先进路灯智能控制系统方案.docx

1项目概述4智能控制系统主要功能4智能控制系统优点52智能控制系统的功能原理63智能控制系统的组成6智能控制系统监控中心服务器及其后台管理软件6概述6服务器解决方案7智能控制系统现场控制柜7主控板8GPRS/GSM模块11三相电参数数据综合采集模块12漏电保护单元13柜体门开关检测装置14柜体温度检测与散热装置14光控装置16开关电源AC-DC161 项目概述1.1 智能控制系统主要功能本方案采用无线通讯方式来远程监控路灯控制箱，设备安装完成后，不需要到达现场即可实现控制与监控的目的。以GPRS/GSM功能技术为核心，控制柜通过GPRS网络和管理中心进行通讯，接收管理中心的命令。该系统的主要功能有远程控制通信功能、多种方式开关灯控制功能、故障监测报警功能、三相电参数数据采集显示功能、漏电保护功能以及后台软件管理功能。1. 多种方式开关灯控制功能系统的开关灯控制功能主要有四种1) 远程控制开关灯，管理中心通过GPRS网络对系统进行校时，可以单独设置两组路灯的开、关时间，路灯实现定时自动开关；另外无论管理人员在何时何地可以通过短信的方式实现灯的开、关。2) 光控开关灯，通过现场光环境的强弱，系统自动开关灯，节约电能，另外对于阴雨天气，能够提高路况的安全性。3) 手动开关灯，现场人员可以通过系统预留的按键实现开关灯，避免人接触强电，降低操作的危险系数。4) 具备纬度自动调整功能，设定的开关时间可随季节的变化进行自动调整。2. 远程控制通信功能远程控制通信功能通过GPRS/GSM功能技术为核心，采用ZLG公司的WZG-28A无线模块，该模块具备GPRS以及短信收发两种功能。3. 故障在线监测报警功能系统可以通过GPRS网络远程将监测的故障信息传输至管理中心，方便检修。4. 三相电参数数据采集显示功能系统采用三相电参数数据采集模块，通过485总线可以有效的采集到三相电压、电流、电能、有功功率、无功功率、功率因数(据此可以建议客户增加补偿装置)。5. 漏电保护功能系统关于漏电保护功能，可根据实际情况管理人员通过后台软件可设置漏电电流的阈值以开启保护、报警。6. 后台软件管理功能管理中心可放置一台工控机，预装润泽公司自主研发的后台管理软件，以便管理中心能够实时控制现场路灯的运行模式、监控路灯的运行状态以及各种监测各种故障信息方便维护人员维护。系统控制功能示意图如图1所示。图1 系统控制功能示意图1.2 智能控制系统优点采用照明无线远程控制系统以后，全市范围的全夜灯、半夜灯和景观灯的开/关均可实现自动控制。同时，由于照明自动化系统具有自动报警功能，调度人员可以在故障发生后的数秒钟内及时了解故障的地点和状态，为及时进行修复提供了有力的保障。无线照明监控系统能提高开/关灯的可靠性和可检查性，避免白天亮灯情况的出现；同时，系统采用光控和时控相结合的控制方案，在预置的时间区段内根据光照度决定路灯的开或关，既能在阴雨天自动延长照明时间，又能在晴好天气自动缩短照明时间；这些措施既可满足市民对道路照明的需求，又避免了路灯的无谓开启，减少了开灯时间,从而节约了大量的电能。2 智能控制系统的功能原理本方案采用无线通讯方式来远程监控路灯控制箱，设备安装完成后，不需要到达现场即可实现控制与监控的目的。以GPRS/GSM功能技术为核心，控制柜通过GPRS网络和管理中心进行通讯，接收管理中心的命令。管理中心实现一个智能控制系统，该系统实现了对路灯的分时开关控制，故障信息的检测，各种信号采集远程测量等功能。智能控制原理框图如图2所示。 图 2智能控制原理框图3 智能控制系统的组成智能控制系统的组成主要包括两部分：智能控制系统监控中心服务器及其后台管理软件、智能控制系统现场控制柜。3.1 智能控制系统监控中心服务器及其后台管理软件3.1.1 概述路灯的监控方式有以下两种：1) 手机方式：通过给路灯控制箱发送一条包含设置信息的短息即可。控制箱收到设置短信后，把设置信息保存起来，进行定时控制路灯。用户还可以通过短信对路灯控制箱进行系统校时，防止错误时间闭、合路灯。短信业务具有应用方便、操作简单、费用低等优点，在越来越来多的分散式、不易布线的监控系统中已经得到广泛的应用，但是短信的方式有5-10s的延时控制，这是短信控制的缺点。