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樊立虎
男，漢族，高級工程師，1981年畢業于太原工學院，多年從事城市給排水工作， 2006年起從事城市照明工作，現任長治市照明管理處處長。

摘要：針對長治市城市照明系統管理和維護的要求，開發了一種基于GPRS的城市照明遠程控制系統，給出了基于GPRS網絡的城市照明管理方案。該方案利用GPRS的優勢，通過單片機實現與路燈控制器PLC的通信，實現遠程數據傳輸和控制管理。實際投入運行表明，該系統能有效實現對路燈的遠程監控。系統的應用降低了照明管理成本，提高了城市照明服務水平，有較大推廣價值。

關鍵詞：照明系統；PLC；遠程控制；GPRS

Abstract: According to the management and maintain requirements of the lighting system 
of Changzhi city, we developed a GPRS-based remote control system of the city lighting, and gave the management program of the 
GPRS networks of the city lighting. By making full use of the advantages of the GPRS, 
based on the SCM (singlechip controller) the program realizes the communications between 
the road lamp controllers of PLC, the data transmission, and the remote control. Through 
practical operation, this system can achieve the remote monitoring of the road lamps 
effectively. The application of this system can reduce the management cost of lighting, 
and improve the service level of the city lighting. Therefore, it has a great value of popularization.

Key words: Lighting System; PLC; Remote Control; GPRS

1 引言

    現在的城市照明已從電力系統中劃分成為一個公共服務管理機構，對整個城市的道路、景觀、公共場所照明進行建設、管理和維護。隨著城市的發展，規模的擴大，照明系統也變得十分龐大。長治市城市照明需要將整個城市照明系統進行細分．按城區進行區域化管理。

    隨著城市建設的開展，城市跨度增大，照明控制器數量的劇增，分布范圍廣，給照明系統的管理和維護造成很大的負擔，城市照明管理和維護的人員和機構增多，造成資源的浪費，效率低下。現有照明控制器均采用自動獨立的控制方式，對全年照明時間進行控制。但是，季節的變化、天氣的影響和特殊節日的安排都需要對照明的時間和地點進行調整和控制，現場操作難以實現。現有的無線擴頻通信、載波通信由于地理位置、可靠性等限制不能滿足照明系統管理和維護的要求。光纖通信是最可靠的通信手段，由于造價高，方案規劃投資大，是—種有線方式，不適用于城市照明系統。  隨著新一代的移動通信業務CPRS的開展，基于CPRS的無線通信應用越來越廣泛，使得城市照明的遠程控制系統的實現具有可行性。

2 GPRS技術概述

    GPRS (General Packet Radio Service)通用分組無線業務是在現有的GSM上發展出來的一種新的承載業務，目的是為GSM用戶提供以分組形式的數據傳輸業務。與原有的GSM比較,GPRS在數據業務承載和支持上具有非常明顯的優勢：

    (1)通過多個GSM時隙復用，支持更高的數據傳輸速率，理論峰值達到171.2Kbit/s（CS-42編碼方式適用于無線環境好的地區）。

    (2)多網絡用戶共享同一組GPRS信道，某一用戶需要發送或接收數據才會占用信道資源，多用戶的業務復用，更有效利用無線網絡信道資源，特別適合突發性、頻繁的小流量數據傳輸。

    (3)GPRS計費方式靈活，支持按數據流量進行計費；GPRS激活后，可以實現“永遠在線”，類似與無線專線網絡服務，提高數據實時性，應用范圍廣。

    (4)GPRS能夠為用戶提供透明的IP通道，可直接防問Internet中的所有站點和資源。

    另外，GPRS能夠支持進行數據傳輸的同時進行語音通話等，相對于短消息等其他無線數據通信業務，按數據流量收費的價格優勢更加明顯。

    GPRS是基于GSM網絡的，采剛分組技術的GPRS利用了GSM寶貴的無線信道資源，提高信道的利用率，GSM優秀的網絡覆蓋面，保證GPRS數據傳輸穩定，對于城市照明控制是一個優秀的通信資源、GPRS在夜間實行半價收費，照明系統數據傳輸、遠程控制都在夜間進行，結合經濟效益考慮，GPRS是一個最佳的遠程通信實現。

