CN1048849C - 路灯自动监测控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明是涉及城市路灯自动开关控制及自动故障监测提示的系统。本系统由灯控仪(1)、光电头(2)、系统主机(3)及若干监测分机(4)(5)(6)(7)……组成，路灯网络相线被用作开关灯控制线和载波通信线。本系统的主要特征在于监测分机中除了具有检测系统(44)外，还装备了微机(34)及通信系统(41)，应用微机技术实现与系统主机间的双向通信和接力通信、以使系统主机自动报警与显示。本系统适用于各种结构的低压供电路灯网络。

Description

路灯自动监测控制系统

本发明涉及城市路灯的控制和监测，即涉及城市路灯的自动开关控制及自动故障检测提示的系统。

城市路灯每天的开关控制，早期大多是利用中央控制室的石英钟自动控制的，但这种钟控开关时刻要随着季节变更，需经常调正，比较麻烦。早期路灯线路管理方法更落后，要依靠管理人员定期巡查或依靠群众反映，才能发现故障，管理人员劳动强度大，而且故障往往得不到及时处理。

后来，微机技术与通信技术渗透到路灯监控系统中，使路灯监测管理大大向前迈进了一步。已经面世的路灯监控系统样机大致分为两类，第一类为如图15所示的无线通信自动监测系统，它由一台主机(47)及若干台分机(48)(49)(50)……等组成，主机包含有无线通信机及报警和显示器，各分机都由检测电路及无线通信机组成，主机通过对分机无线发射巡检信号来检测各路灯片区的故障，提示值班人员到故障所在地去维修，但这种监测系统存在着投资大，维护复杂的缺点，难以得到推广应用。第二类为如图16所示的有线载波通信自动监测系统，它也是由一台主机(51)，若干台分机(52)(53)(54)(55)……组成，分机时刻监测本区段的路灯运行状况，主机不断从路灯专用控制线L上向各分机发巡检载波信号，如果分机回答为故障信号，主机便显示和报警，提示管理人员到故障地段去维修，《路灯照明》杂志1988年第1期发表的文章“路灯微机监控系统”就属于这种结构系统。但这种系统只适用于具有专用路灯控制线的城市路灯网络，由于大多数城市的路灯都是逐步发展起来的，在建设过程中没有整体规划，没有架设专用路灯控制线，而现在要再架设专用控制线，投资很大，客观条件也不允许，所以大多数城市尤其是中、小城市路灯都是采用树枝状结构利用前级路灯火线兼作下级路灯控制线，进行串联控制。

本发明的目的是提供一种投资少、自动化程度高、容易维护的城市路灯监测、控制系统，不仅能按季节变化及天气照度自动地改变路灯开启熄灭的控制时间，而且对路灯线路的自动监测能适用于各种结构的低压供电路灯网络。

本发明的技术解决方案为：在城市路灯的中央监控室里，设置一台灯控仪和一台系统主机(以下简称主机)，在各路灯分片区的开关箱内各设置一台监测分机(以下简称分机)，利用路灯原有的电网相线作为控制线及通信线，从而成为一个路灯自动监测控制系统。

其中，灯控仪由微机、专用时钟电路、时间显示电路、打印机及驱动控制电路等组成，实现对全市路灯开关的总控制。

为了实现对路灯按季节变化的定时自动开关，将全年开关灯的时刻表输入存放到微机的存贮器中，为微机配置的专用时钟电路具有供微机读出和写入的寄存器和数据接口，为了使路灯开关时刻能够按照当时实际照度进行修改，灯控仪中还设置了与微机相接的能将照度转化为电量的光电转换电路和将该电量转换为数字量的A/D转换电路，程序随时监测着时钟电路的走时，在接近当天开关灯时刻表中规定的时刻前，例如15分钟，程序启动其中的A/D变换器不断采集从光电转换电路转换来的天空照度电量，并将之转换成二进制数码送到微机中与某设定值进行对比，一旦达到该值或时间推迟到某时刻(例如还是15分钟)，微机就送出开关灯控制信号，由驱动控制电路驱动路灯总接触器开启或吸合，并由打印机自动将开关时刻记录下来。

