照明監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

高 原 陳文升

（遼寧省人防建筑設(shè)計(jì)研究院 遼寧 沈陽(yáng) 110032）

1 建設(shè)照明監(jiān)控系統(tǒng)的必要性

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，城市照明建設(shè)越來(lái)越注重于城市的形象，道路照明和景觀照明的要求和數(shù)量不斷增加，今后城市照明管理部門除了管理城市道路照明外，還將參與城市景觀燈的管理。因此各級(jí)政府和市民對(duì)城市的建設(shè)、道路照明和景觀照明提出更高的要求。希望實(shí)現(xiàn)城市照明管理的現(xiàn)代，使城市管理水平達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

2 現(xiàn)行控制方法及其缺陷

現(xiàn)在采用控制方法以分散時(shí)控方式為主，即在路燈配電箱中安裝定時(shí)器，按預(yù)定的時(shí)間自行開/關(guān)燈；而有些景觀燈開關(guān)通常是人工手動(dòng)控制方法。

現(xiàn)行的方法既不能及時(shí)調(diào)整開/關(guān)燈的時(shí)間，更無(wú)法及時(shí)反映照明設(shè)施的運(yùn)行情況，并且故障率高、維修困難。隨著城市的不斷發(fā)展，控制范圍越來(lái)越大，現(xiàn)行的控制方法無(wú)法及時(shí)反映照明設(shè)施的運(yùn)行情況，使得維修工作十分被動(dòng)。運(yùn)行過(guò)程中的故障只有等待巡視人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)才能發(fā)現(xiàn)，或者被動(dòng)地等待市民的電話反映，因此難以做到及時(shí)維修。

在遇到一些接待首長(zhǎng)、迎接國(guó)賓、舉辦大型活動(dòng)等特殊任務(wù)時(shí)，由于缺乏靈活的控制手段，必須臨時(shí)派出大量的人員到現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作照明開關(guān)箱或者臨時(shí)通知各景觀燈單位，因此在時(shí)間十分緊迫的情況下，無(wú)法滿足領(lǐng)導(dǎo)和市民的要求。

此外，由于缺乏靈活的控制手段，花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)建設(shè)起來(lái)的各類景觀燈，難以充分發(fā)揮應(yīng)有的效能。

3 照明自動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)

3.1 分組控制

系統(tǒng)根據(jù)不同類型的照明控制要求，把全市路燈和景觀燈分成若干組，分別采用時(shí)控方案或時(shí)控和光控相結(jié)合的控制方案，自動(dòng)遙控開/關(guān)全夜燈、半夜燈和景觀燈；也可以手動(dòng)對(duì)全夜燈、半夜燈和景觀燈進(jìn)行遙控開/關(guān)操作；在特殊情況下，可以實(shí)現(xiàn)白天亮燈。

3.2 時(shí)控和光控相結(jié)合的路燈控制方案

目前,路燈控制方案主要有時(shí)控法和光控法兩種。

時(shí)控法的主要缺點(diǎn)是不考慮天氣對(duì)光照度的影響，每天在固定的時(shí)間開/關(guān)燈；從而造成陰雨天光照度嚴(yán)重不足但沒(méi)有開燈，或者晴朗天氣雖然到了固定開燈時(shí)間但光照度仍然充足，白白浪費(fèi)電力；關(guān)燈時(shí)間的固定不變，同樣出現(xiàn)類似的不合理現(xiàn)象。此外，隨著季節(jié)的變化，定時(shí)器需要人工頻繁地調(diào)整。光控法的主要缺點(diǎn)是在光線不足的白天，或者夜晚有強(qiáng)光照射時(shí)都有可能發(fā)生誤動(dòng)作。

為了克服兩者的不足，本系統(tǒng)采用時(shí)控和光控相結(jié)合的路燈控制方案。該方案基于模糊控制理念，以當(dāng)?shù)?365天日出日落的時(shí)間作為基本條件，設(shè)定一個(gè)有效的開/關(guān)燈時(shí)段，在此時(shí)段內(nèi)根據(jù)光照度的具體情況自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的開/關(guān)燈命令；若該時(shí)段結(jié)束時(shí)光控仍未起作用，則在該時(shí)段結(jié)束時(shí)，監(jiān)控終端自動(dòng)按時(shí)控方式開/關(guān)燈。