3 城市照明遠程控制系統方案

3.1 系統網絡結構

    城市照明以道路照明為主，有專門的供電線路和以路段為劃分依據的控制器。路燈控制器為遠程節點，照明管理中心(局)為臨控中心。照明控制需要實時性、可靠性、保密性的數據傳輸，一般不采用虛擬數據專用網絡的接入方式，而采用APN接入方式，申請城市照明專用的APN接入點，管理中心網絡服務器通過專線和當地移動通信公司GPRS網絡相連，專用路由器接入。移動通信公司發放專用路燈控制器通信和手持計算機通信的SIM卡，在路燈控制器、手持計算機和網絡服務器之間構成一條無線虛擬專用通道，滿足城市照明遠程控制系統的網絡要求。

                                       圖1   系統通信網絡結構圖
3.2 系統工作原理

    系統由三部分組成：路燈控制器終端、管理中心服務器和手持客戶端。

    (1) 路燈控制器終端由PLC獨立控制模塊、完成電量采集和模塊通信功能的單片機模塊、GPRS通信模塊等組成，完成數據采集、控制輸出、數據通信、故障報警等功能。終端通過GPRS與城市照明管理中心的服務器相連，實現終端的實時通信。單片機控制GPRS模塊登錄GSM無線移動網絡，申請動態IP地址．主動連接管理中心固定IP地址，由管理中心服務器為終端建立和維持Socket連接。

    (2) 管理中心服務器作為整個城市照明系統監控管理中心，對整個城市的照明系統進行集中控制。城市照明管理中心架構穩定服務器系統實現遠程監控，采集數據，建立數據庫；網絡端口設置防火墻，保證系統的安全；采用輪詢的Service／Client通信方式，分區域對遠程控制終端掃描實時電量數據和路燈控制器的輸出狀態。

    (3) 手持客戶端是以手持計算機作為載體，具有漫游移動功能的GPRS移動客戶端。城市照明管理所下屬維護人員小組裝備手持客戶端，現場讀取在管理中心服務器數據庫中路燈控制器的電量數據，分析數據，實現快速處理路燈控制器故障，提高城市照明管理的維護快速性和機動性。

    系統能夠實時監測路燈控制器的運行參數，包括三相電壓、三相電流、路燈控制器控制輸出和控制器的運行狀態參數等。服務器采集電量數據，存儲在服務器的數據庫中，以曲線圖或表格的形式表示，對系統的運行狀況進行評估；采集路燈控制器的運行狀態和控制輸出，反映路燈控制器的工作狀態；針對季節的變化、天氣的影響和特殊節日的安排．對城市照明的時間和地點進行遠程調整．提高城市照明服務水平；在數據出現異常或者控制器人為破壞的情況下，管理中心服務器相應終端報警信號，由管理中心通過對故障點附近手持客戶端發送信號，通知維護工人，處理終端故障。

4 路燈控制器硬件實現

                                        圖2   路燈控制器硬件結構圖

    路燈控制器中采用Siemens的小型可編程邏輯控制器S7-224對路燈照明按照常規獨立控制道路照明。GPRS通信采用Siemens的無線通信模塊TC35i，終端系統采用洛陽元煜公司的LCS-2000型單片機、Maxim的A/D采樣芯片MAXl97、開關穩壓電源以及外部接口芯片和器件。

4.1 S7-224

    終端安裝現場環境惡劣．采用Siemens的小型PLC來實現照明開關控制，保證現場開關控制的穩定性。在PLC內部設定遠程開關控制的優先級比常規時間開關控制要高，通過遠程控制實現城市照明系統照明時間、地點靈活控制性。Siemens對外通信端口是RS485標準，在路燈控制器中采用自由通信協議端口與單片機通信。

