基于GPRS 的智能照明系統控制終端的設計與實現

溫兆奇，徐軍明，秦會斌

(杭州電子科技大學新型電子器件與應用研究所，杭州310018)

傳統的路燈控制方法，如手動控制、定時器控制、光敏控制器控制等，已經無法滿足實時監控和管理的要求，也很難適應現代城市對路燈控制的要求，隨著城市建設的不斷發展，對路燈實時開關、路燈電壓調節、路燈亮度調節等指標都有了更高的要求［1］。現代城市照明監控系統涵蓋了城市道路、城市夜景、城市景觀等城市照明管理單位實現城市照明集中控制的應用系統，其主要通過無線方式實現遠程控制、遠程檢測、故障報警以及實時管理［2］。解決城市照明管理部門對整個城市照明的設備、維護維修以及不能及時發現照明系統損壞等眾多問題。該系統不僅能夠很好實現集中控制問題，同時能夠檢測公共照明的實時運行情況［3］。

1 控制終端的組成

照明系統的控制終端作為亮燈系統的實現基礎，實現路燈終端的數據采集、監測和控制，把采集到的信息和監控的數據及時可靠地傳送到監控中心，同時從監控中心接收控制、設置命令，保證監控中心對路燈進行實時的控制［7］。

控制終端的整體結構如圖1 所示，它由微控制器STM32、GPRS 模塊、遠程抄表模塊、電源模塊、模擬量采集模塊和人機接口幾部分組成。微控制器STM32實現控制終端的所有信息處理，它與GPRS 模塊之間進行RS232 通信，控制GPRS 信息的接收和發送。遠程抄表模塊能夠實時獲取路燈的供電信息，與STM32之間進行RS485 通信。電源模塊負責監控終端的電源管理，模擬量采集模塊可以采集路燈回路的電流信息，他們與主控制模塊之間進行SPI 通信［9］。

圖1 控制終端總體結構

2 控制終端的硬件設計

2.1 主控制模塊

由于控制終端需要2 個SPI 總線，2 個UART，需要普通I/O 二十多個，實時性能要求較高，結合實際需求，在芯片選擇之時采用了意法半導體公司的的STM32F103RB 芯片［10］。它是STM32 增強型系列中的一款芯片。它是32 bit 基于采用ARM 公司具有突破性的Cortex-M3 內核的MCU，自身帶有128 kbyte 閃存，支持USB，CAN，IIC SPI 等通信協議，多達51 個快讀I/O 端口，功能十分強大，圖2 為主控制芯片STM32F103RB 的引腳分布圖。

圖2 主控制模塊引腳分布圖

2.2 GPRS 模塊

GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線業務的英文簡稱，是在GSM 全球移動通信網絡之上發展起來的一種新的承載業務，為用戶提供高速的分組數據業務的一種新的網絡。GPRS 技術是當今GSM 網向3G 移動數據通信網絡過渡的關鍵技術，與原有的GSM 相比，GPRS 在數據業務的承載和支持上具有非常明顯的優勢:資源利用率高、傳輸速率快、接入時間短、支持IP 協議和X.25 協議、網絡安全性搞、計費方式靈活。

GPRS 模塊采用SIEMENS 公司推出的當今世界上尺寸最小的雙頻模塊MC52iR3。其適用于亞洲的頻段長的900 MHz/1 800 MHz，支持GSM/GPRS功能，內嵌TCP/IP 協議棧。MC52iR3 提供了標準的UART 接口，可以直接和STM32F103RB 控制器的UART 接口直接連接，硬件電路實現簡單［11］。圖3 為GPRS 模塊的主要部分原理圖。

微控制器通過AT(Attention)指令對MC52iR3進行控制。AT 指令一般用于終端設備與計算機或者微處理器之間的連接與通信，從數據終端設備(Data Terminal Equipment)發送到電路終端設備(Data Circuit Terminal Equipment)，從而控制電路終端設備進行相應的設置或數據處理。

圖3 GPRS 模塊主要部分原理圖

2.3 模擬量采集模塊

模擬量采集模塊的框圖如圖4 所示，將模擬量采集模塊也設計成一個嵌入式系統，專門用來路燈電流的采集，它與主控制模塊之間構成主從關系。模擬量采集模塊內部也有個微處理器，采用Microchip 公司的PIC16F886 芯片，該芯片是8 bit 處理器當中的中低檔芯片，采集到的實時模擬數據存儲在模塊芯片中，當主控制器請求模擬量參數時，通過SPI 總線將參數傳遞給主控制器。

圖4 模擬量采集模塊框圖

每個模擬量采集模塊可以采集12 路回路電流值。單個回路中，通過電流互感器感應回路電流信號，再經過峰值檢波電路，將信號濾波，放大變成穩定信號后，將數據傳送到處理器，判別電流值的大小。

圖5 為峰值檢波電路，實現對電流信號的采樣。考慮到微控制器的供電電壓為3.3 V，AD 采樣的參考電壓為3.0 V，電路中采用的北京新創四方電子有限公司的bingzi 系列互感器TA1005-1M，它的額定輸入電流達到5 A，額定輸出電流為5 mA。交流互感器的二級繞組一端接地，一端連接在CurrentN端口，通過高精度1‰的采樣電阻R68，將電流信號轉換成交流電壓信號Vi。再通過由U10B，R65，R69，R62構成的同向放大電路，7 腳輸出電壓Vo1公式如下:

