CN105223882A - 一种基于gprs的公共照明智能化监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能监控系统，尤其涉及一种基于GPRS的公共照明智能化监控系统，包括监控中心、数据库服务器、网络服务器、地图服务器、短消息报警器和监控终端，所述的数据库服务器、网络服务器、地图服务器、短消息报警器和监控终端均与监控中心连接。本发明的一种基于GPRS的公共照明智能化监控系统是一个典型的分布式监控和数据采集系统，集计算机技术、现代通讯技术和自动控制技术于一体，能够充分达到节能效果，大幅降低人工成本及维护费用，前期投资少，见效快，后期升级、维护成本低。

Description

一种基于GPRS的公共照明智能化监控系统

技术领域

本发明涉及一种智能监控系统，尤其涉及一种基于GPRS的公共照明智能化监控系统。

背景技术

公共照明是现代化城市建设重要的基础设施。传统的公共照明不具备电力抄表、电缆防盗等功能。随着城市的快速发展和公共照明覆盖的范围逐步扩大，对公共照明系统的要求正在不断提高。GPRS是目前应用最广泛的无线数据传输技术之一，能够大幅提高网络资源的利用率。

发明内容

本发明设计了一种基于GPRS的公共照明智能化监控系统，以单片机为主控制器，可对城市内的公共照明设施实时监测、控制和管理，是一个典型的分散式测控、集中式管理系统，实现了对现场终端运行状态、电压/电流等开关量和模拟量的检测控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于GPRS的公共照明智能化监控系统，包括监控中心、数据库服务器、网络服务器、地图服务器、短消息报警器和监控终端，所述的数据库服务器、网络服务器、地图服务器、短消息报警器和监控终端均与监控中心连接。

进一步地，所述的监控终端包括MCU微控制器、GPRS模块、电缆防盗模块、开关量检测模块、开关量控制模块、电参量采集模块、远程抄表模块、时钟模块、人机接口模块、温度采集模块和电源模块；所述的GPRS模块、电缆防盗模块、开关量检测模块、开关量控制模块、电参量采集模块、远程抄表模块、时钟模块、人机接口模块、温度采集模块和电源模块均与MCU微控制器相连。

优选地，所述的MCU微控制器采用型号为的MSP430系列单片机。

优选地，所述的电源模块的型号为LM317。

优选地，所述的开关量检测模块和开关量控制模块集成在一块PCB板上。

优选地，所述的电参量采集模块采用型号为SA9904B的电路芯片作为测量核心。

优选地，所述的时钟模块采用型号为SD2300E的时钟芯片。

优选地，所述的温度采集模块采用型号为DS1820的数字化温度传感器。

优选地，所述的GPRS通信模块采用型号为SIM300的模块。

优选地，所述的监控终端还包括通信拓展模块，所述的通信拓展模块采用GM8125芯片。

本发明的一种基于GPRS的公共照明智能化监控系统是一个典型的分布式监控和数据采集系统，集计算机技术、现代通讯技术和自动控制技术于一体。利用计算机借助一定的通信通道，对城市路灯、景观灯等公共照明的箱式变电站、变电柜、控制柜等从站进行测控并实现集中、智能化管理。通过合理设置开、关灯时间，并设置全夜灯、半夜灯运行方式，将光控和时控融合在一起，充分达到节能效果；采用集中监控方式后，监控中心自动完成对各站点的巡测，各参数、状态、故障告警信息会及时自动传送至监控中心，大幅降低人工成本及维护费用；监控中心与监控设备之间通过GPRS这一核心技术进行连接，前期投资少，见效快，后期升级、维护成本低。

附图说明

图1为本发明的系统总体框架图；

图2为监控终端模块示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案进行详细叙述。

一种基于GPRS的公共照明智能化监控系统，包括监控中心、数据库服务器、网络服务器、地图服务器、短消息报警器和监控终端，所述的数据库服务器、网络服务器、地图服务器、短消息报警器和监控终端均与监控中心连接。

公共照明远程智能化监控系统是一个典型的分散式测控、集中式管理系统，可对城市内的公共照明设施实时监测、控制和管理。系统总体框架如图1所示。系统全天候运行，监控终端实现智能化的按需节能照明、远程抄表、电缆防盗；监控中心通过GPRS无线网络技术与监控终端通信，对运行参数进行远程实时查询、监控与报警；管理人员可实现消息订阅及利用监控网站实现网上办公；路灯地理信息系统将路灯资料、相关市政设施资料和地图信息结合，给城市路灯监控带来极大方便。

