文章介绍：电子创新设计与实践  作品技术报告
院系名称：信通学院
作者：龙水平 刘纯青 李庆华

研究报告
摘要：本文研发的新一代城市照明智能监控系统是以先进的通信技术、计算机技术、自动控制技术、地理信息系统技术为基础，实现城市照明系统的远程监控，从而达到实时掌握城市照明系统的运行状况，快速发现并定位故障原因和位置，提高城市照明系统的运行质量的目的，而且有助于提高城市的经济效益和社会效益。
0 引言
     城市照明系统是城市的重要基础建设之一，是一项科学性、技术性很强的系统工程，又是一项重要的形象工程。传统的照明系统没有通讯功能，无法实现集中监控，所以操作结果不能监视、记录和统计。要获取设备的工作状态信息，只有靠白天巡线，夜间巡灯以及群众的电话报警，从而导致处理设备故障的效率很低，而且浪费了大量人力物力。一些现有的城市照明监控系统，里面增加了通讯功能，但由于通讯方式单一，只采用数传电台方式或者GSM/GPRS方式，无法满足不同规模城市对于城市照明监控系统的不同需求，例如数传电台无法有效覆盖大城市的全部区域，而在小城市尤其是消费水平较低的城市，利用GSM/GPRS传输方式会导致维护费用过高。目前大多数城市照明监控系统已经建立了路灯数据库，设计者采用AutoCAD绘制路灯设施图。但对既具有地理位置属性又具有诸如灯杆、灯具、光源等其它许多属性对象的路灯管理来说，用数据库不能直观地反映其地理位置关系，用CAD之类的图形软件又不能将其它属性都表达清楚，而且数据查询、统计、计算功能也不够强。
     为了满足城市数字化和路灯管理科学化的需要，以及解决以上所提到的种种不足，建立现代化的城市路灯管理模式，本着高起点、高智能化的设计原则，本文提出了一套可靠、高效、完善的新一代城市照明智能监控系统解决方案。该照明智能监控系统适用于大、中、小各种规模的城市，系统的大小可灵活配置，具有遥控、遥测、遥信，电子地理信息，自动短信提示，声光报警等功能，为了适应各城市的情况，设计了GSM/GPRS、数传电台、CDPD等多种组合通讯方式。
采用该系统不仅可以提高城市照明系统的硬件、软件和管理水平，也增强城市照明的可靠性和可控性，提高照明系统的工作质量，减轻维修人员巡检的工作量，提高工作效率。
1 系统构成
城市照明智能监控系统由监控中心(主站)、无线通信网络和具有数据采集及控制功能的远程终端（RTU）组成，如图1所示。
监控中心：操作人员通过计算机管理、控制整个系统的运行，同时监视、记录系统的运行情况。
RTU：由单片机构建，负责接收主站的命令、执行开关灯动作、采集运行数据、向主站报告故障数据等。
无线通信：可使用多种通讯方式，并可根据实际需要组合使用。

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                 图1 城市照明智能监控系统构成图
2 监控中心
2.1 监控中心组成
      监控中心由中央主控机（包含多媒体计算机系统、打印机、UPS）、大屏幕（或投影仪）、通信模块、天线等部分组成。监控中心软件采用Borland C++ Builder 6.0编程，具有运行稳定、可靠、响应速度快等特点。软件设计使系统具有数据库控制管理功能，所有系统中的资料均保存在系统数据库中，以备统计、查询；同时使系统具有遥测、遥控、遥信等功能。
2.2 监控中心功能
2.2.1 地理信息功能
      本系统建立在Mapinfo地理信息系统平台之上，以城市电子地图为底图（本文以哈尔滨市为例），将全市路灯设施详细情况标注在对应位置。标注的内容可根据各自需要，一般有：路灯灯杆、灯具、光源、功率，开关箱的控制范围、负荷、控制方式、所装电表，电缆的长度、型号，以及接线井、接地等情况。由于地理信息系统本身具有对带有空间属性的对象进行输入、输出、编辑、修改、查询之类的基本功能，路灯的图形信息和数据属性输入信息系统后，修改查询就方便了。利用路灯信息系统，我们可以很方便地查询所需要的信息，可以根据不同的查寻条件、查寻对象和查寻目标选定不同的查寻方式。鼠标移动到平面图上的一条街道或一个控制区，该处路灯的灯型、功率、灯盏数等属性就自动显示出来，单击某一区域，可以看到该区域更详细的信息。如果给定查询条件，符合条件的对象就会闪亮，二维表中对应的记录也会被标示出来，平面图与二维表的对应关系一目了然，并可根据需要打印查询结果。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，甚至可以看到某一盏灯的详细情况。当路灯运行出现异常和故障时，通过地理信息系统可进行故障事件点快速定位。
2.2.2 遥控功能
1.      光控和时控功能：将根据经纬度计算或人工定义的开关灯时间表存于微机内，并下载到各分站控制器中作为分站的主时间表，若无特殊情况，分站按设定的时间表，自动定时执行路灯及相关照明系统的开关，并将执行结果报告给监控中心。监控中心同时接入光照度测量装置，设定照度门限，根据天气变化在设定的开关时间前十五分钟，当照度达到设定照度门限，即自动控制开关灯，这样，以时间为主、光控为辅，可使路灯控制更趋于合理。