圖5 峰值檢波電路圖

監控終端的一個重要任務就是“遙控”功能，從監控軟件端發來的控制命令在監控終端能夠實時輸出控制，監控終端支持12 路的繼電器輸出控制。輸出模塊電路主要包括光電隔離電路和繼電器驅動電路。

2.4 開關量控制模塊

圖6 為光電隔離電路，圖中采用的芯片是東芝的TLP521-4，每塊芯片有4 個獨立的光耦。從圖中可以看出當Relay 信號輸出高電平時，對應的Opt信號也輸出高電平。

繼電器驅動電路由達林頓復合管ULN2803A 及其外圍電路構成。達林頓管通常用于驅動電路中，具有電流放大作用，主要用于大功率開關電路、電機調速，逆變電路，電機驅動等。圖7 右邊電路為第6路繼電器驅動電路圖，繼電器為12 V 直流繼電器，它的左端連接達林頓管，觸頭兩端連接路燈控制柜的交流接觸器。

圖6 光耦隔離電路

圖7 繼電器驅動電路

2.5 電源模塊設計

由LM2576 開關型降壓穩壓器及其外圍電路構成了DC 5 V 產生電路。LM2576 系列的穩壓器是單片集成電路，能夠提供降壓開關穩壓器的各種功能，能夠驅動3 A 的負載，具有優異的線性和負載調整能力，輸入電壓Vin范圍8.0 V＜Vin＜40 V。5 V 產生電路如圖8 所示，其中3.3 V 產生電路采用的芯片是AMS1117-3.3，它能提供電源DC 3.3 V，電流能夠達到800 mA。

圖8 5 V/3.3 V 電源電路

2.6 控制終端實物設計

整個控制終端密封在壁掛式箱子中，在控制箱的底部提供電氣連接端子，人機操作安放在壁掛式箱子的表面，方便管理人員操作，它的實物如圖9 所示。

圖9 控制終端的整體模型

3 控制終端的軟件設計

軟件部分從功能模塊來看，它可以分為幾個部分:初始化配置、模塊檢測、人機操作(包括設置和查看功能)、GPRS 接收與發送消息、ZIGBEE 接收與發送消息、回路繼電器控制和獲取模塊數據。每個功能模塊都有自己的源文件和頭文件，源文件用于軟件功能的實現，頭文件用于定義聲明及接口。主控制模塊的軟件簡略框圖如圖10 所示。

系統啟動后，首先檢測各個模塊的連接情況，當模塊沒有連接好或者未連接時，監控終端會提示模塊連接錯誤。模塊檢測正常后需要操作人員手動配置所連接的服務器IP 地址，進而將監控終端連接至網絡。當系統終端連接至網絡后，就能夠實現信息的交互，系統終端可以接受處理從服務器發送過來的信息，也能夠將ZIGBEE 路燈節點返回的消息通過GPRS 上傳至服務器網絡。

圖10 主控制器程序流程圖

4 結束語

本文介紹的智能照明系統的控制終端不僅能夠實現系統的遙控、遙測和遙信要求，而且實時性好、可靠性高，是一個典型的分布式監控和數據采集系統，集成計算機技術、現代通信技術和自動控制技術于一體［12］。采用前沿的無線通信控制方式，實現集中智能化管理。通過設置照明燈的開關燈時間、報警電流閾值，監控中心能夠自動巡測各個站點信息。各個站點的電參數、燈狀態、故障報警消息能夠及時匯總到監控中心，極大降低了人工成本和維護費用，對城市照明的管理能力有很大提高，具有很大的應用前景。

［1］ 李黎明.安陽市路燈智能監控系統技術簡介［J］. 山西建筑，2012，38(16):132-133.

［2］ 法國城市照明管理集團. 城市照明遠程監控管理系統［J］. 城市照明，2008，12(3):23-24

［3］ 徐建君，宗國華，王勝意. 基于GPRS 的路燈智能控制系統［J］.河海大學常州分校學報，2007，24(4):122-124.

［4］ 萬鄉才，梁龍學，呂曉劍. 基于GPRS 的路燈節能控制系統的研究與設計［J］.自動化與儀器儀表，2012，2:62-63.

［5］ 韓斌杰.GPRS 原理及其網絡優化［M］. 北京:機械工業出版社，2003:15-50.

［6］ 陳美謙，劉暾東，周文博，等.基于GPRS 的公共照明智能化監控系統設計與實現［J］.電力自動化設備，2010，30(9):114-131.

［7］ Zhen Yu，Zhong Zheng， ，et al.Analyze the Performance of GPRS DTU and the Impact on the Remote Monitoring Street Lighting System Based on GPRS［C］//Global Mobile Congress，Shanghai:［s.n］.2009:1-6.

［8］ Wang Jingmin，Zhang Shizhao.Implementation Status End Affect analysis of Green Lighting in Different Countries［J］.Power Demand Side Management，2007，9(6):70-72.

［9］ 張俊華.基于GPRS 和Zigbee 的無線智能路燈控制系統設計［J］.計算機光盤軟件與應用，2012，7:200-201.

［10］ 彭剛，秦志強. 基于ARM Cortex-M3 的STM32 系列嵌入式微控制器應用實踐［M］.北京:電子工業出版社，2011:1-31.

［11］ 許迪佳，李可，王淑艷，等.基于PSoC 和MC52i 的遠程數據采集器設計［J］.數字技術與應用，2011，2:39-40

［12］ 朱榮輝，吳愛國.基于GPRS 的城市照明監控系統開發［J］.電器應用，2005，24(12):100-103