基于GPRS的城市照明電纜防盜報警系統(tǒng)

廣州正力通用電氣有限公司 劉志祖

一、前言

隨著時代的發(fā)展，城市照明已不僅僅是城建中所必需的公用基礎(chǔ)設(shè)施，而且直接反映了城市的建設(shè)水平和城市風(fēng)貌。城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的不斷加快，對城市道路照明及亮化工程需求日益增加，使人們對城市照明的監(jiān)控管理提出了更高的要求。目前我國城市照明電纜普遍存在著人為的偷盜和施工中的損壞，從而導(dǎo)致照明設(shè)施無法正常運行，給夜間行人、行車安全帶來很大的隱患，也給社會帶來一系列的治安問題；同時城市照明電纜在整個路燈所的固定資產(chǎn)中占著比較大的比例，偷盜和損壞都會帶來較大的經(jīng)濟損失。在城市照明行業(yè)，每年因為照明線纜的偷盜和損壞以及因此帶來的停電造成巨大的經(jīng)濟損失和嚴(yán)重的安全隱患。對于城市照明電纜遭破壞后通過通訊手段及時報警，并對于人為故意破壞及時抓獲，對于施工中的無意損壞及時發(fā)現(xiàn)并依法索賠，同時及時的將線路修復(fù)，都在各個方面可以不斷的減少此類事情的再發(fā)生，從而將目前的損失和今后的損失降到最小。因此，借助于先進的計算機、通信等技術(shù)，開發(fā)研制一套智能化的城市照明電纜防盜報警系統(tǒng)的需求變得越來越迫切。

二、照明電纜防盜監(jiān)測的技術(shù)要求和原理

1.可行的照明電纜防盜監(jiān)測原理探討

目前市場上已有幾種不同原理的城市照明電纜防盜報警設(shè)備，但是基本上不能實現(xiàn)大范圍的推廣，主要原因是其原理的局限性和運行環(huán)境的復(fù)雜性。下面列舉幾種原理和使用情況：

(1)電力載波通訊

目前電力載波通訊的穩(wěn)定性隨著技術(shù)的提升有大幅度的提高，干擾能力有了改善。使用該原理，當(dāng)晚上照明設(shè)施啟動時，照明監(jiān)控終端采用電力載波通訊方式與照明電纜尾端的防盜監(jiān)測單元進行通訊，若通訊不通時，則認(rèn)為照明電纜斷線從而報警。該原理的局限性：

1)不適合公用變壓器的照明電纜線路。由于居民用電和工廠用電都在其中，就會使得照明電纜線路上雜波信號比較強，當(dāng)強于載波信號時就會產(chǎn)生誤報警。

2)無法適用于長距離的照明電纜線路。由于電力載波的有效通訊距離為500米左右，長距離的照明電纜上燈具較多，對電力載波信號產(chǎn)生極大的干擾。

3)無法實現(xiàn)24小時全天候監(jiān)測。由于電力載波通訊需要在供電電纜上實現(xiàn)，當(dāng)白天照明設(shè)施停止工作時，照明電纜線路無電力傳輸，使得電力載波信號失去載體。

(2)照明電纜線路末端加裝監(jiān)測和通訊設(shè)備

使用該原理，是將照明電纜防盜監(jiān)測裝置安裝在照明電纜的尾端，該裝置通過照明電纜供電，并配置可充電后備電源。當(dāng)晚上照明設(shè)施啟動時，防盜監(jiān)測裝置通過照明電纜供電，當(dāng)照明電纜有損壞時，防盜監(jiān)測裝置失去供電，此時使用后備電源工作，將報警信息發(fā)出，實現(xiàn)照明電纜防盜報警功能。該原理局限性：

1)無法實現(xiàn)24小時全天候監(jiān)測。當(dāng)白天照明設(shè)施停止工作時，照明線路無法供給防盜監(jiān)測裝置電能，防盜監(jiān)測裝置無法工作；同時防盜監(jiān)測終端無法區(qū)分照明電纜停電是因為電纜的損壞還是白天停止工作。

2)前期投入成本大。采用該原理，每條照明電纜尾端的防盜監(jiān)測設(shè)備都需要配備通訊系統(tǒng)，成本大。

2.照明電纜防盜監(jiān)測的技術(shù)要求

對于照明電纜防盜的技術(shù)，目前也有人作過研究和開發(fā)，但由于技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)設(shè)想的問題，均沒有成功的產(chǎn)品普及，主要原因是照明設(shè)施數(shù)量龐大，又十分分散，且運行條件十分惡劣，所接負荷情況千差萬別，并常常變動。根據(jù)城市照明設(shè)施的運行特點并結(jié)合對以上可行原理的分析，我們提出以下理想的照明電纜防盜監(jiān)測技術(shù)要求：

