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基于无线GPRS的智能城市路灯控制系统

通过无线传输和计算机,对城市路灯实行集中的监测与控制。街区路灯控制装置即监控终端,与设在路灯管理机构的监控中心,形成两级分布式计算机控制系统。监控中心与各监控终端主机之间的通信方式采用通用分组无线业务通信技术（GPRS）、监控终端主机与各监控终端从机之间采用电力线载波通信技术实现数据交换。

一、引言
路灯照明是城市基础设施的组成部分，在城市的交通安全、社会治安、人民生活和市容风貌中居于举足轻重的地位，发挥着不可替代的作用，而且标志着城市实力和成熟的程度。建国以来，伴随我国城市现代化建设的突飞猛进，城市路灯照明取得了辉煌的成果，成为一项蓬勃发展的公用事业，但是市政开支普遍紧张与增设路灯照明形成了很大的矛盾。在沿海某些开放城市，大批路灯在安装后迫于财政紧张的压力，支付不起沉重的照明电费开支，又不得不关掉近一半的灯，结果近年新装的部分路灯形同摆设，造成变相浪费。

如何让路灯亮起来，让城市亮起来，亮得更科学，亮得省电省钱，这就要求除了具有高水平的照明设计和品质优良的照明设备以外，还要求有一套安全可靠、灵活多变的控制操作系统，从而根据不同的使用环境、不同的使用功能及不同的照明需求，编制出各种不同的控制方案，通过各种控制方案的有机结合，制造出各种不同的照明效果；另外，在实施了某种控制方案时，还要对每套灯具的运行状况有一个准确的掌握。只有真正做到以上几点，才能保证良好照明效果的实现。现代计算机集控技术的发展为我们提供了一种解决以上问题的有效途径。基于无线通信的城市路灯监控管理系统是现代计算机技术运用于城市市政建设中有效且必然的产物，实现了城市路灯系统的计算机集中监测、控制与管理。

二、系统的组成
基于无线通信的城市路灯监控管理系统由一个监控中心、若干个路灯监控终端主机以及若干个导航车载终端组成。监控中心是整个路灯监控系统的操作、维护、处理、统计、分析和监管的中心，肩负着与其它管理网络的互联任务。监控终端负责路灯的供电和控制。导航车载终端负责维修车辆的故障处理顺序的接收和车辆行驶路线的规划。监控中心与监控终端的通信方式采用GPRS公共通信网络完成遥测、遥信和遥控，监控中心与导航车载终端的通信方式采用GPRS公共通信网络完成维修单和故障处理顺序的下发。

三、系统的工作原理
基于无线通信的城市路灯监控管理系统,是通过无线传输和计算机,对离散存在的受控对象实行集中的监测与控制。在计算机检测管理系统中,街区路灯控制装置即监控终端,与设在路灯管理机构的监控中心,形成两级分布式计算机控制系统，监控中心兼做管理计算机和工程师操作站,主要完成遥控、遥测、遥信、故障分析、数据检索、系统维护、电子显示和报表打印等功能。监控终端为实时在线控制机，不断检测线路状态、参量及查询监控中心的命令，完成路灯开关控制,电流、电压、电能及功率因数的检测,调压降压运行等功能。
当监控中心收到路灯故障信息时，系统根据故障类别、路灯故障点的位置及维修车辆的实时位置，按照区域划分自动计算车辆与路灯故障点之间的距离，合理安排出故障处理顺序，并将维修单及故障处理顺序下发到导航车载终端。导航车载终端根据故障的处理顺序自动计算出车辆行驶路线，辅助维修人员到达路灯故障点，并完成系统下发的维修任务。

