城市路燈智能監(jiān)控管理系統(tǒng)研究

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(遼河油田電力集團(tuán)錦州供電工區(qū)，錦州121209)

0 引言

城市路燈照明系統(tǒng)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其功能已經(jīng)從單純的照明逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊阑h(huán)境、改善形象、活躍經(jīng)濟(jì)。由于路燈數(shù)量眾多、布置分散、運(yùn)行管理困難和沒(méi)有通信功能，其管理和維護(hù)相當(dāng)困難。傳統(tǒng)的管理方式是依賴人工巡線檢查其工作狀態(tài)，只能控制開關(guān)狀態(tài)，無(wú)法掌握在線路燈的電壓、電流等工作狀態(tài)，造成管理混亂，維護(hù)遲緩［1］。社會(huì)的發(fā)展對(duì)路燈的開關(guān)燈運(yùn)行、節(jié)約能源、亮燈率和景觀照明提出了更高要求，因此必須利用先進(jìn)技術(shù)提出一種合理有效的控制管理方案。

近年來(lái)，隨著電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展和日漸成熟，將其應(yīng)用在城市路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)中，不僅能控制城市路燈在不同時(shí)段的開關(guān)狀態(tài)，也可以采集路燈的電壓、電流信息，檢測(cè)其短路和斷路故障，還能夠通過(guò)載波信息實(shí)時(shí)查詢解析各路段的線路完整性，保護(hù)路燈和電纜被偷盜。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是建立基于地理信息系統(tǒng)、借助無(wú)線通信和電力線載波通信技術(shù)，研制適合路燈控制的終端控制器，形成集中管理分散控制的管控一體化系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能有：按照日落日出時(shí)間曲線自動(dòng)設(shè)定開關(guān)燈時(shí)間;在中央控制室能實(shí)現(xiàn)群組操作、單燈控制;自動(dòng)巡檢各個(gè)終端的工作狀態(tài);自動(dòng)記錄故障信息并報(bào)警［2］。

整個(gè)監(jiān)控管理系統(tǒng)由中央控制室、路段控制器和單燈控制器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。中央控制室主要由工控機(jī)、自動(dòng)化監(jiān)控軟件、數(shù)傳電臺(tái)及其它外圍設(shè)備組成，負(fù)責(zé)對(duì)路段控制器和單燈控制器的控制及接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，顯示系統(tǒng)整體及局部工作情況。路段控制器接受中央控制室的巡檢指令，向上匯報(bào)本路段各路燈的工作狀況，向下傳輸中央控制室的控制指令，根據(jù)不同時(shí)段對(duì)本段路燈做出不同的控制。

中央控制室通過(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)將控制指令發(fā)給路段控制器;路段控制器通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)接收到中央控制室的控制命令進(jìn)行解碼，轉(zhuǎn)換成具體的各個(gè)控制動(dòng)作經(jīng)過(guò)SSC P300電力線載波通信模塊發(fā)送到電力線上;單燈控制器用SSC P300電力線載波通信模塊接收路段控制器的控制命令，通過(guò)地址判斷是否為對(duì)自身的控制指令，如是則按照控制指令動(dòng)作實(shí)現(xiàn)開關(guān)燈等操作;若監(jiān)控中心需要路燈的工作狀況信息，則單燈控制器采集自身的電壓電流等信息，經(jīng)過(guò)SSC P300電力線載波通信模塊返回給路段控制器，路段控制器再經(jīng)過(guò)數(shù)傳電臺(tái)將信息上傳給中央控制室。在中央控制室內(nèi)，通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)控軟件和電力地圖，即可查看任意路燈的工作狀況和故障信息，可實(shí)現(xiàn)路段或單燈控制;路段控制器中有時(shí)鐘芯片，根據(jù)日出日落曲線即可自行控制本路段的路燈開閉，有效地節(jié)省了大量人力物力財(cái)力，加強(qiáng)了路燈的管理和維護(hù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 中央控制室