系统主机是路灯运行状况的汇集中枢，是值班管理人员维护路灯的依据，它由微机、专用时钟电路、通信系统、显示系统、报警电路、打印机等组成。

各开关箱内的监测分机是该片区路灯线路故障的检测枢纽，它由微机及与相连并受其控制的检测系统、通信系统等组成。

为了实现在主、分机间的双向通信，主机与各分机的通信系统中都设置有由微机及其程序控制的编码调制电路，解调电路及发收转换装置。为了节省投资，采用了以路灯网络相线为信道的有线载波通信。对于无专用控制线的树枝状结构的路灯网络，由于线路负载很重，信号衰减很大，在通信链路上采用了接力通信的办法，每经过一次中间分机的接力传送，使被衰减的信号得以增强，为了克服电力线路上的各种干扰，降低通信误码率，由微机软件对通信信号采取特殊的脉冲数字编码，通信接收系统中，编制了脉冲计数与鉴宽相结合的解码程序。

各分机时刻监测着本片区的路灯线路运行，一旦发现该亮不亮，该灭不灭的故障，立即向主机发送编码信息进行“汇报式”通信，主机收到该信号后，通过解码，识别出该故障发生的区段，自动发出显示和报警，同时打印记录出故障地址码、信号类别及从时钟电路采样来的故障发生时间。

分机发送的故障信号为间隙重复发送，主机不停地显示和报警，不断提示值班人员去现场维修，直到故障排除为止，为了防止分机本身故障而失去监测功能，主机也可由人为操作向指定分机发送巡检信号，进行问答式通信，如果被询问的分机没有回答信号或者回答信号不正确，则判定该分机发生故障，主机便发出故障提示信息。

本系统的核心是微机，但其运行环境比较恶劣，为了防止其程序被干扰走乱发生死机，因而在灯控仪和各分机中专门设置了自动复位电路和智能复位电路。

本发明中应用了先进的计算机及其通信技术，使本系统具有很高的监控自动化水平；系统中利用了原有的路灯网络作控制线及通信线，并且监测分机都安装到原有的路灯设备开关箱中，路灯系统不需改造，因而降低了系统造价，而且所有监测分机的硬件结构都相同，给维修带来了方便；主、分机之间采用了有线接力通信、数字脉冲编码、脉冲计数及鉴宽相结合的解码技术增强了通信的抗干扰能力，加之采用“问答式”与“汇报式”相结合的通信模式，提高了系统的可靠性，路灯的开关灯时刻表可按各地实际情况写到灯控仪的微机中，故本系统可适用于不同地域的城市，而且接力载波通信，使本系统适用于各种低压供电的路灯网络结构，特别对发展中的城市，路灯区域在不断扩大的树枝状路灯网络尤为适用；监测主机中的微机接口，很容易连接PC机，这可以将路灯线路的运行参数如开关灯时间、故障时间等作为档案存贮起采供分析参考，可大大提高路灯科学管理水平；本发明的应用，可经常保保持路灯运行的完好率，还可适度节约电能，因此具有良好的社会效益。

以下通过附图及实施例进一步说明本发明，但本发明不受该实施例的限制。

附图1为本发明的系统结构框图，

附图2为本发明的系统中灯控仪结构框图，

附图3为本发明的系统中灯控仪的程序框图，

附图4为本发明的系统主机结构框图，

附图5为本发明的系统主机中收发部分程序框图，

附图6为本发明的系统主机中信号处理部分程序框图，

附图7为本发明的系统中监测分机结构框图，

附图8为本发明的系统中监测分机的程序框图，

附图9为本发明一个实施例中灯控仪的电原理图，

附图10为本发明一个实施例中系统主机的电原理图，

附图11为本发明一个实施例中监测分机的电原理图，

附图12为本发明接收子程序流程框图，

附图13为本发明通信协议示意图，

附图14为本发明通信编码脉冲信号波形图，

附图15为无线通信路灯监测系统示意框图，

附图16为老式有线载波通信路灯监测系统示意框图，

图1中，(1)为灯控仪，(2)为光电头，(3)为系统主机，(4)(5)(6)(7)…为监测分机、该图中路灯网络呈树技状结构，其中D1、D2、D3、D4为各路灯片区的中间继电器，每片区的相线既是本区片的路灯供电线，又是下一片区的路灯控制线。灯控仪总开关继电器Z_AZ_BZ_C动作后，通过各中间继电器连锁控制全路网络的开启、闭合。光电头(2)相当于一个光照度传感器，单独放置在适当地方，用线连接到灯控仪一个输入端子。各区段的照明相线被用来作为载波通信线，主机与远端分机之间的通信，需经过中间分机的接力传送。