4 照明監(jiān)控通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)通信方案

圖1

在照明監(jiān)控系統(tǒng)中目前可采用的通信方案主要有無(wú)線專用網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)中的GSM短消息、USSD和GPRS通信方式。本系統(tǒng)通信方案選擇無(wú)線移動(dòng)公用網(wǎng)的GPRS通信方式。

通信系統(tǒng)的組成框圖見圖1。

4.2 系統(tǒng)GPRS通信方案特點(diǎn)

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)的英文簡(jiǎn)稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),具有“永久在線”、“高速傳輸”等優(yōu)點(diǎn)。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。

相對(duì)于原有GSM撥號(hào)方式的電路交換數(shù)據(jù)傳輸方式, GPRS網(wǎng)絡(luò)采用的分組交換技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

4.2.1 永久在線。即用戶無(wú)需為每次數(shù)據(jù)的訪問(wèn)建立呼叫連接

4.2.2 高速傳輸。數(shù)據(jù)傳輸速率理論上最高可以達(dá)到171.2kbps,目前傳輸速率可以一般達(dá)到40kbps

4.2.3 流量計(jì)費(fèi)。用戶只需要為接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)支付費(fèi)用，因此相對(duì)運(yùn)行費(fèi)用較低

4.2.4 快捷登錄。 一般只須10秒即可登錄互聯(lián)網(wǎng)

GPRS采用與GSM同樣的無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的TDMA幀結(jié)構(gòu)，其分組數(shù)據(jù)信道與當(dāng)前的電路交換的話音業(yè)務(wù)信道極其相似。因此，現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)從一開始就可提供全面的GPRS覆蓋。

監(jiān)控中心的前后臺(tái)監(jiān)控微機(jī)接入Internet（可采用DDN專線、ADSL等多種方式），GPRS終端與監(jiān)控中心建立連接，監(jiān)控中心與GPRS終端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)傳遞指令和數(shù)據(jù)。

4.3 GPRS系統(tǒng)組網(wǎng)方式

GPRS的應(yīng)用非常廣泛，幾乎所有行業(yè)都能用到GPRS的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。但每種行業(yè)的實(shí)際需求和復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境都大不相同，所以每種行業(yè)都會(huì)有自己獨(dú)特的功能要求和組網(wǎng)方式。目前GPRS的組網(wǎng)方式有以下四種可行的組網(wǎng)方案：

4.3.1 方案一：中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP或者公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS解析服務(wù)。此種方案向先INTERNET運(yùn)營(yíng)商申請(qǐng)ADSL等寬帶業(yè)務(wù)。

1）中心公網(wǎng)固定IP：監(jiān)控點(diǎn)直接向中心發(fā)起連接。運(yùn)行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。

2）中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS解析服務(wù)：客戶先與DNS服務(wù)商聯(lián)系開通動(dòng)態(tài)域名，監(jiān)控點(diǎn)先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費(fèi)用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務(wù)商。此種方案適合小規(guī)模、對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合中應(yīng)用。

4.3.2 方案二：中心采用主副GPRS-DTU，采用移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+移動(dòng)DNS解析服務(wù)。

此種方案客戶先與移動(dòng)DNS服務(wù)商聯(lián)系開通移動(dòng)動(dòng)態(tài)域名，監(jiān)控點(diǎn)先采用域名尋址方式連接移動(dòng)DNS服務(wù)器，再由移動(dòng)DNS服務(wù)器找到中心移動(dòng)動(dòng)態(tài)IP，建立連接。中心也用GPRS-DTU做接收端，但GPRS無(wú)線方式的中心不如有線方式的穩(wěn)定，所以采用主副兩個(gè)GPRS-DTU作冗余備份。主中心GPRS-DTU接收端掉線時(shí)，所有監(jiān)控點(diǎn)自動(dòng)轉(zhuǎn)到副中心GPRS-DTU接收端。此種方式也可以大大節(jié)約固定IP的費(fèi)用，但并不是所有移動(dòng)公司都提供DNS解析服務(wù)，所以要在有DNS解析服務(wù)的省市才能采用此種方案。此種方案適合小規(guī)模應(yīng)用。此種方案時(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性較差，不推薦使用。

