCP采用可靠链路传输，不存在端口变化的问题。该系统中要求中央控制室和GPRS模块能相互的、实时的传输数据。TCP本身就是可靠链路传输，提供一个实时的双向的传输通道，能很好的满足这一要求。而对于UDP传输，在一段时间没有数据流造后，端口容易改变，产生的影响就是从中央控制室向GPRS模块发送数据，GPRS模块接收不到。从通讯的可靠性方面来说，不容许传输过程中的数据丢失或者最大限度的要求数据的可靠性。否则，根本无法实现远程监控。从这一点来看，很显然在无线数据传输过程中，TCP比UDP更能保证数据的完整性、可靠性，存在更小的丢包牢。从经济性的角度考虑，要求降低费用，和费用直接相关的就是流量了，流量低，费用就低了。虽然TCP本身的包头要比UDP多，但是UDP在实际应用中往往需要维护双向通道，就必须要通过大量的包数据来维护端口资源。总的比较下来，UDP的实际流量要比TCP还要大。基于对以上几点的考虑，文中认为TCP传输更能满足该系统对通讯的要求，所以在该系统的GPRS通讯部分，选择了TCP协议。中央控制室与电力载波调制解调器之间的通信方式是GPRS无线通信形式。4.2电力载波通信简介电力载波通信（PowerLineCarrier，以下简称PLC）是指利用已有的低压配电网作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的一种技术。PLC技术出现于20世纪20年代初期，那时主要集中在11kV以上的高压远距离传输。到了20世纪50年代，高压电力线通信技术已广泛用于监控、远程显示、设备保护及语音传输等领域。50年代后至90年代早期的30多年中，PLC开始应用在中压和低压电力网络。20世纪90年代中后期以来，低压电力载波通信成为国内外电气工程、网络工程等领域的热门研究课题。低压电力线载波通信,其解决方案的优劣直接影响到系统的技术水平和实用性。一个合理的解决方案必须是在充分地考虑了PLC技术特点的基础上提出：4.2.1工作频段早在20世纪90年代初期，欧洲就提出了BSEN50065标准，此标准对与于低压电力线上的载波信号的频段、频带和电平等做出了具体的规定。迄今为止，这一标准仍是全球唯一具有针对性的标准，全世界范围内在低压电力线上的任何方式载波无不严格地四川师范大学成都学院本科毕业设计6遵循它。此标准的第一部分即：BSEN50065-1对频段的规定是：3KHz-9KHz----电力公司专用频段9KHz-95KHz----电力公司和经电力公司许可的用户使用的频段95KHz-148.5KHz----其它用户使用的频段当今的技术发展日新月异，全球不少重量级的公司（例如Microsoft、Intellon、THOMSON、3COM、AMD等）都不惜高昂的研发费用，开发低压电力线资源，低压电力线作为一种新的通信载体，将在未来家庭网络技术方面发挥出不可替代的作用。可以相信在不久的将来，低压载波电力线将同无线电波一样变得十分宝贵，因此将受到严格的管理和控制。4.2.2传输速率载波通信的传输速率是自动抄表系统的一项重要技术指标，也是载波通信技术水平的一项重要标志。通信速率（波特率）和误码率是一对