监控中心设备主要由主机、大屏幕投影仪、打印机、UPS电源等组成，监控中心对城市各个路灯监控设备进行远程控制，实现系统的遥测、遥信、遥控和遥调的“四遥”功能。两台数据库服务器、数据存储柜以及连接三者的集线器构成了监控系统的数据库子系统；两台数据库服务器和主控计算机通过另外一台集线器连接到交换机；网络服务器、地图服务器、监控中心服务器以及其他服务器通过交换机进行信息高速交换；监控中心服务器还通过防火墙、路由器和Internet连接在一起，以供外界通过Web方式进行查询访问。

监控终端主要包括强电主回路、开关电源、人机接口、通信模块、数据采集单元、开关量控制等部分。强电主回路指终端电控柜体内的电气控制电路，由熔断器、主接触器、自动空气断路器、保护控制电路等组成，用于实现照明的开关灯控制和故障保护等功能；电源电路包括模拟电路电源及数字电路电源，两部分电路互相隔离以避免干扰；人机接口用于手动控制开关、查询现场状态，显示有关检测的模拟量数值等；通信模块实现设备的联网功能。除此之外，监控设备还预留了相应的开关量和RS-485通信接口，以实现电缆防盗、电力抄表等辅助功能。

按照监控设备的功能实现情况，以模块化的形式设计本系统监控设备的硬件电路。监控终端硬件结构框图如图2所示。

所述的监控终端包括MCU微控制器、GPRS模块、电缆防盗模块、开关量检测模块、开关量控制模块、电参量采集模块、远程抄表模块、时钟模块、人机接口模块、温度采集模块和电源模块；所述的GPRS模块、电缆防盗模块、开关量检测模块、开关量控制模块、电参量采集模块、远程抄表模块、时钟模块、人机接口模块、温度采集模块和电源模块均与MCU微控制器相连。

所述的MCU微控制器采用型号为的MSP430系列单片机。

MCU微控制器采用TI公司生产的MSP430系列单片机，是一种超低功耗的混合信号控制器，包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同的模块组成。由于系统所需的硬件乘法器和A/D转换模块都是片内集成，使得设计简单，布线方便，可靠性提高，而且稳定性和抗干扰能力都有极大提高。经过软件的精信设计完成全部功能，实现精确的、始终一致的选择性匹配保护，使配电系统的可靠性大幅提高。

所述的电源模块的型号为LM317。

所述的电源模块将220V交流电转变为12V直流电。12V直流电源除用作系统总电源外，还为中间继电器和光照度模块供电。5V直流电源通过变换12V直流电产生，主要用于液晶模块、电参量模块、时钟模块、RS-232和RS-485通信模块、芯片74HC244、光电隔离器件等。采用美国National公司的产品LM317，集调整管、基准点烟、采样和保护电路于一体，构成三端可调正输出集成稳压器。

所述人机接口模块包括键盘、LCD显示、监控终端运行状态指示、手动/自动控制开关，方便对监控终端的测试和维护，以及参数的即时设定、修改和显示。

所述的开关量检测模块和开关量控制模块集成在一块PCB板上。

所述的开关量检测模块和开关量控制模块集成在一块PCB板上，通过25针并口线与主控板相连，既隔离了干扰源，又方便了系统的扩展。增加一片驱动芯片74HC244，用光耦P621隔离，经S9013放大后的信号控制继电器的开端以解决单片机驱动能力不足的问题。将防雷二极管并联在继电器电感线圈两端保护内部电路不受损坏。

所述的电参量采集模块采用型号为SA9904B的电路芯片作为测量核心。

所述的电参量采集模采用SAMES公司设计的三相双向功率/能量测量集成电路芯片SA9904B作为测量核心(可测量一相、两相和三相线路的有功电能、无功电能、电压有效值和频率的原始值)，外部微处理器通过芯片内置的串行外围设备接口SPI(SerialPeripheralInterface)读取原始数据，再根据芯片提供的相应计算公式进行计算，最后得到电参量的测量值。

所述的时钟模块采用型号为SD2300E的时钟芯片。

监控终端配置时钟模块，提供准确的时钟及日历。保证当出现通信故障时，监控设备在没有监控中心调度的情况下独立、准确和可靠地自主工作。采用具有内置晶振、I2C串行接口的高精度实时时钟昔年SD2300E。考虑到今后系统扩展升级考虑，采用查询的方式读取SD2300E时间，且由于MSP430自带的Flash足够使用，并没有使用SD2300E的EEPROM。

所述的温度采集模块采用型号为DS1820的数字化温度传感器。

所述的温度采集模块实时监测温度。如果越限，及时向监控中心报警，数字化温度传感器DS1820采用单总线协议，以9位字码方式串行输出。DS1820采用外部供电的方式，用MCU的P6.6模拟时序读取DS1820的数据值。