2.      手动控制开关灯：通过微机键盘或鼠标可随时对各分站进行手动控制，遥控开、关灯。
     3遥测功能
该功能有自动巡测和手动巡测二种：
1.      自动巡测：系统每隔十分钟（时间可随意选取）对各分站进行数据采集，采集的项目是各分站该时刻运行的电压、电流数据和十分钟内电功率数据，并把该数据存储到主台微机中。
2.      手动巡测：通过微机键盘或鼠标操作可随时检测各分站路灯配电箱的运行情况，并在显示器的屏幕上显示出运行数据，也可把各分站在该城市地图上的位置及其运行正常与否的情况在显示屏上显示出来。
2.2.4 遥信功能
监控中心微机系统可随时查询从站执行终端的时钟、存储的开关灯时间、半夜灯时间以及遥控工作状态和接触器工作状态。
     5报警功能
通过分析所采集到的数据，给操作人员反馈设备运行状况，提高处理事故效率。设备在出现故障或系统异常（如亮灯率低于限值、变压器失电、大片灭灯、单灯故障等）时立即向监控中心报警，报警以声音提醒值班人员注意，同时在主界面上显示相应报警区域。作为可选功能，报警信息可以通过短信（SMS）方式自动转发给负责该报警区域的维修人员手机上，提高工作效率。
2.2.6 查询功能
     监控中心可以查询实时数据、某日数据、亮灯率、用电量、报警数据、即时照度、照度数据等，这些数据可用曲线显示出来，并可以打印。
2.2.7 其他功能
     其他功能还包括：运行权限管理功能，系统用户管理功能，终端数据库管理功能，时间校准功能等。
3 测控终端
      测控终端的任务： ⑴完成电压、电流、电功率、门箱开关等运行状态的采集，同时读取电能表用电量；⑵处理与无线模块的通讯，接收监控中心命令返回实时数据或设置本机参数；⑶独立运行状态下，根据本地时钟开关灯；⑷本地显示工作状态或采集参数，处理键盘事件。
3.1 测控终端的组成
      测控终端以ti公司16位高性能单片机msp430(12通道输入12位A/D转换器)为核心构建，包括无线通讯模块、数据采集模块、输入输出模块、电能表接口、时钟和键盘显示模块。
无线通讯模块，可选择数传电台或gsm模块；电压、电流采集采用精密交流电压、电流互感器；输入输出采用光藕隔离设计，抗干扰能力强；电能表接口兼容转盘式脉冲输出或485总线形式；时钟采用ds1302，走时精确；两行液晶字符显示，信息量大、低功耗。
组成框图如图2：
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                3.2 软件实现及流程图
      msp430单片机集成调试环境支持汇编和c语言设计，汇编编程速度快、代码效率高，但是编程效率低、可读性差；采用c语言进行程序设计，可调用c语言标准函数，有可读性强、编程效率高、可移植性强的特点，优秀的c编译器其代码效率能达到汇编的80—95%。本系统设计主程序采用c语言设计，个别对时间要求高的程序段调用汇编子程序，这样实现了两种语言的优势互补。
    软件主要由数据采集模块、通讯模块、显示和键盘模块、参数设置模块等组成，流程图如图3所示：
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4 通讯方式
4.1 数传电台方式
     主控电台安装在监控中心，照明智能监控系统中所有的数据收发都由主站控制，通过将分站编址，由主站采用轮询的方式，将数据或控制命令从主站发往分站，同时可将该分站的采集数据传回到主站。由于分站不能主动上传数据，只能等主站询问到该站时才能上报数据，所以数传电台方式可用于规模较小的城市。采用数传电台方式，通讯网的建设、维护设备成本高、信号易互相干扰，但运行费用较低。
4.2 GSM/GPRS方式
     利用公用GSM通讯网络，无需自行组网，主站、分站即可利用短消息（SMS）进行通讯，也可采用GPRS数据分组方式。
     本文主要实现用SMS方式来进行通讯。监控软件中的通信模块是基于Borland C++ Builder开发的，它通过AT指令对串口操作，对需要发送的控制指令或者数据进行PDU编码，按照SMS协议把编码后的信息由TC35模块发送出去。接收数据时,把TC35模块接收到的短消息进行相应的解码，按照自己定义的协议把不同数据分离出来，分别存储到相应的数据库里，以备监控软件处理。
5 结束语
城市照明智能监控系统是根据一般城市路灯系统线路长、布局分散、管理困难而提出的，目的是利用现代化计算机技术，通讯技术对日益快速发展的城市道路照明路灯实现自动化监控和智能化的科学管理，进一步提高道路照明质量，从而提高服务质量；进一步提高维护、检修效率，从而保证城市整体亮灯率和设备完好率；进一步降低能耗、减轻劳动强度，从而避免无谓的电能和人力物力的浪费。
  因为本系统开发过程中的模块化和复用技术，本系统除了用于城市道路照明监控之外，还可以进行景观照明监控、广告橱窗照明监控、喷泉及灯光监控、水气阀门监控等。