基于GPRS的城市照明智能監控管理系統

劉 華

(長春市路燈管理處，吉林 長春 130000)

引言

隨著城市的快速發展，人們對城市照明建設的需求不斷增加。能源的消耗促使我們思考、研究、運用更加節能、綠色的照明方式。如果一個照明控制系統能夠做到充分考慮照明對人們活動的影響，根據環境的變化，實現相應的燈光場景，不僅體現以人為本的照明設計理念，同時可以達到綠色、節能的目的，有效避免能源的浪費[1-5]。

1 某市當前路燈監控方式介紹

1.1 某市目前路燈監控方式

目前，某市現有路燈控制方式為無線監控與手動控制相結合的方式。一部分新建工程使用無線監控管理系統，可以遠距離無線測量電流、電壓值等照明參數，監視設備狀態信息，實時改變設備運行狀態。另一部分老城區的老舊路燈目前僅可通過開關配電箱實現對路燈開關的控制，尚未實現統一化的管理。維護僅能通過人工夜間巡查及市民報修發現壞燈情況，效率很低。面對監控站點逐步增加，巡檢周期逐步延長，硬件限制無法擴展新功能等問題。現有監控管理系統已無法滿足城市照明管理單位日益增長的監控管理要求。在保證現有系統正常穩定運行的前提下，逐步改進、平穩過渡，實現實時監控設備狀態，及時發現并處理路燈故障，做到統一化監控管理的需求尤為迫切。

1.2 某市現有路燈監控方式存在的問題

某市現有路燈監控管理方式存在的問題主要有：

1)通信覆蓋有盲區。現有路燈監控管理系統為電臺專網型系統，隨著城市的快速發展，城市范圍逐步擴大，且城市內不斷增建高層建筑，致使450 MHz電臺無線傳輸路徑受限，傳輸半徑無法對全市實現無盲區覆蓋。

2)故障不能及時發現。現有路燈監控管理系統采用的無線通信技術只支持半雙工，存在技術瓶頸。且路燈故障的保修主要依靠人工夜間巡查及市民路燈故障保修，巡檢周期較長、效率較低，無法及時發現故障點并及時維修，不能有效保障亮燈率。

3)硬件限制無法擴展新功能。由于硬件設備老舊、無擴展端口，無法實現新功能的擴展，如壞燈報警、異常開關燈、線路異常、電纜失盜等。

4)軟件功能單一。現有監控管理系統僅有簡單的測量數據，缺少對實時數據進行周期性整理、分析及打印報表功能、如準確校時、計算亮燈率、處理故障情況和遠程實時查詢等功能都未實現。

2 城市照明智能監控管理系統的設計

鑒于當前某市路燈監控系統的局限性，設計一款城市照明智能監控管理系統，實現根據環境、功能和照明需求的不同，提供相應的控制方案，并提供由不同方案組合后能夠展現的效果。能夠對重要道路的亮燈情況的直觀展現，實現實時檢測不同方案下設備的運行狀況及運行參數。可以根據實際情況實時遠程調整控制方案，實現全市路燈集中監控管理，達到光照與當地標準開關燈時間相結合的科學開關燈，也可做到根據實際情況分區、分時段開關燈，實現路燈及設備異常主動報警，并將故障信息以短信形式送達維護人員。

2.1 系統結構設計

城市照明智能監控管理系統主要由監控終端和GPRS無線通信系統、數據庫、服務器、客戶端幾部分構成。系統整體可分為兩個層次，第一層由監控終端和GPRS無線通信構成，主要完成數據的采集和傳輸；第二層包括存儲各監控終端信息的數據庫、服務器及客戶端，用來完成數據的監控及管理。系統整體框如圖1所示。

圖1 系統整體框圖Fig.1 Overall block diagram of the system

2.2 系統總體方案設計

本系統對某市原有監控系統進行升級，采用GPRS無線通信系統進行數據的傳輸，通過移動SDH傳輸實現專線鏈接。專線中的隧道協議與VPN Gateway保持連接狀態，以保證傳輸更加安全可靠。既實現了全雙工通信，系統巡測速度得到了提升，又有效地解決了系統通信覆蓋有盲區的問題。在城市照明配電箱或者照明專用箱式變壓器內監控終端安裝，監控終端采用32位ARM芯片，加入計量芯片，采樣速度快、精度高。可以實時采集設備電壓、電流、功率因數、故障信息等數據。通過GPRS無線網絡發送至監控中心，形成數據分析報表，從而實現城市路燈的集中監控管理。監控中心主要由監控主機、服務器、光端機、路由器和交換機實現移動網絡的接入和組網。系統總體設計方案見圖2。