图2中各标号表示：(8)CPU，(9)EPROM，(10)专用时钟电路，(11)时间显示器，(12)光电转换电路，(13)A/D变换电路，(14)驱动控制电路，(15)按键，(16)打印机，(17)自动复位电路。结合图3的程序框图将灯控仪的原理简述如下：专用时钟电路(10)具有时间寄存器和与CPU相配的数据接口，它在正常走时，CPU不断读取并送到时间显示器(11)，同时与存贮在EPROM中的时刻表进行对比，若系统在关灯状态，则在开灯前15分钟开始，CPU读取由光电转换电路(12)采集来的照度并经A/D变换而来的二进制数值，如果小于3LX，CPU发出开灯指令，否则到正点开灯时间，CPU也会发出开灯指令，由驱动控制电路控制全线开灯，同时将开灯时间自动打印出来；如果系统原来处于开灯状态，CPU在得知已到关灯时刻时，便读取照度值，若照度仍很低，例如小于2LX，则推迟关灯，若照度大于2LX或推迟时间已有15分钟，便发出关灯指令，并打印出关灯时间。时钟电路的调校由按键(15)人工执行，当然EPROM中有按键处理子程序。

图4中各标号代表：(18)(19)CPU，(20)(21)EPROM，(22)拨盘，(23)接收电路，(24)发射电路，(25)收发转换电路，(26)信号显示器，(27)信号指示电路，(28)报警电路，(29)按键，(30)专用时钟电路，(31)模拟屏显示器，(32)打印机，(33)时间显示器。

以下结合图5图6程序框图说明本框图原理。

系统主机中采用了两片CPU(18)(19)，分别管理收发和信号处理，因此分别带有EPROM(20)(21)装载程序。主机平时处于接收状态，若有分机发来信号(汇报式通信)，则调用接收子程序，对信号进行解码，判别出分机代号码和信号类别，并由显示器(26)显示和指示电路(27)指示出来，同时将之送到另一片CPU去处理。如果要发巡检信号(问答式通信)，则将拨盘(22)拨到被巡检的分机号码，经编码后由发射子程序将收发转换电路(25)转换到发射状态，待分机回答后来判别其运行状况。在信号管理部分，当接收到由收发部分传来的故障信号，便启动打印机，打印出地址码、信号代码及由时钟电路采样来的时间参数，同时发出报警声及送到模拟屏显示。

图7中各标号的意义为：(34)CPU，(35)EPROM，(36)拨盘，(37)自动复位电路，(38)振荡电路，(39)分频电路，(40)调制电路，(41)收发转换电路，(42)滤波整形电路，(43)解调电路，(44)检测系统，(45)光电隔离电路，(46)LED数码显示器。

下面结合图8程序框图说明其工作原理。检测系统(44)是将开关箱内各供电进出线端子接到分机检测输入端，CPU就是根据这些端子上电压有无的开关量及其逻辑关系判别故障的。为了防强电和抗干扰，这些信号是通过光电隔离电路(45)接入CPU的。拨盘(36)所置数字，代表了各分机的不同编号，CPU读取该数后，会自动组合进通信码中。振荡电路(38)、分频电路(39)组成载波发生器。分机平时处于接收状态，程序不断监测本分机的本地电源有无，若停电，则编码后向主机发停电故障信号，程序也不断检测本机线路是否有故障，若有，则同上处理，发射状态都由收发转换电路(41)完成，程序还随时监测通道上有没有信号，若有，则调接收子程序，通过滤波整形电路(42)和解调电路(43)，解调出脉冲数字码，由该码判别出信号是上行还是下行，若是上行，则调发射子程序将信号重新调制后向主机接力传送；若是下行，即是主机的巡检信号，再判断是接力信号还是查检本机信号，如果是前者，则调发射子程序，接力传送下去，如果是后者，则需向主机发回答信号。

由于分机设置在道路各处开关箱内，无人值守，使用环境较恶劣，为了防止其程序死机，本电路设置了专用自动复位电路(37)，每隔几分钟使微机自动复位一次，以激活程序重头运行。