1) 服务器方式：用我们提供的上位机软件(路灯管理中心)，用户只要在相应的应用窗口对控制柜校时，同时可以对路灯的闭、合时间进行设置，上位机通过GPRS与现场路灯控制柜通讯，控制柜收到信息、保存信息、完成系统校时等操作。现场控制柜通过GPRS网络将现场监测的数据传送至管理中心,用户可通过上位机软件实时查看现场各种数据信息。3.1.2 服务器解决方案路灯控制器和监控主机采用TCP/IP通讯方式，监控主机通过网关连接到互联网，路灯控制器通过GPRS通讯方式连接到互联网。服务器通信方案如图3所示。图3 服务器通信方案示意图路灯控制器通过GPRS连接到互联网，由于移动信号是不稳定的，它所获取的IP地址也是变化的。监控主机处以企业内部网络中，有比较好的网络环境（固定IP、稳定的网速）。所以监控主机在TCP/IP通讯过程中担任服务器的角色，路灯控制器在联网后，主动和服务器进行通讯连接。监控主机是在企业网络内部，由于有网关的存在，外部不能直接与其建立通讯连接。一般来说，解决的办法是在网关上给监控主机设置端口映射。例如：网关的IP地址为1.2.3.4，监控主机的内部IP地址是192.168.1.2，监控主机的端口60002作为服务器端口。在网关1.2.3.4上设置8012（或者其它用不到的端口）映射到192.168.1.2的60002，那么路灯控制器只要访问1.2.3.4:8012，就可以间接访问到192.168.1.2:60002，TCP/IP通讯方式得到建立。所以需要向网络中心，申请在网关上添加一个端口映射。3.2 智能控制系统现场控制柜智能控制系统现场控制柜主要由主控板、GPRS/SMS模块、三相电参数数据综合采集模块、漏电保护单元、柜体门开关检测装置、光控装置、温度检测装置、串口显示屏、开关电源AC-DC构成。系统主要构成框图如图4所示。图4 系统主要构成框图3.2.1 主控板1. 主控板的主要功能 与ZWG-28A通信（主、从方式），解析短信内容，根据相应的命令做相应的处理，还有对GPRS数据的收发控制。 实时监测电网漏电电流，一旦检测到漏电电流，主动向用户手机发送报警信息（短息方式）。 闭/合控制路灯的开关 与三相点参数数据综合采集模块通信，读出三相电电压、电流、电能、有功功率、无功功率、以及功率因数等。 检测柜门开关状态，为控制中心提供柜门状态信息。 检测柜体内部温度，驱动散热风扇，为控制柜的正常运行提供保障。 与串口屏通信，显示屏显示各种现场数据信息以及开关灯时间。主控板的功能原理图如图5所示图52. 主控板的组成与选型主控板由单片机（CPU）、RS-232通信接口、RS-485接口、AD前端处理电路、继电器、时钟电路，电源芯片等模块组成。1) CPU选型单片机采用ST公司的STM32f103VB芯片，STM32F103xx中等容量增强型系列，整合了工作频率为72MHz的高性能ARM Cortex-M3 32位RISC内核、高速嵌入式存储器(多达128K字节的Flash存储器，和20K字节的SRAM存储器)，和大量连接至2条APB总线的增强型I/O与外设。 所有型号均带有2个12位ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，以及标准与高级通信接口：2个2IC和SPI接口、3个USART接口、1个USB接口和1个CAN接口。器件的工作电压为2.03.6V。 工作于40+85C的温度范围和40+105C的扩展温度范围。本设计需要用到主要涉及单片机内部AD采样，多路串口做RS-232以及RS-485通信，一路IIC通信接口，STM32完全满足设计需求，另外该芯片性价比非常高，所以采用STM32作为CPU。2) RS-232通信接口考虑到主控板的CPU工作电压为3.3V所以采用MAX3232作为RS-232的电平转换芯片，保障RS232通信接口的可靠运行。MA3232采用专有低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0V至5.5V电源供电时能够实现真正的RS-232性能，器件仅需四个0.1uF的外部小尺寸电荷泵电容。max3232确保在120kbps数据速率，同时保持RS-232输出电平。3) RS-485通信接口RS-485通信接口电路采用模拟器件公司的ADM2587E。