所述的GPRS通信模块采用型号为SIM300的模块。

监控终端盒监控中心的通信是系统的核心部分，基于GPRS无线数据传输技术。GPRS模块则是实现GPRS通信的关键部分，选用Simcom公司的SIM300模块。系统构建精简的串口通信，只利用RXD、TXD和GND这三个信号线和MSP430通信，其它六根信号线空置，所有的控制流均通过软件完成。MSP430F149只有P3口具有串口第二功能，所以还需扩展RS-232接口。

所述的监控终端还包括通信拓展模块，所述的通信拓展模块采用GM8125芯片。

监控终端有3个模块与主控模块进行异步串行通信，即GPRS通信模块、远程抄表和电缆防盗模块。而MSP430F149只有两个异步串行接口，所以对异步串行口1进行扩展。选用高性能串口扩展芯片GM8125的单通道工作模式，MCU的P4.0-P4.7作为GM8125的片选信号和地址信号。

远程抄表：监控终端预留RS-485通信接口，用于与具有RS-485通信接口的智能电表相连，将各个照明线路所用的电量上传到监控中心。将MCU的P3.6-P3.7、P6.7预留，作为远程抄表扩展用。

电缆防盗模块：采用先进的载波扩频通信技术，实现以一个变电站为单位的所有电力线路的防盗监控。防盗系统由一台电缆防盗中控模块和多个线路监控模块组成。中控模块安装在配电柜内，通过RS-232方式与路灯监控终端连接，线路监控模块安装在每一条线路的末端。将监控信息通过GPRS网络发展到联网的信息中心统一管理，形成多变电站统一防盗监控。

终端设备是系统的基本单元，除具有独立运行的功能外，只与监控中心建立联络，接收监控中心操作控制命令，向监控中心上传数据。

监控终端功能实现：

(1)模拟量(包括电量、非电量)、状态量(开关量、环境状态量等)采集，满足系统设计的精度及容量的要求。

(2)主、后备操作控制方式，系统正常工作时，监控终端执行监控中心每天发送的开、关灯时间进行开、关灯操作；当主控模块出现故障或通信中断时，可以启动时控模块，根据存储的全年开、关灯时间独立进行开、关灯操作控制，以确保路灯正常开、关灯。

(3)数据信息周期主动上传及故障信息实时主动上传。

(4)监控中心召唤立即上传数据信息及监控终端主动互换联络监控中心。

(5)预留开关量输入及开关量控制输出节点，实现功能扩展。

(6)RS-485通信接口，与数字电表或其它只能设备连接实现数据转发。

(7)液晶显示可以查询开、关灯时间，箱体温度，开、关灯状态和电能参数。出现报警时，可查看箱体温度、接触器状态和电能参数等报警类型，以备维修。

系统软件开发：

系统软件采用当前最先进的开发平台和技术，界面美观友好，操作简单直观，信息量大。监控部分采用可视开发工具Visual2005.net进行开发。服务器软件运行在Windows2000Sever操作系统环境下，数据库软件平台选用2000SQL。GIS平台选用Mapinfo系列产品。地图制作部分采用MapinfoProfessional。整体结构采用浏览器/服务器(B/S)与客户机/服务器(C/S)相结合的组网方案。系统支持Internet远程查询和访问，界面友好。

(1)软件总体配置

软件系统具体实现路灯监控系统的各种功能，主要包括“四遥”功能、报警、打印、时间管理、远程查询、消息订阅及GIS路灯地理数据管理等。需要完成的任务有：初始化、人机界面显示、开关量及模拟量采集、控制命令执行、GPRS通信及其他附加功能。本系统远程监控软件采用模块化设计。软件系统总体配置包括四个部分：

主控软件系统：实现监控节电系统的基本功能。

数据服务软件系统：主要作用是在监控中心软件系统与远程监控设备软件之间架起一座桥梁，将终端设备需要的实时、历史信息数据以合适的方式从主控机传输给远程监控器，同时在严格的控制条件下，实现路灯开关控制、节电控制、信息查询等命令的方向传输功能。

网络服务器软件系统：实现用户对路灯监控节电系统的信息访问，采用Microsoft公司的.NET实现。

地图服务器软件系统：为远程用户提供地图访问支持，采用成熟的商业软件Mapinfo进行二次开发。

(2)监控流程

监控终端与监控中心的GPRS通信，其实时性与可靠性时整个远程监控的保障，设为最高优先级，与GPRS通信有关的部分放到中断函数中处理。其它软件模块还包括电参量采集模块、温度采集模块、时钟模块、人机接口模块等。