对于具有专用路灯开关控制线的路灯网络，该专用线可直接用作载波通信线，主机与分机间可进行直接双向通信，只要其软件稍作改动即可。

图9中，U1为单片机8031，U2、U4、U6为八D锁存器74LS373，U3为EPROM2732，U5为驱动器75452，U7为可编程I/O扩展接口8155，U8为A/D转换器5G14433，U9为专用时钟电路5832，U10为七段LED显示器，共六位，U11为六反相器74LSO4，U12为运算放大器μA741，U13为时基电路CB7555，BG7为光电二极管，BG4为光电隔离三极管，K1、K2、K3为时间调节按钮，K4为时间调校功能开关，CJ1为打印机接口。该电路中，时钟电路U9的数据引出线与U7的PA口和PC口的四位相接，单片机不断读取时钟数据并由U10显示出时分钞，当K4打下时，通过K1、K2、K3可调校U9的时刻，该时钟作为EPROM中时刻表的参照标准，以便单片机按时刻表控制路灯开关。BAT为可充电电池，作为U9的不停电源。BG7作为光电转换接进U12的一个输入臂中，W2调节U12的放大量，使其输出电平在U8的转换范围内。BG5、BG6、W1组成U8的精密基准电源，单片机不断采样U8变换来的照度数据，用软件来修正开关灯时刻。BG2、BG3组成路灯继电器J1的驱动电路，其驱动信号由光电隔离管BG4送来，在其执行开关命令的同时，将时间参数送到打印机接口CJ1。U6有8路输出，故本例最多可控制8路路灯线。

本电路中，专门设置了智能复位及自动复位电路，8155的TIME口通过反相器U16接到U1的复位输入端RST，8155中的定时器时间长度设置得稍长于程序周期，每次定时计数便将8031复位一次。U13接成占空比较大的多谐振荡器，其周期较长约2分钟，每个周期送出一个复位脉冲，单片机程序万一被干扰走乱，由这种双重复位功能重新启动，保证了机器无人值守时的可靠性。

图10中的集成电路U17、U34为单片机8031，U18、U20、U21、U22、U23、U28、U29、U35、U47、U56为八D锁存器74LS373，U19、U36为EPROM2732，U26、U27、U40、U41为缓冲器74LS244，U38为I/O扩展口8155，U39为时钟电路5832，U51为音频解调器LM567，U33为运算放大器μ A741，U24代表四片六反相器74LSO4，U48代表二片74LSO4，U25为LED数码管，有三位，U37为专用时间显示器，U49、U50为二进制可逆计数器193，U53为与非门74LSO3，其余为与或非门74LSO2和反相器74LSO4。TYPE为小型针打，MB为模拟显示屏，YD为扬声器，J2为收发转换继电器。

时钟电路的原理与灯控仪中的一样，这里，K8、K9、K10为时分秒调校钮，U37像电子表一样，只显示时分。

通信过程是这样的：J2平时打在接收档一侧，若有分机送来“汇报”信号——幅度键控调制数字脉冲载波信号，到达脉冲变压器T1，由其次级线圈与C38谐振滤波，经BG25、BG26限幅整形及U54多级反相放大，送到U51，解调出数字编码脉冲，经BG31放大再送到U17的P3.5/T1端，U17启动接收子程序，将该序列数字脉冲解调出数字代码，由该代码判别出发信号的分机地址号及信号类别，程序控制发出下述动作：(1)由相应的发光二极管BG12、BG13或BG14指示出信号种类：故障、停电或巡检回答，(2)驱动U25轮换显示分机地址号及信号类别代码，(3)驱动模拟屏MB直观显示，(4)驱动杨声器YD发出故障报警声，(5)驱动打印机TYPE打印出故障时间，地址及信号类别参数。只要故障不排除，上述动作将重复不断。

若要向分机发巡检信号，可将拨盘K5、K6、K7拨到指定的分机号，按动发送键K11、U17便被中断转入发射子程序，P1.7脚送出高电平，驱动BG32、BG34将J2转换到发射档一侧，同时将巡检信号由U17的TXD串行输出，通过光电隔离BG19，一路送到与非门U53A的一个输入端，U52A、U52B与晶体CBY6组成稳定的振荡器，经U49、U50两级分频成为156.2KHZ的载波频率，同时送到U53A的另一输入端，于是U53A输出幅度键控脉冲，经BG20放大、BG21跟随和C31L1谐振回路，送到路灯网络相线端A，松开K11，机器恢复接收状态，等待指定分机的回答，汇报该支路工作是否正常，是处于正常开灯还是关灯，若指定分机停电或自身故障，由该分机的前一级分机代为回答。

图11中的集成电路为，U57-单片机8031，U58-八D镇存器74LS373，U59-EPROM2732，U60-I/O扩展口8155，U61、U62-缓冲器74LS244，U63-音频解调器LM567、U64、U65-计数器193，U66-三片反相器74LSO4，U70-与非门74LSO3，U67-二位LED数码管，U75-时基电路CB7555，U72、U73、U74-三端固定稳压电路，ZQ1～ZQ12-整流桥，其余为74LSO2和74LSO4。J3为本机电源转换继电器，J4为收发继电器。