中央控制室的主要功能是監(jiān)控和管理整個(gè)路燈系統(tǒng)的運(yùn)行，并記錄其運(yùn)行狀況。中央控制室主要是由主控機(jī)1、主控機(jī)2、數(shù)據(jù)服務(wù)器、多媒體、打印機(jī)和不間斷電源等部分組成，如圖1中所示。

圖1 路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

中央控制室內(nèi)采用兩臺(tái)工控機(jī)互為備用，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管理系統(tǒng)的控制指令和巡檢信息的發(fā)送與接收，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，打印報(bào)表等。數(shù)據(jù)服務(wù)器主要是用來(lái)存儲(chǔ)主控機(jī)的操作信息和處理后的數(shù)據(jù)信息，為系統(tǒng)管理和生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表提供數(shù)據(jù)來(lái)源。主控機(jī)和數(shù)據(jù)服務(wù)器之間通過(guò)路由器建立C/S結(jié)構(gòu)，其它經(jīng)授權(quán)的PC機(jī)也可通過(guò)因特網(wǎng)接入該數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和跨地域遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

大屏幕多媒體部分用于動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)區(qū)域的路燈位置、設(shè)備信息及實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，巡檢到故障信息后自動(dòng)轉(zhuǎn)換到報(bào)警窗口，放大故障路燈所在局部地理位置圖像并顯示故障類型和詳細(xì)信息，發(fā)出聲音和燈光報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)處理故障。采用GPS衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)為系統(tǒng)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，定時(shí)校準(zhǔn)路段控制器內(nèi)時(shí)鐘信號(hào)，確保整個(gè)系統(tǒng)工作可靠。不間斷電源為整個(gè)中央控制室的供電系統(tǒng)提供后備電源，防止意外斷電中斷系統(tǒng)正常工作。

2.2 路段控制器和單燈控制器

路段控制器即是系統(tǒng)的上下連接樞紐，又是遠(yuǎn)程測(cè)控單元。一方面路段控制器通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)接收中央控制室的控制指令并下發(fā)給各個(gè)單燈控制器，另一方面要將各個(gè)單燈控制器的工作狀態(tài)信息上傳給中央控制器，起著上傳下達(dá)的作用;另一方面路段控制器要負(fù)責(zé)整個(gè)路段內(nèi)所有路燈按照日出日落曲線自行運(yùn)行，即沒(méi)有中央控制室集中控制或與中央控制室失去聯(lián)系后也要能夠正常工作。為滿足這兩大功能，路段控制器的硬件主要有單片機(jī)、存儲(chǔ)擴(kuò)展電路、無(wú)線通信電路、數(shù)據(jù)采樣及調(diào)理電路、人機(jī)界面和電力線載波模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 路段控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖

控制核心單片機(jī)采用TI公司的MSP430F149，內(nèi)部包含了看門狗和AD采樣，具有能耗低、啟動(dòng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，輸入輸出口有中斷能力，極大地減少了外圍電路，對(duì)于降低系統(tǒng)成本和提高可靠性意義重大。人機(jī)界面采用大尺寸液晶屏和編碼鍵盤，可供維護(hù)人員就地操作。

單燈控制器總體結(jié)構(gòu)與路段控制器基本相同，少了數(shù)傳電臺(tái)和人機(jī)界面，增加了繼電器輸出單元用于路燈的打開和關(guān)閉。

2.3 SSC P300載波通信模塊

Intellon公司的SSC P300是一個(gè)高度集成化的電力線收發(fā)器和信道接入接口，在低壓電力線網(wǎng)絡(luò)中作為基本通信單元。SSC P300載波通信模塊功能框圖如圖3 所示［3］。

圖3 SSC P300載波通信模塊功能框圖

接收時(shí)通信信號(hào)首先從信號(hào)接收17號(hào)引腳進(jìn)入SSC P300，然后被緩存放大器放大，放大后的信號(hào)通過(guò)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以便對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)處理包括一個(gè)配套的濾波相關(guān)器以檢測(cè)"chirp"波形。而載波檢測(cè)和媒體狀態(tài)信息，則從DSP電路傳輸?shù)綌?shù)據(jù)鏈路(DLL)后的微處理器，以實(shí)現(xiàn)將分組解碼、協(xié)議功能和最終的分組傳送給主處理器。