(1)照明電纜線路尾端的防盜監(jiān)控設(shè)備是無源的，不采用電池。

(2)無距離的限制，只要在照明電纜線路所到之處均可監(jiān)視。

(3)實現(xiàn)24小時全天候電纜防盜監(jiān)測，即在開燈和關(guān)燈狀態(tài)下均可。

(4)安全可靠、方便、抗惡劣條件、適用面廣、反映快捷、不誤動作、成本低等條件。

2.3 漏電流技術(shù)

本文探討一種可滿足理想照明電纜防盜監(jiān)測技術(shù)要求的技術(shù)，即采用漏電流的方式。圖一所示為照明電纜電流示意圖。根據(jù)基爾霍夫電流定律(KCL)，我們可以得出以下公式：

公式一：Iin=Iout+I漏電流+I偏置電流

Iin：輸入電流；

Iout：輸出電流；

In：照明電纜上第n個燈具工作產(chǎn)生的電流；

I漏電流：照明電纜上所存在的漏電流，設(shè)備首次安裝時需要檢測為已知量；

I偏置電流：人為產(chǎn)生的漏電流，為已知量。

根據(jù)以上原理，在照明電纜尾端安裝一個偏置電流發(fā)生器產(chǎn)生一個已知的偏置電流，同時在照明電纜的首端檢測Iin和Iout。照明電纜正常時，檢測結(jié)果滿足以上公式；照明電纜損壞時，I偏置電流消失，檢測結(jié)果不滿足以上公式。

使用漏電流的技術(shù)原理，照明電纜在開燈時使用照明設(shè)備的工作電源，關(guān)燈時需在照明電纜上提供36V電源，這樣監(jiān)測尾端就能夠?qū)崿F(xiàn)無源設(shè)計，同時實現(xiàn)開燈和關(guān)燈情況下的24小時監(jiān)測，另外該應(yīng)用與照明電纜的長短無關(guān)，是可行和理想的照明電纜防盜監(jiān)測技術(shù)。

三、基于GPRS的城市照明電纜防盜報警系統(tǒng)的組成

城市照明電纜防盜報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖二所示。它由前臺監(jiān)控設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)、后臺監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成：

1.前臺監(jiān)控設(shè)備

城市照明電纜防盜報警系統(tǒng)的前臺監(jiān)控設(shè)備分為安裝在照明控制箱內(nèi)的主控終端和安裝在照明電纜尾部的監(jiān)測尾端。監(jiān)測尾端通過主控終端的供電產(chǎn)生一個偏置電流，主控終端通過監(jiān)測該偏置電流來判定照明電纜是否正常。正常工作時，主控終端主要功能為執(zhí)行后臺監(jiān)控系統(tǒng)命令，無指令時按預(yù)約控制決策，自動向后臺監(jiān)控系統(tǒng)報告各類測量參數(shù)、各類故障和危機情況。

2.通訊網(wǎng)絡(luò)

圖一 照明電纜線路電流示意圖

圖二 城市照明電纜防盜報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖三 城市照明電纜防盜報警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖四 GPRS/GSM通訊模塊外圍電路結(jié)構(gòu)圖

通訊網(wǎng)絡(luò)是后臺監(jiān)控中心和前臺監(jiān)控設(shè)備之間溝通的橋梁，也是防盜報警系統(tǒng)信息傳輸?shù)耐ǖ?，因此要求通訊網(wǎng)絡(luò)及時性和穩(wěn)定性，同時經(jīng)濟實惠等要求。早期有線公用電話交換網(wǎng)由于使用價格高、穩(wěn)定性差等原因已被淘汰；雙工無線數(shù)字通訊(無線數(shù)字電臺)在2G和3G無線通訊技術(shù)出現(xiàn)以前因為其建設(shè)成本低、后期使用維護費用低、有一定穩(wěn)定性和及時性等原因使用較為廣泛，但是其雙工通訊是建立在輪詢的工作方式上，因此在對多個設(shè)備通訊時有很大的延時。隨著2G和3G無線通訊技術(shù)逐漸成熟，用運營商的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率提高，其低廉的使用費用、快速的組網(wǎng)速度、并發(fā)的通訊方式等原因使得雙工無線數(shù)字通訊技術(shù)逐漸被替代。本監(jiān)控系統(tǒng)采用的GPRS網(wǎng)絡(luò)即為成熟的2G網(wǎng)絡(luò)，它與3G網(wǎng)絡(luò)相比，其數(shù)據(jù)傳輸速率更符合照明監(jiān)控行業(yè)的小數(shù)據(jù)量傳輸，且3G網(wǎng)絡(luò)目前處于建設(shè)期，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋率沒有2G網(wǎng)絡(luò)廣泛。照明電纜防盜監(jiān)控終端利用GPRS網(wǎng)絡(luò)與后臺監(jiān)控系統(tǒng)通訊時，同時可利用GSM網(wǎng)絡(luò)，將電纜短線報警以短信息的方式直接發(fā)送到管理人員手機，實現(xiàn)報警的及時性。

3.后臺監(jiān)控系統(tǒng)