圖2 系統總體設計方案Fig.2 Overall design scheme of the system

2.3 通信方式設計

2.3.1 監控終端通信方式

1)數據上行：采用TCP/IP體系結構進行GPRS無線數據傳輸。利用Siemens MC52i GPRS模塊實現與監控中心的數據通信。終端的微控制器將獲取到的最初數據打包發送至MC52i模塊，打包的協議依據是應用層自定義的。MC52i模塊對應用層傳送的數據進行TCP/IP協議封裝、數據封裝；然后把封裝好的數據發送至GPRS 網絡，實現數據的上行傳輸。

2)數據下行：與數據上行的傳輸方式相對應。MC52i模塊解析接到的數據。在解析到正確的數據包后，MC52i模塊把該數據傳給應用層，應用程序能夠對最初的數據包進行解析，依據解析的內容實現對功能照明及景觀照明的查詢和輸出控制，以此實現遠程監控的目的。

2.3.2 監控中心通信方式

1)數據上行：通訊過程采用TCP/IP體系結構；GPRS網絡APN專網協助監控終端把現場采集的數據發送到監控中心主控機相應的TCP/IP端口。主控機通信模塊首先對是否有新的數據載入進行判斷，若有，則再通過Winsock API完成將TCP/IP數據包還原成應用層中需要的數據幀，到達該步驟時，上位機通訊模塊數據停止接收。

2)數據下行：與上述的過程相對應。首先主控機通過用戶自定義的通訊協議對最初的數據包實行首次封裝，其次，將數據從用戶層送至網絡層和傳輸控制層(TCP/IP)，利用Winsock API完成剩余的封裝過程，最后是通過GPRS專用網絡將主控機數據包發送至相對應的監控終端，至此發送過程完畢。

2.4 系統功能結構設計

2.4.1 監控中心軟件系統功能結構設計

監控中心軟件系統的整體結構為C/S模式。主要功能實現包括：數據存數、數據通信、數據分析、用戶管理及報表打印。功能模塊示意見圖3。

圖3 功能模塊示意圖Fig.3 Schematic diagram of functional modules

1)主控程序模塊，負責設置人機交互操作界面及環境，完成啟動、結束事件循環程序。

2)數據儲存模塊，負責存儲監控終端采集來的數據并進行分析判斷。

3)通信模塊，負責數據的發送和接收。將監控終端采集的數據通過GPRS無線通信系統傳輸至監控中心，以及向監控終端發送指令。

4)報表打印模塊，負責按照用戶設定的報表形式，從數據庫中調用相關數據形成報表并可打印。

5)用戶管理模塊，負責軟件用戶權限的管理，以及系統安全管理。

程序流程見圖4。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

2.4.2 監控終端功能結構設計

監控終端主要實現參數設置、防盜報警、遠程抄表、遙測、遙控、自控等。可實現采集電壓、電流參數，主要采集信號包括3相總電壓、3相總電流以及3相8路共24個支路電流；可提供12路開關量輸入，滿足不同環境對開關量的檢測需求；可實現12路輸出控制，滿足功能照明和景觀照明的獨立控制需求；可實現無線通信全覆蓋的通信模式，通過GPRS網絡進行監控終端與監控中心的通信；提供標準RS-485接口，可讀取電表數據，實現遠程抄表。

3 結束語

隨著城市建設以及經濟的快速發展，城市照明作為保障性的配套公共基礎設施也要不斷地完善。傳統的路燈控制方式，已無法滿足當代城市節能、低碳、綠色、環保的發展理念。針對某市現階段路燈監控管理過程中出現的問題，本文提出城市照明智能監控管理系統，實現了更加實時、精準的監測與控制，提高了工作效率，達到了優化資源配置、節約能源的目的。