4.3.3 方案三：中心采用主副GPRS-DTU，采用移動(dòng)APN專網(wǎng)固定IP。

此種方案客戶先與移動(dòng)申請(qǐng)APN專網(wǎng)業(yè)務(wù)。移動(dòng)為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請(qǐng)?jiān)揂PN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN。得到APN后，給所有監(jiān)控點(diǎn)及中心分配移動(dòng)內(nèi)部固定IP。此種方案中心也像方案二一樣采用主副兩個(gè)GPRS-DTU作接收端，冗余備份。但此種方案較方案二而言，無(wú)需DNS解析，本身具有移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)固定IP，減少中間環(huán)節(jié)，穩(wěn)定性增強(qiáng)；且所有數(shù)據(jù)都在移動(dòng)GPRS的APN內(nèi)網(wǎng)傳輸，無(wú)需經(jīng)過(guò)公網(wǎng)，安全性增強(qiáng)。此種方案無(wú)需負(fù)擔(dān)寬度專線月租費(fèi)用，性價(jià)比合理，推薦使用。

4.3.4 方案四：中心采用移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)固定IP地址，監(jiān)控點(diǎn)采用普通的移動(dòng)動(dòng)態(tài)IP。

此種方案客戶先與移動(dòng)服務(wù)商聯(lián)系，可以就近從移動(dòng)GSM基站引入光纖專線，開通移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)固定IP，監(jiān)控點(diǎn)先采用普通的SIM卡并開通GPRS功能，通過(guò)移動(dòng)內(nèi)部網(wǎng)關(guān)與中心建立連接。此種方式也可以大大節(jié)約固定IP的費(fèi)用，各監(jiān)控點(diǎn)也無(wú)需設(shè)置固定IP。此種方案實(shí)時(shí)性較好，由于監(jiān)控點(diǎn)使用動(dòng)態(tài)IP，穩(wěn)定性稍差一些，推薦使用。

4.3.5 方案五：中心采用APN專線，所有點(diǎn)都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP。

此種方案客戶中心通過(guò)一條2M APN專線接入移動(dòng)公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進(jìn)行廣域連接，在GGSN與移動(dòng)公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請(qǐng)?jiān)揂PN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN。得到APN后，給所有監(jiān)控點(diǎn)及中心分配移動(dòng)內(nèi)部固定IP。移動(dòng)終端和服務(wù)器平臺(tái)之間采用端到端加密，避免信息在整個(gè)傳輸過(guò)程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進(jìn)行隔離，并在防火墻上進(jìn)行IP地址和端口過(guò)濾。

對(duì)與照明監(jiān)控系統(tǒng)而言，由于系統(tǒng)組成的監(jiān)控點(diǎn)較多，實(shí)時(shí)性要求較高，因此建議采用第五種通信組網(wǎng)方式。為此照明監(jiān)控中心的服務(wù)器將需要專線方式接入移動(dòng)公司的GPRS網(wǎng)絡(luò)，所有的監(jiān)控終端都采用特定IP地址，以保證監(jiān)控信息的可靠、安全、及時(shí)的傳輸。

5 系統(tǒng)控制中心（調(diào)度端）設(shè)計(jì)

照明監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)度端采用前、后臺(tái)機(jī)連網(wǎng)工作方式，選用帶看門狗的適合連續(xù)工作的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。一般情況下，前臺(tái)機(jī)作為監(jiān)控工作站承擔(dān)遙測(cè)、監(jiān)控、調(diào)度等工作；后臺(tái)機(jī)平時(shí)自動(dòng)備份前臺(tái)機(jī)的數(shù)據(jù)，當(dāng)前臺(tái)機(jī)出現(xiàn)故障的情況下，可以隨時(shí)切換頂替前臺(tái)機(jī)工作；從而極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，考慮到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)接口，接入服務(wù)器、管理工作站等，系統(tǒng)就可以很方便地組建為路燈管理處局域網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)照明監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和圖像信息共享。

