基于GPRS和PLC的遠程路燈監控系統設計

劉萌,鄭煊

(1.山東教育學院 物理科學與技術系,濟南250202; 2.山東凱文科技職業學院)

劉萌(碩士研究生),主要從事智能監控和無線通信方面的研究。

1 GPRS技術簡介[1]

GPRS(General Packet Radio Service,通用分組無線業務)是一種基于第二代移動通信系統GSM的無線分組交換技術,特別適用于間斷的、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸,也適用于偶爾的大數據量傳輸。GPRS的傳輸速率最高可達171.2 kbps,實際應用中的平均速率也高達53.6 kbps。GPRS為移動用戶和數據網絡之間提供連接,為移動用戶提供高速無線接口和X.25服務。GPRS采用數據分組交換技術,每個用戶可同時占用多個無線信道,同一無線信道又可以有多個用戶共享,因而資源被有效利用。用戶永遠在線,按流量計費,降低了服務成本。

利用GPRS進行數據傳輸具有如下的優點:

①接入范圍廣。GPRS是在現有的GSM網上升級,可充分利用全國范圍的電信網絡,可以方便、快速、低成本地為用戶數據終端提供遠程接入網絡的部署。

②傳輸速率高。理論值最高可達171.2 kbps,是當前GSM網絡中電路數據交換業務速度的十幾倍。下一代GPRS業務的速度甚至可以達到384 kbps,完全可以滿足用戶應用需求。

③登陸快捷。GPRS接入等待時間短,可快速建立連接,平均耗時為2 s。

④永遠在線,提供實時在線功能。“實時在線”或“永遠在線”即用戶隨時與網絡保持聯系。即使沒有數據傳送,終端也一直與網絡保持聯系,這將使訪問服務變得非常簡單、快速。

⑤按流量計費。用戶只有在發送或接收數據期間才占用無線資源,按照用戶接收和發送數據包的數量計費。沒有數據流量時,用戶即使掛在網上也不收費。

⑥切換自如。用戶在進行數據傳送時,不影響語音信號接收。數據業務和語音業務的切換有自動和手動2種方式,具體形式依據不同終端而定。

2 系統總體結構

按照路燈遠程測控系統的設計要求和要實現的功能,將系統大體分為中央控制室、集中控制器和路燈控制器3層網絡結構[2]。系統的總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

第1層中央控制室是1臺PC服務器,負責整個城市路燈的監控;第2層集中控制器負責一條街上全部路燈的控制;第3層路燈控制器負責同一燈桿上的所有燈具。其中,1層與2層之間使用了GPRS無線通信網,這兩層之間距離遠,雖然通信成本較高但通信成員少。2層與3層應用了窄帶電力線載波通信技術,利用現有的電力線傳輸信號,不用另外鋪設線纜,幾乎沒有運行成本,特別適合通信對象多的情況。

另外,本設計還具有電量計量等功能,由電壓互感器和電流互感器對各路段路燈的電力參數進行實時采集,將采集到的數據進行分析和存儲,或者通過監控中心的巡檢把現場各路段工作參數(包括電壓電流開關量等)傳回監控中心。監測終端能自動檢測到跳閘、斷路、電壓異常、供電故障、開關燈控制異常等突發事件,并及時將告警數據上傳監控中心,以供監控中心值班人員及時了解情況做出處理。GPRS通信網絡是監控中心與無線數據采集監測終端的數據傳輸通道,選用固定IP地址方式通過GPRS網絡將所采集到的工作參數主動、及時地上傳到監控中心[3]。

3 系統硬件設計

3.1 GPRS發送模塊電路設計

GPRS模塊主要實現無線上網的功能。市場上有一些成熟的產品,譬如說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/GPRS10級模塊,主要優點有低功耗、接口簡單、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS 10、開發多媒體應用、價格較低等。同時,它也提供SMS(短消息服務)和語音功能。GPRS模塊提供RS232接口,可以通過它來完成對模塊的控制,譬如撥號和切換模式等。一旦通過模塊連接上Internet,采集到的數據就可以用TCP/IP傳輸方式發送到任意一臺具有公網IP地址的主機上去,從而實現采集數據的無線傳輸[4]。圖 2給出了由 CMS91構成的GPRS發送模塊的電路原理圖。

在該設計中,CMS91模塊相當于1個無線調制解調器用戶的應用系統,需要通過PPP(LCP/PAP/IPCP)先和運營商的 Internet接入服務器連接,然后才能應用 TCP/IP/UDP或者更高一層的應用層程序(如 HT TP、FTP等)進行通信。該模塊已經集成了1個天線接收機模塊,實際使用時需接入SIM卡插座。GPRS終端是通過RS232接口與設備進行通信的,利用電平轉換芯片MAX232實現了微處理器的TT L電平與 RS232電平的轉換。MAX232能滿足TIA/EIA-232-F和1TU v.28標準的要求,其工作電源電壓為3～5.5 V,有1個驅動器和1個接收器,數據速率最高可達250 kbps,該芯片具有靜電保護功能和自動掉線的特點。