该器件的产品特性如下： 隔离室RS-485/RS-422收发器，可配置为半双工或全双工 集成isoPower的隔离式DC-DC转换器 RS-485输入/输出引脚提供15kV ESD保护 符合ANSI/TIA/EIA RS-485-A-98和ISO 8482:1987(E)标准 ADM2587E数据速率：500kbps 总线最多支持与256个节点连接 开路和短路电路，故障保护接收器输入 高共模瞬变抗扰度：25kV/us 热关断保护 工作温度：-40到+85 高集成度，20引脚，宽体SOIC封装4) AD前端处理电路AD前端处理电路主要包括漏电电流0-1ma的小电流采样、小电流信号放大、低通滤波器、交流信号转直流信号等电路组成0-1ma小电流采样采用一颗精密的51欧姆采样电阻，将电流信号转换成电压信号。小电流信号放大、低通滤波器以及交直流信号转换电路等全部采用Op07芯片。A. OP07功能介绍：OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于Op07具有非常低的失调电压(对于OP07最大为25uV)，所以OP07在很多场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低(2nA)和开环增益高(300V/mV)的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益测量设备以及放大传感器的微弱信号等方面。B. OP07特点： 超低偏移：150uV最大 高电源电压范围：3V至22V5) 时钟电路主控板采用DS3231作为系统的实时时钟控制芯片。DS3231是低成本、高精度IC实时时钟(RTC)，具有集成的温补晶振(TCXO)和晶体。该器件包含电池输入端，断开主电源时仍可保持精确的计时。集成晶振提高了器件的长期精确度，并减少了生产线的元件数量。RTC保存秒、分、时、星期、日期、月和年信息。少于31天的月份，将自动调整月末的日期，包括闰年的修正。时钟的工作格式可以是24小时或带/AM/PM指示的12小时格式。提供两个可设置的日历闹钟和一个可设置的方波输出。地址与数据通过IC双向总线串行传输。DS3231的主要特性： 0C至+40C范围内精度为2ppm - 为连续计时提供电池备份输入 工作温度范围l 商用级：0C至+70C l 工业级：-40C至+85C 低功耗 实时时钟产生秒、分、时、星期、日期、月和年计时，并提供有效期到2100年的闰年补偿 两个日历闹钟 可编程方波输出 高速(400kHz) IC接口 数字温度传感器输出：精度为3C6) 继电器继电器采用松下继电器JW2SN-DC12V，触点12VDC，负载250VAC/5A。7) 电源芯片由于系统的工作电压为3.3V，所以采用LM1117将开关电源提供的5V电压转化为系统的工作电压。LM1117是一款低压差线性稳压电源芯片，可提供最大800mA的电流输出，LM1117完全满足STM32及其整个主控板涉及的相关电压电流需求。3.2.2 GPRS/GSM模块GPRS/GSM模块采用广州周立功公司的ZWG-28A模块。ZWG-28A 是一款基于 GPRS网络的无线数据传输终端设备，提供全透明数据通道，可以方便的实现远程、无线、网络化的通信方式。最主要的是该模块支持GPRS与SMS两种通信方式，整个系统设计能够得到简化。1. 产品特性： 大缓存区设计(收发各30KB)，采用动态划分技术，提高缓存区使用效率 最多可缓存480帧数据(每帧64B)，适合小数据帧快速连续传输 每帧可设置为1024B长度(缓存30帧)，适合大数据量连续传输 使用西门子工业级GPRS模块，内嵌可靠协议栈 6V-26V宽范围供电 具备设备电源关断功能。方便用户控制 数据全透明传输，用户无需了解复杂的TCP/IP、PPP协议 支持数据中心动态域名或者IP地址访问 支持备用数据中心 支持APN虚拟专网业务 支持永远在线、空闲下线和空闲掉电三种工作方式 支持短信和电话唤醒功能 支持断线自动重连功能 支持连接实际可控功能，节约流量 支持本地和远程图形化界面配置和维护 支持短信配置和维护 支持本地远程固件升级 支持数据中心虚拟串口功能，无缝衔接现有上位机软件 多重软硬件可靠设计，复合式看门狗技术，使设备安全运行2. 