后臺監(jiān)控系統(tǒng)主要由硬件設(shè)備和城市照明電纜防盜系統(tǒng)軟件組成。其中硬件設(shè)備包括服務(wù)器、監(jiān)控計算機、顯示系統(tǒng)、UPS電源等等設(shè)備，用于支撐軟件系統(tǒng)的運行。城市照明電纜防盜系統(tǒng)軟件又包括通訊服務(wù)軟件和監(jiān)控客戶端，其中，通訊服務(wù)軟件是通訊的軟件橋梁，主要功能包括偵聽和管理前臺監(jiān)控設(shè)備和監(jiān)控客戶端的連接和通訊、指令的轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)的處理等功能；監(jiān)控客戶端主要提供與前臺監(jiān)控設(shè)備的人機交互界面、相關(guān)運行參數(shù)的設(shè)置、前臺監(jiān)控設(shè)備的實時狀態(tài)顯示、報警信息的及時主動提示、報警信息的轉(zhuǎn)發(fā)、自動化運行處理等功能，使得城市照明管理能夠自動化、智能化，提高管理者的管理水品。

四、照明電纜防盜報警系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.硬件系統(tǒng)組成

照明電纜防盜報警系統(tǒng)的硬件部分分為主控終端和照明電纜的監(jiān)測尾端。其硬件系統(tǒng)組成如圖三所示。主控終端由MCU、時鐘模塊、電源管理模塊、通訊模塊、存儲模塊、電纜防盜監(jiān)測模塊組成；監(jiān)測尾端由MCU、電源管理模塊、偏置電流產(chǎn)生模塊組成。主控終端安裝在照明開關(guān)箱內(nèi)，通過照明電纜給安裝在照明電纜尾端的監(jiān)測尾端供電，監(jiān)測尾端產(chǎn)生一個偏置電流。當(dāng)照明電纜損壞時，主控終端監(jiān)測到偏置電流消失，通過GPRS/GSM通訊模塊發(fā)送電纜斷線報警。

2.硬件系統(tǒng)部分模塊結(jié)構(gòu)和功能

(1)MCU模塊

MCU(微控制單元)是硬件設(shè)備的處理核心。本文的硬件系統(tǒng)MCU模塊采用了TI公司的MSP430單片機。它運行功耗低，處理能力強，且擁有看門狗(WDT)、定時器、比較器、串口、硬件乘法器、ADC、FLASH等多種內(nèi)外設(shè)接口資源，具有實用成本低、開發(fā)效率高、工作穩(wěn)定等特點。

(2)電源管理模塊

電源是硬件設(shè)備正常運行的基礎(chǔ)，電源質(zhì)量的影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行及抗電磁干擾能力。為保證硬件設(shè)備在停電后的運行，主控終端一般會配置后備電池。電源管理模塊主要為硬件設(shè)備的各元器件提供穩(wěn)定的工作電源和對后備電池進行充放電管理。

(3)時鐘模塊

本系統(tǒng)時鐘模塊采用DALLAS公司的DS1302時鐘芯片，該芯片是高性能、低功耗、附帶31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SP1三線接口與CPU進行同步通。它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。該模塊增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。

(4)GPRS/GSM通訊模塊

GPRS/GSM通訊模塊采用明基公司的M23模塊，技術(shù)成熟，性能可靠，它內(nèi)嵌了TCP／IP協(xié)議棧，支持GSM／GPRS通信，而且其具有射頻天線、本地SIM卡連接、TTL串口等接口。本系統(tǒng)設(shè)計只使用了M23的數(shù)據(jù)傳輸和短消息功能，其語音通話功能不使用，因此其與MCU之間的通訊只需通過TTL電平與MCU(MPS430)的UART0接口連接；M23的工作電壓為4.2V，啟動電流達到2A，且對電壓和電流的穩(wěn)定性要求高，因此電源的外圍電路采用LM2576電源芯片供電，保證通訊模塊的工作穩(wěn)定性。

五、總結(jié)

本文主要應(yīng)用漏電流技術(shù)，實現(xiàn)了城市照明電纜防盜報警尾端設(shè)備的無源化設(shè)計，在開燈和關(guān)燈狀態(tài)下的24小時全天候電纜防盜監(jiān)測，且使用不受電纜距離限制等滿足照明電纜條件惡劣、環(huán)境多樣的使用要求。城市照明電纜防盜防盜報警系統(tǒng)使用了傳感技術(shù)、電子技術(shù)、GPRS/GSM無線通訊技術(shù)、計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了照明電纜防盜的自動化監(jiān)控和管理。通過實時的照明電纜監(jiān)測和快速和正確的報警，使維護人員快速響應(yīng)，及時阻止電纜的被盜和依法對施工造成的損壞進行索賠，減少財產(chǎn)損失，降低因電纜被盜造成的社會影響，提高照明管理者的管理水平。

[1]王曉榮,余穎.電工電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].武漢理工大學(xué)出版社,2010.

[2]M23 GSM/GPRS Wireless Module[K].BENQ,2005.