圖2 GPRS模塊設計

3.2 電力線載波模塊設計[5]

電力線接口模塊由線驅動器和線接口組成,它的主要功能是:

①發送模式中,用于將ST7537送來的傳送信號(ATO)放大和濾波;

②接收模式中,從電力線給ST7537的接收口提供接收信號;

電力線接口模塊的框圖如圖3所示。線驅動器起放大ST7537的輸出信號(ATO)的作用。為了使線驅動器適用于電力線,使用了線接口。在線接口中使用了變壓器,其功能為:

◆把其他電路與電力線隔離開;

◆把傳輸信號送到電力線上去;

◆從電力線中提取出接收信號;

◆濾除傳輸信號中的諧波。

電力線接口模塊的電路原理圖如圖4所示。

圖3 電力線接口框圖

圖4 電力線接口模塊設計

復合晶體管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RX/TX=0(接收模式)時,ST7537輸出信號PABC=1和PABC=0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個主繞組和2個副繞組組成。繞組比例為 4 ∶1 ∶1,其參數為 :主繞組 9.4 μ H,副繞組 140 μ H,C1=2.2 nF。為了防止非線性畸變,C2的線性必須非常好,C3濾除從電力線過來的50/60 Hz的信號,并有短路保護功能。當相位不知時,使用附加電容C4加到C3上去,組成放電回路,避免發生觸電危險。

為了避免尖峰信號對電路的破壞,采用1個雙向穩壓管。當電壓值大于或等于穩壓管電壓時,穩壓管就會短接到地,保護接口電路地器件不會被燒壞。

另外,該系統采用了Dallas半導體公司的DS1302涓流充電時鐘芯片。該芯片是可編程I2C串行接口時鐘芯片,還提供31字節的非易失SRAM用于數據存儲。優點是電路結構簡單,可以通過單片機的任意I/O口作為SCL和SDA信號線,編程簡單,成本較低。

4 系統軟件設計

系統主要采用無線Modem CMS91來進行歷史數據、實時數據以及報告信息的遠程傳輸。通過單片機AT指令對CMS91進行上網前的設置和數據的傳輸。當收到CMS91的正確反饋回答后,1條物理信道就在CMS91和GPRS網絡之間建立起來。單片機通過向Modem發送不同的AT命令來控制其工作。

CMS91加電后,應用程序需通過P0口操作CMS91的ON/OFF控制位,CMS91正式啟動的過程大約3～5 s,若CMS91接有有效的SIM卡,CMS91將附著在GPRS網絡。對CMS91的串口讀寫操作仍然由中斷服務程序來實現,復位上電后,程序先進行工作頻率等參數的設置,然后進行撥號和PPP協商。PPP協商成功后,將得到系統本地IP,一旦獲得自己的 IP,系統實際上就已經連入Internet,但要和連入Internet的另一IP終端通信,就還需要與另一IP終端進行端對端的TCP連接。在TCP連接成功后,整個程序將保持這個連接狀態。進入TCP連接狀態后,可能會收到TCP連接的另一IP終端發來的數據,在層層解包處理之后,便可以得到TCP層之上的種種應用層數據。如果要向對方發送數據,則要先進行中斷請求發送,在等到TCP連接建立之后方可發送。這部分TCP/IP協議的處理由CMS91內嵌的單片機來完成[6]。

GPRS模塊發送子程序和接收子程序的流程如圖5所示。

圖5 GPRS模塊子程序

5 結 論

本文設計的基于GPRS和PLC的遠程路燈監控系統,相對于以往的時鐘以及光電控制路燈,能夠對路燈線路進行有效的監控,實現遙控、遙測和遙信功能,而且運行穩定、可靠。該設計采用GPRS和PLC進行通信,無需重新鋪設線纜和構建新的通信網絡,運行成本很低,具有很好的應用和推廣價值。

[1]鐘章.GPRS通用分組無線業務[M].北京:人民郵電出版社,2001.

[2]王剛.路燈遠程監控系統結構及關鍵技術研究[D].南京:南京理工大學,2004.

[3]黃志強,韓月霞,周茂.基于GPRS-Internet的城市路燈遠程監控實現[J].微計算機信息,2007,23(1-1).

[4]馮志芬,盛青松.基于GPRS路燈無線監控系統的實現[J].大眾科技,2006(8):53-54.

[5]ST.ST7537HS1 Home Automation Modem SGS-Thomson Microelectronics,1995.

[6]曹莉.基于GPRS的遠程監控系統的研究[D].武漢:武漢理工大學,2007.