性能参数如表1所示参数名称参数备注网络类型GPRS移动站类型CLASS BGPRS多时隙类型CLASS 10频段900/1800MHZGPRS网络传输速率下行：上行编码方式CS-1、CS-2、CS-3、CS-4SIM卡电压天线接口50/SMA（母头）串口电平类型RS-232标准电平串口接口类型端子串口波特率300-115200bps支持标准波特率适配电源DC：+6V-26V功耗工作：最大380ma待机：80ma空闲：80ma掉电：80ma工作温度-25-+80存储温度-40-+80湿度范围0-95%非冷凝表13.2.3 三相电参数数据综合采集模块三相电参数数据综合采集模块采用力创的采集模块EDA9033E。EDA9033E的功能特点：EDA9033E 系列模块是 EDA9033A 模块的升级替代产品，增加了四象限有功、无功功率的测量，频率测量，正反向有功无功电能的计量，及显示驱动接口。 EDA9033E模块是一智能型三相电参数数据综合采集模块； 三表法准确测量三相三线制或三相四线制交流电路中的三相电流、三相电压（真有效值） 、有功功率、无功功率、功率因数、频率、正反向有功电度、正反向无功电度等电参数。 其输入为三相电压（0500V） 、三相电流（01000A） ；输出为 RS-485 或 RS-232 接口的数字信号，支持的通讯规约有3种： （ASCII码）研华ADAM兼容通讯协议、十六进制LC-02协议、MODBUS-RTU。 EDA9033E 模块是一款高性价比的智能电参数变送器，他能替代过去的电流、电压、功率、 功率因数、电量等一系列变送器及测量这些变送器标准输出信号的模入模块，可大大降低系统成本，方便现场布线，提高系统的可靠性。 其485 总线输出与兼容于 NuDAM、ADAM 等模块的 ASCII 码指令集，使其可与其他厂家的控制模块挂在同一485总线上，且便于计算机编程。EDA9033E典型接线图如图6所示：图6 EDA9033E典型接线图3.2.4 漏电保护单元漏电保护单元包括在三相电进线处安装一个零序电流互感器，当漏电发生时，零序电流互感器有信号输出经过主控板上AD前端处理电路处理，然后接入STM32内置AD，当数据大于一定值时候，CPU立即响应进行漏电保护动作并通过GPRS网络向管理中心报警。漏电保护单元的零序电流互感器采用铂晶电子科技有限公司的CT510300系列零序互感器，它有以下特点：1) 产品主要应用在主干路电流小于160A的环境中。2) 极优的平衡特性,拟合电流偏离窗口中心位置输出一致性小于0.5%。3) 高输出线性度，输出小于0.5V时,整个采样范围内线性优于0.5%。4) 高灵敏度，分辨率可达到10mA，额定输入0-1A，额定输出0-1mA。5) 外形尺寸如图7所示图7 零序电流互感器外形尺寸3.2.5 柜体门开关检测装置柜体门开关检测装置采用行程开关做检测装置，型号为YBLX-K1系列，具体参数以及安装方式见YBLX-L1的PDF手册3.2.6 柜体温度检测与散热装置柜体温度检测可以用集成的温度控制器，为了节省成本也可以，采用RTC电阻代替，通过单片机的AD检测实时温度，这种方式不仅节省成本，而且实时性高。当温度达到设置温度时，启动散热风扇。温度采样电路如图8所示：图8随着温度的改变R1的阻值发生变化，R2采用1%的电阻情况下，温度的精度可以达到1。散热风机选型： 型号：12025 轴承结构：S：SLEEVE 电压：220-240VAC 功率：18W 频率:50/60HZ 转速：2250-2600(R/min) 风量：1.77-2.11(m/Min) 噪声：40dB 重量：330(g)安装尺寸图如图9所示：图93.2.7 光控装置光控装置用光控继电器，主要实现光控与时控结合，最大化的达到环保节能的目的。在管理中心网络出现问题的时候，光控比就地控制要方便得多，节省了人力，并且也达到节能的目的。在阴雨天气，也能提高路况的安全性。3.2.8 开关电源AC-DC主控板的电源来源于开关电源，该开关电源可外购。开关电源有两路电源输出1路12VDC、1路5VDC。12V主要用于板上继电器的驱动、GPRS模块供电，所以12V电源的最大工作电流限定2A；5V电源主要用于主控板供电，主控板工作电流在50mA-100mA直接，所以5V电源的最大工作电流限定为1A，留一些余量方便扩展。