四、系统特点
1、可靠性高
与SMS短信息方式相比，GPRS采用面向连接的TCP协议通信，避免了数据包丢失的现象，保证数据可靠传输。中心可以与多个监测点同时进行数据传输，互不干扰。GPRS网络本身具备完善的频分复用机制，并具备极强的抗干扰性能，完全避免了传统数传电台的多机频段“碰撞”现象。
2、实时性强
GPRS具有实时在线的特性，数据传输时延小，并支持多点同时传输，因此监控中心可以多个监控点之间快速，实时地进行双向通信，很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求。目前GPRS实际数据传输速率在30Kbps左右，完全能满足系统数据传输速率（≥10Kbps）的需求。
3、监控范围广
GPRS网络已经实现全国范围内覆盖，并且扩容无限制，接入地点无限制，能满足城市路灯的监控需求。
4、系统建设成本低
由于采用GPRS公网平台，无需建设网络，只需安装设备就即可，建设成本低；也免去了网络维护费用。
5、系统运营成本低
采用GPRS公网通信，全国范围内均按统一费率计费，省去昂贵的漫游费用, GPRS网络可按数据实际通信流量计费，(1分-3分/1K字节)，也可以按包月不限流量收费，从而实现了系统的低成本通信。
6、可实现集中控制
通过GPRS数据监控中心，可实现对路灯的远程控制，例如：远程开关控制，远程状态查询等。
7、系统的传输容量，扩容性能好
路灯监控中心要和每一个路灯监控器实现实时连接。由于路灯监控器数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要；由于系统采用成熟的TCP/IP通信架构，具备良好的扩展性能，一个监控中心可轻松支持几千个路灯监控器的通信接入。

五、系统的主要功能
1、监控中心主要功能
①监测内容：监测变压器相电压、相电流、工作温度、湿度,监测线路开关状态、有功功率、故障报警和用电量。
②控制内容：对整条线路进行统一开关控制（线控）,对单灯进行独立控制（点控）。
③远程控制方式：根据光照度的变化，控制路灯的开关（光控）；根据预定的时间表，控制路灯的开关（时控）；监控中心人工控制路灯的开关,光控、时控及人工干预相结合。
④管理功能：通过改变系统配置文件完成系统配置；进行网络设置,对本地工作站或远程工作站(计算机或便携电脑) 进行管理。

⑤报警功能：当监控终端发现有告警时，系统自动报出故障的有关参数。
⑥车辆GPS导航：当监控中心收到路灯故障信息时，系统自动计算车辆行驶路线、安排故障处理顺序，合理调度辖区内的维修车辆，减少空驶里程，提高故障处理时效。
⑦时间表功能：设置自动定时时间表、临时时间表、全夜灯时间表、半夜灯时间表等。
⑧计算功能：根据电压、电流、有功功率和功率因数的变化，自动进行亮灯率估算。为了保证亮灯率的统计，数据采集精度应优于1%。
⑨地理信息功能：以地理信息系统（GIS）为开发平台，实现照明监控和地理信息管理的有机结合。地图可以缩放、分层显示，全貌可以显示全系统地理位置，局部可以显示某控制点的详细内容。地理信息是界面的主体，有地理地貌信息、各路段、配电箱及终端设备的安装位置，各种设备的参数、运行数据的数据库。
⑩统计管理功能：统计系统与运行过程中的各类信息，形成报表，便于针对具体目的的分析研究。可以对各监控终端任意时间的数据按照年、月、日进行查询、统计、可以定时将各监控终端的电压、电流、亮灯率等运行情况进行查询、统计；可以对任意一天的实际开关灯时间等记录进行查询、统计；可以对历史故障、登录信息进行查询和打印。
⑪WEB信息发布与远程实时查询：系统采用B/S架构，将本系统的各种数据通过WWW网发布，使用户通过WEB浏览器查看各路段照明系统的运行状态。
⑫安全管理功能：为了操作安全，系统分级权限管理。所有重要操作均需要严格的人员密码及权限验证，防止非法操作，并有详细的日志记录以备事后追溯。