4.2 TC35i

    終端路燈控制器的遠程GPRS通信模塊采用Siemens公司的無線GPRS通信模塊TC35i。TC35i是Siemens公司推出的新一代上業級無線通信GSM模塊。TC35i模塊可以工作在雙頻段，工作在不同的頻段功耗分別為2W((GSM900MHZ)  和IW(GSMl800MHZ)。模塊有AT命令集接口。為數據、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應用開發及設計。

    路燈控制器遠程終端通過編寫單片機啟動程序，應用AT指令，對無線GPRS通信模塊TC35i進行初始化設置，設定與服務器通信服務端口。將管理中心服務器地址進行綁定，通過現場的GSM信號設備，接入公共的GSM網絡，通過當地移動網絡數據中心的APN按入端口，與管理中心連接通信。GPRS連接通過單片機的循環指令執行和服務器的Sockel連接機制實現GPRS無線通信的“永遠在線”連接，保證遠程控制系統的實時控制響應。

5 路燈控制器軟件實現

5.1 PLC程序設計

    Siemens小型PLC系列PPI通信協議對外不公開，在本系統中，采用S7-224的自由口通信方式，從數據傳輸安全、控制信息保密的角度來制定城市照明管理中心服務器和路燈控制器終端的通信協議格式，PLC接收中斷處理程序中對傳輸控制命令進行解碼，響應控制操作，對發送的數據進行編碼，通過單片機打包，上傳至管理中心服務器。對管理中心的控制命令進行解碼，控制輸出。

5.2 單片機程序設計

    數據采集采用程序控制方式，采集實時電量數據。與PLC通信，對PLC的狀態和電量數據進行組合、編碼；處理GPRS的傳輸數據，發送道PLC控制器。

    GPRS模塊TC35i沒有內嵌TCP/IP協議，系統中所涉及的通信功能不包括完整的TCP/IP協議族，對TCP/IP協議進行裁剪，采用嵌人式TCP/IP協議，實現對TC35i通信模塊的控制．對GPRS傳輸的數據進行解碼、編碼功能，實現遠程數據傳輸。

    為解決GPRS無線遠程通信存在的干擾和誤差，加強系統GPRS無線通信傳輸數據保密，安全性。單片機與中心服務器約定通信的譯碼、解碼算法。統一控制命令密鑰、數據編碼方式。單片機中斷處理程序中，增加密鑰判斷，能夠識別錯誤的命令和外來的干擾，  丟棄錯誤數據；管理中心在數據發送之后，延時對終端監測響應，在數據丟失、破壞的情況下，自動重發控制數據；通過以上措施，保城市照明系統遠程控制的準確性和安全性，避免干擾操作．

6 管理中心功能和特點

    城市照明遠程控制系統管理中心冗余服務器由二套服務器系列的226通用服務器構成，一套臺式機作管理操作。DELL顯示器作系統運行狀態顯示，結合電子地圖、道路規劃圖實時顯示控制器運行狀態。實現以下功能：

    (1) 實時記錄每個路燈控制器終端的三相電流、電壓和控制輸出狀態參數，存儲數據。

    (2) 對采集的數據進行分析、計算，以曲線圖的形式顯示歷史電壓、電流運行狀態。

    (3) 嚴格控制操作權限，保密與PLC的通信協議的編碼解碼，實行安全的、保密性高的城市照明遠程控制。

    (4) 遠程終端報警功能，如斷電、斷相、過流、過壓、三相不平衡、人為破壞路燈控制器等。記錄時間，響應報警控制，提高照明系統運行的可靠性。

7 結束語

    開發的基于GPRS城市照明系統．已在長治市區路燈管理處投入試驗運行，城市照明系統采用APN的接入方式，網絡延遲小，實現遠程中央控制。在精簡城市照明管理的人員機構、降低照明管理成本，提高城市照明服務水平方面，有很大的應用前景。

    其他作者：代永智，男，漢族，現就職于洛陽元煜自控工程有限公司，從事城市照明自動監控系統研制、開發工作；孫泉，男，漢族，畢業于蘭州化工學院工業儀表及自動化專業，現就職于洛陽元煜自控工程有限公司從事城市照明自動監控系統研制、開發工作。

參考文獻

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