發(fā)送時(shí)，將發(fā)送的分組先從主處理器傳輸給DSP功能塊，DSP可以通過(guò)使用一個(gè)300點(diǎn)的ROM查詢表來(lái)產(chǎn)生擴(kuò)頻載波的高狀態(tài)和低狀態(tài)。此表可以驅(qū)動(dòng)8位D/A轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生"chirp”的模擬波形。當(dāng)二態(tài)信號(hào)被置為高時(shí)，此波形經(jīng)緩存后從腳SO輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 中央控制室與路段控制器通信

中央控制室與路段控制器之間采用數(shù)傳電臺(tái)無(wú)線通信，通信速率1200bps，F(xiàn)SK調(diào)制，異頻雙工模式，星形拓?fù)?：N結(jié)構(gòu)。中央控制室使用廣播指令與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)指令相結(jié)合的方式發(fā)送命令，廣播方式下路段控制器只接收控制命令并執(zhí)行，如校準(zhǔn)時(shí)鐘、修改路燈打開關(guān)閉時(shí)間等操作;點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式下路段控制器首先進(jìn)行地質(zhì)譯碼，如是對(duì)自己的命令則按命令格式執(zhí)行［4］。

3.2 路段控制器與單燈控制器通信

路段控制器與單燈控制器之間采用電力線載波通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。路段控制器將控制指令經(jīng)過(guò)SSC P300電力線載波通信模塊發(fā)送到電力線上，單燈控制器用SSC P300電力線載波通信模塊接收路段控制器的控制命令，通過(guò)地址判斷是否為對(duì)自身的控制指令，如是則按照控制指令動(dòng)作實(shí)現(xiàn)開關(guān)燈、上傳自身工作狀態(tài)信息等操作。

3.3 路段控制器和單燈控制器軟件設(shè)計(jì)

路段控制器的軟件主要有通信程序(包含與中央控制室的通信和與本路段單燈控制器的通信)、人機(jī)界面顯示程序、數(shù)據(jù)采集程序等部分。本路段單燈控制器的站點(diǎn)地址都存儲(chǔ)在路段控制器的存儲(chǔ)器中，當(dāng)接收到中央控制室的廣播命令時(shí)，只執(zhí)行命令不應(yīng)答;當(dāng)收到中央控制室對(duì)自身的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)命令時(shí)，則必須應(yīng)答，按照該命令格式執(zhí)行相應(yīng)的開關(guān)燈、數(shù)據(jù)采集上傳等操作。路段控制器程序流程如圖4(a)所示。

單燈控制器的軟件主要完成按照路段控制器控制指令打開關(guān)閉路燈、電流電壓采樣等操作，其程序流程如圖4(b)所示。

圖4 路段控制器和單燈控制器程序流程圖

4 結(jié)論

本系統(tǒng)將無(wú)線通信和電力線載波通信相結(jié)合用于城市路燈遠(yuǎn)程智能監(jiān)控管理，節(jié)省大量繁重的布線工作，避免單純使用無(wú)線通信成本居高不下、故障頻發(fā)維護(hù)困難的缺點(diǎn)，能夠?qū)Τ鞘新窡粝到y(tǒng)有效地遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。如果路段距離超過(guò)500米，則通信質(zhì)量會(huì)隨距離加大而下降，使用中繼器后有效通信距離能擴(kuò)大到1500米，能夠滿足絕大部分城市路燈自動(dòng)化改造的需要。

［1］孫勇，張東來(lái)，姚雨迎，等.基于SSC P300的路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2006，(8)：74-76.

［2］唐桂忠，張廣明，趙亞琴，等.城市路燈飾燈遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)控技術(shù)，2004，23(8)：36-38.

［3］李永剛，田遠(yuǎn)富，羿颯，等.SSC P300芯片在低壓電網(wǎng)抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)，2001，(5)：43-45.

［4］吳家洲，姚遠(yuǎn)，楊叔子.基于電力線載波通訊的公共路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002，10(1)：39-41.