(3)监控软件实现的功能

监控软件实现的功能有六种：

a、遥控、遥测功能：遥控即根据地理位置设定全年开、关灯时刻表，自动或手动随机(节假日)遥控路灯控制箱的全夜灯和半夜灯的开、关；或针对阴雨天等特殊天气，根据光源采集器采集的光照度，自动切换到计算机内，临时发出指令控制，过后自动恢复常规控制。遥测功能除了中央控制室能按设定的时间周期性自动进行巡测，或随机地遥测全市各路段路灯的运行状态，包括电流、电压、用电量、接触器状态、变压器内部故障信号、通信设备运行状况信号等信息外；还可根据上面遥测的数据，计算分析路灯线路状态，包括欠压、过压、短路、断路、亮灯率、故障原因等数据信息。

b、报警功能：当监控节电设备终端主动报警或监控中心在遥测并发现有警时，中央控制室计算机能自动用语音报出故障的有关参数，并能够以短消息方式将故障发送至指定的手机。报警内容包括白天亮灯、晚上熄灯、接触器故障、电压/电流越限、供电电路停电和偷盗等。

c、查询、打印功能：可以对各监控节电设备终端任意时刻的数据和年、月、日统计数据进行查询，生成表格、曲线图、直方图，并打印输出。具体可查询、打印的数据包括历史任一日的监控数据；某日某节点的亮灯率；按经纬度计算出的当地一年开、关灯时刻表；全夜/半夜灯设置情况；本日报表(包括电流、电压、故障、亮灯率)等。

d、GPS卫星校时：为了防止监控中心主站电脑时钟走错或认为误操作修改，安装卫星校时装置。卫星校时软件每秒钟采集一次卫星上的数据，并将电脑时钟与之比较，如果不符则立即进行校正，并每小时对监控终端发布一次系统时间。

e、GIS管理系统：路灯GIS实现路灯资料、市政设施资料和地图信息相结合，既可以通过路灯地理信息数据库查询地图上各种信息，也可以通过地图查询各种设施的属性，并且对市政设施进行各种分析统计。各种设施数据管理分层存储，包括各条路段的灯的型号、盏数、电缆长度、容量，变压器台数、型号，配电箱的配置情况及电缆走向；并能在电子地图上反映出各街道路灯的开关状态灯。另外，能够自由修改电子地图中的街道及所增减的设备情况。

f、远程Web查询：监控软件捆绑了一套Web服务器程序，应用当今先进的动态页面技术ASP(ActiveServerPages)完成，通过Windows操作系统自带的浏览器，可以在任何一台可上网的电脑访问监控中心主站的数据进行远程查询。可查询的数据包括各节点的最新监测电压、电流；每个节点的各支路配置的节电状态、互感器变化、标准阻抗、亮灯率、所在城区、接触器状态、故障信息等参数；按当地经纬度精确计算的全年每天开、关灯时刻表；历史各节点的日报表、月报表等，任一节点在任一时间段的历史数据及节点配置的实际图片和街景图片。

Claims (10)

1.一种基于GPRS的公共照明智能化监控系统，其特征在于：包括监控中心、数据库服务器、网络服务器、地图服务器、短消息报警器和监控终端，所述的数据库服务器、网络服务器、地图服务器、短消息报警器和监控终端均与监控中心连接。

2.根据权利要求1所述的基于GPRS的公共照明智能化监控系统，其特征在于：所述的监控终端包括MCU微控制器、GPRS模块、电缆防盗模块、开关量检测模块、开关量控制模块、电参量采集模块、远程抄表模块、时钟模块、人机接口模块、温度采集模块和电源模块；所述的GPRS模块、电缆防盗模块、开关量检测模块、开关量控制模块、电参量采集模块、远程抄表模块、时钟模块、人机接口模块、温度采集模块和电源模块均与MCU微控制器相连。

3.根据权利要求2所述的基于GPRS的公共照明智能化监控系统，其特征在于：所述的MCU微控制器采用型号为的MSP430系列单片机。

4.根据权利要求2所述的基于GPRS的公共照明智能化监控系统，其特征在于：所述的电源模块的型号为LM317。

5.根据权利要求2所述的基于GPRS的公共照明智能化监控系统，其特征在于：所述的开关量检测模块和开关量控制模块集成在一块PCB板上。

6.根据权利要求2所述的基于GPRS的公共照明智能化监控系统，其特征在于：所述的电参量采集模块采用型号为SA9904B的电路芯片作为测量核心。

7.根据权利要求2所述的基于GPRS的公共照明智能化监控系统，其特征在于：所述的时钟模块采用型号为SD2300E的时钟芯片。

8.根据权利要求2所述的基于GPRS的公共照明智能化监控系统，其特征在于：所述的温度采集模块采用型号为DS1820的数字化温度传感器。

9.根据权利要求2所述的基于GPRS的公共照明智能化监控系统，其特征在于：所述的GPRS通信模块采用型号为SIM300的模块。

10.根据权利要求2所述的基于GPRS的公共照明智能化监控系统，其特征在于：所述的监控终端还包括通信拓展模块，所述的通信拓展模块采用GM8125芯片。