2、监控终端主要功能
监控终端采用优化的自动校准、自动跟踪、交流采样技术，可以实现免调节、免维护、免校准，保证长期稳定性。
①定位功能：对路灯进行GPS定位，在电子地图上显示出路灯所在的准确位置。
②开关灯控制功能。
③路灯运行数据采集功能：监控终端主要检测电流、电压、功率、功率因数、用电量、接触器状态等数据。数据采集分为模拟量采集、数字量采集、开关量采集，根据采集的数据和系统设置可以判断出路灯的运行状况和故障情况。
④远程复位功能：监控终端因意外情况出现异常时,可以接受控制中心的远方复位命令，监控终端程序初始化，重新运行,提高了系统的可靠性。
⑤无线数据通信功能：监控终端能通过无线数据通信网,定时或随机地向控制中心返回电压、电流、用电量等路灯运行状况数据。
⑥故障自动上报功能：当检测到停电、白天亮灯、夜晚灭灯、电缆被盗等严重故障时，自动向控制中心发出警报,从而保证故障响应的实时性。
⑦输出状态显示：监控终端各输出继电器的位置状态、各遥测信号输入状态均有灯光指示。

3、导航车载终端主要功能
①实时跟踪：导航车载终端可以上报实时的位置信息，及时获取车辆行驶位置，位置信息包括经度、纬度、速度方向、时间等信息；导航车载终端也可按照定时的方式连续上报车辆的实时位置，实现对于在途车辆的实时监控功能。
②导航功能：导航车载终端根据系统下发的故障处理顺序自动计算出车辆行驶路线，辅助维修人员到达路灯故障点，并完成系统下发的维修任务。
③调度功能：导航车载终端可以实现与监控中心的短消息文字交互调度，同时具有语音播报功能。
④管理功能：驾驶员登录/签退；远程和本地设置、查询终端参数；通话记录上传；远程查询/上传行驶记录仪或计价器数据；设备自检；可通过串口或远程方式进行设置和查询终端参数；可通过串口或远程方式进行远程升级程序。
⑤语音通话：电话本、呼出呼入电话限制，通话时长限制。
⑥设备自检：导航车载终端具有设备故障（电源故障、GPS模块故障等）的检测报警功能。
⑦安防管理及报警：防盗报警、防劫报警；掉电报警，超速报警，疲劳驾驶报警，超时停车报警，偏离行驶路线报警，进出节点报警，越界报警；报警信息可发送至监控中心或手机；远程控制车辆的断油或断电

六、产品技术指标
1、监控终端

GPS参数
芯片组: SiRF Star Ⅲ
通道数: 20通道
跟踪灵敏度: -159dBm
定位精度: 10米, 2D RMS
重新捕获时间: 平均0.1秒
热启动时间: 平均1秒
温启动时间: 平均38秒
冷启动时间: 平均42秒
最大高度: 18,000米
最大速率: 515米/秒
最大加速度: 4g
工作电压
9～36伏（直流）
工作环境温度
-20～60摄氏度
相对湿度
<95%
GPRS/GSM/CDMA 1X天线接口
50欧姆，SMA接头
外壳
铝合金工业级、防静电设计
平均功耗
小于2.2瓦
主机尺寸
168×98×27毫米
RS-232串行数据接口
3个，300～115200波特率
RS-485串行数据接口
1个，可选
报警输入接口
1个（外接报警按钮）
其他光耦隔离输入接口
4个
输出接口
3个

2、导航车载终端

① CPU：Samsung ARM926 S3C2440 400MHZ；
② 操作系统：Microsoft WinCE.NET 5.0 Core Version；
③ 内存：64MB SDRAM+64MB FLASH；
④ 显示屏尺寸：4.3寸，1600万色 TFT,分辨率480*272；
⑤ SD 卡插口：64MB---8GB；
⑥ 手写功能：支持全拼手写输入功能；
⑦ 音频输出：左右声道，立体声输出（ 喇叭），功率1W，阻抗8Ω；
⑧ 串口数量：2个独立；
⑨ USB接口：1个；
⑩ 环境要求：温度-40℃～+85℃；

七、结束语
基于无线通信的城市路灯监控管理系统，是现代计算机集控技术和无线传输技术发展的必然结果，是城市路灯管理系统发展的必然方向。该系统涉及计算机技术、通信技术、自动控制技术等多个领域的最新科研与技术研究成果，是城市现代化程度的重要标志。它的采用和推广不仅能提高路灯管理水平和服务质量,而且在节约能源、保护环境、保证公共安全等方面也将产生较大的经济效益和社会效益。