系統(tǒng)外部的計(jì)算機(jī)均可通過(guò)撥號(hào)上網(wǎng)，采用加密查詢的方式訪問(wèn)相應(yīng)的各類最新和歷史數(shù)據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)也可以通過(guò)電話語(yǔ)音方式查詢當(dāng)前的最新情況，或指定相應(yīng)的電話號(hào)碼和告警方式實(shí)現(xiàn)電話語(yǔ)音告警。整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)為今后的生產(chǎn)管理與辦公自動(dòng)化的實(shí)施奠定了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)保留了足夠的軟件與硬件擴(kuò)展接口，以便現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)能隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

圖2 中央控制室系統(tǒng)框圖

6 圖像監(jiān)視系統(tǒng)方案

6.1 圖像傳輸方式的選擇

6.1.1 有線寬帶網(wǎng)傳輸方案

如果采用郵電部門的公用寬帶網(wǎng)作為圖像傳輸通道具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、施工方便、操作靈活、價(jià)格較低等特點(diǎn)。但由于目前采用的ADSL寬帶網(wǎng)的通信速率只有500K左右，只能傳輸分辨率為352*240的MPEG-4壓縮格式的圖像，據(jù)實(shí)際使用的效果，圖像質(zhì)量不能滿足要求。

6.1.2 光纖傳輸方案

由于光纖通信的帶寬、通信容量大，傳輸質(zhì)量最好。但光纜的安裝架設(shè)涉及到市政工程的破路施工，因此真正實(shí)施有相當(dāng)大的困難。但由于一般大城市都建立了交警指揮中心，通過(guò)設(shè)在各路口的攝像鏡頭和鋪設(shè)的光纜，把圖像信息傳送到指揮中心。為此可以在路燈管理處到交警指揮中心架設(shè)一根光纜，把各路口的圖像信息傳送到路燈管理處，實(shí)現(xiàn)圖像信息的共享。

6.1.3 無(wú)線微波傳輸方案

采用無(wú)線微波傳輸方案比較靈活、施工比較簡(jiǎn)單，但所用的無(wú)線通信頻率要由無(wú)管會(huì)審批，當(dāng)通信距離較遠(yuǎn)或信號(hào)較弱時(shí)，易受到外界的干擾。

6.2 圖像監(jiān)視系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由可遙控云臺(tái)、具有變焦鏡頭的彩色攝象機(jī)、圖象傳輸處理器、通信設(shè)備（由采用不同的傳輸方案來(lái)決定設(shè)備的形式）、通信信道、電腦等設(shè)備構(gòu)成。

圖像監(jiān)控微機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各圖像監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圖像信息，并實(shí)現(xiàn)圖像的處理，存儲(chǔ)和送到圖像監(jiān)控投影機(jī)上顯示。

7 總結(jié)

采用城市照明自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)以后，全市范圍的全夜燈、半夜燈和景觀燈的開/關(guān)均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。同時(shí)，由于照明自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)具有自動(dòng)報(bào)警和巡測(cè)、選測(cè)功能，調(diào)度人員可以在故障發(fā)生后的數(shù)秒鐘內(nèi)及時(shí)了解故障的地點(diǎn)和狀態(tài)，為及時(shí)進(jìn)行修復(fù)提供了有力的保障。路燈維護(hù)及時(shí)，可以極大地減少對(duì)照明管理部門的投訴、減少道路交通事故的發(fā)生，有利于城市的治安，產(chǎn)生極大的社會(huì)效益，從而進(jìn)一步提高城市的形象。

［1］劉曉勝,牟英峰,孔偉.路燈照明系統(tǒng)中的組群控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2004(9).

［2］向敏,徐洋,崔萍.基于無(wú)線技術(shù)的光控路燈控制器設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表,2007(5).

［3］王旭東.試論市政路燈照明監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng),2010(19).

［4］鄭躍飛.智能照明自動(dòng)調(diào)控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)研究[J].科技資訊,2009(25).

［5］劉小彩.基于電子技術(shù)的智能照明調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子質(zhì)量,2008(8).

［6］金仁成,張?zhí)斐?蔣勇.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[期刊論文].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2004(12).

［7］溫宗建.高速公路路燈照明監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].2004.