由图可以看出，本机中的收发通信电路与图10中的相同，自动复位与智能复位电路与图9中的相同，其原理不赘述。

在系统中，每台分机被编定一个不同的地址号码，由拨盘K13来拨定个位和十位，百位在软件中编定。

本电路的监测原理如下：F、G为本机片区路灯进线(路灯控制继电器前)检测端，B、C为本片区供电检测端(路灯控制继电器后)，其最多可接七对(图中省略画)，它们各自通过电容C₉₅～C102降压，分别由桥ZQ5～ZQ12整为直流，通过光电隔离管BG44～BG51和U62送到U57的P2口，J4平时处于接收档一侧，单片机在程序运行中，第一监测路灯网络上输入信号，调用接收子程序，判断出是接力信号还是巡检信号，作出相应处理，第二不断检测判断各检测端的电平及其逻辑关系，正常时，输入和输出应同电平，一旦失常，例如输入为0输出为1，表示本片区可能由于碰线而白天灯亮，输入为1，输出为O，表示本片区路灯熄灭，可能是控制箱保险丝熔断或控制继电器损坏，这时单片机发出指令，使J4吸合转换到发射档，由发射子程序发送出去，同时程序译出故障类别码由U67显示出来，便于观察和调试。

如果本片区供电网B、C端停电，即ZQ2失电，导致BG52基极电位为0、J3便转换到前级供电网D、E端，保证了ZQ3、ZQ4仍然有电、即保证了本机电路的供电，使之仍具备通信能力。

本例中通信信息由六位数码组成，其协议如图13所示，第一位为地址十位，第二位为地址个位，第三位为检验位，第四位为发射机标志位，第五位为解释位，其中意义，1-故障，2-夜间停电，3-巡检，4-正常关灯，5-正常开灯，6-下级分机巡检无反馈，第六位为地址有位，可视系统大小设置数字。这六位数码在系统中以高低电平的形式形成通信码并被传输，若以时间t为横轴可画成图14的一帧波形，其中每位数字以等间宽(脉宽为T)的脉冲数来代表，其对应关系如下表一、二行所示：

每帧开头有10T的引导段，每两位之间为10T的间隔段，这个串行的脉冲波在接收方8031的P3.5端由软件进行解码，其过程如图12所示，图中示出每位脉冲数逐个累计暂存在地址为33H的存贮器中，待该位脉冲计完，便将计数转存入寄存器R₀指定地址45H的存贮器中，接着计下一位，计完后暂存入第46H的存贮器中……，直至六位计完(由寄存器R6判别)，它们依次存入45H～4AH存贮器中，程序对脉冲的计数，以宽度为判别准则，凡宽度为5～12T的被确认为引导段或间隔段，低电平确认范围的0.5～3T，高电平确认范围为0.1～2T，这就是说，脉冲在传输过程中因干扰而变形或少量丢失，计数结束后，能在译码子程中得以恢复，例如代表数字3的脉冲数本来应的12个，但只检到10个，在译码中仍恢复为3，不会是2或4，译码脉冲确认数与数字的对应关系，见上表一、三行，由此可见，这种计数和鉴宽相结合的解码方法，大大提高了通信的解码率。

Claims (2)

1、一种路灯自动监测控制系统，包括一台系统主机(3)和若干装在各路灯分片区机箱内的监测分机(4、5、6、7)，所述系统主机(3)由CPU(18、19)、EPROM(20、21)、拨盘(22)、接受发射电路(23、24)、收发转换电路(25)、信号显示器(26)、信号指示电路(27)、报警电路(28)、专用时钟电路(30)、时间显示器(33)及打印机(32)组成，所述监测分机(4，5，6，7)由CPU(34)、EPROM(35)、拨盘(36)、自动复位电路(37)、振荡及分频电路(38，39)、调制及解调电路(40，43)、收发转换电路(41)、滤波整形电路(42)、检测系统(44)、光电隔离电路(45)和LED数码显示器(46)组成，所述系统主机(3)与所述监测分机(4，5，6，7)之间的通信方式为双向通信模式，其特征在于系统有一台灯控仪(1)以及在所述系统主机(3)与所述监测分机(4，5，6，7)之间其通信线采用被监控路灯电网的相线，所述灯控仪(1)由CPU(8)、EPROM(9)、专用时钟电路(10)、时间显示器(11)、光电转换电路(12)、自动复位电路(17)、A/D转换电路(13)、驱动控制电路(14)和打印机(16)组成。

2、根据权利要求1所述的路灯自动监测控制系统，其特征在于所述系统主机(3)与所述监测分机(4、5、6、7)中有脉冲计数与鉴宽相结合的解码软件。

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