基于GPRS和PLC的远程路灯监控系统设计策略
基于gprs和plc的远程路灯监控系统设计策略
1 gprs技术简介
gprs(general packet radio service，通用分组无线业务)是一种基于第二代移动通信系统gsm的无线分组交换技术，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。gprs的传输速率最高可达171．2 kbps，实际应用中的平均速率也高达53．6kbps。gprs为移动用户和数据网络之间提供连接，为移动用户提供高速无线接口和x．25服务。gprs采用数据分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以有多个用户共享，因而资源被有效利用。用户永远在线，按流量计费，降低了服务成本。
利用gprs进行数据传输具有如下的优点：
①接入范围广。gprs是在现有的gsm网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以方便、快速、低成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部署。
②传输速率高。理论值最高可达171．2 kbps，是当前gsm网络中电路数据交换业务速度的十几倍。下一代gprs业务的速度甚至可以达到384 kbps，完全可以满足用户应用需求。
③登陆快捷。gprs接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为2 s。
④永远在线，提供实时在线功能。“实时在线”或“永远在线”即用户随时与网络保持联系。即使没有数据传送，终端也一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、快速。
⑤按流量计费。用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，按照用户接收和发送数据包的数量计费。没有数据流量时，用户即使挂在网上也不收费。
⑥切换自如。用户在进行数据传送时，不影响语音信号接收。数据业务和语音业务的切换有自动和手动2种方式，具体形式依据不同终端而定。
2 系统总体结构
按照路灯远程测控系统的设计要求和要实现的功能，将系统大体分为中央控制室、集中控制器和路灯控制器3层网络结构。系统的总体结构如图1所示。
第1层中央控制室是l台pc服务器，负责整个城市路灯的监控；第2层集中控制器负责一条街上全部路灯的控制；第3层路灯控制器负责同一灯杆上的所有灯具。其中，l层与2层之间使用了gprs无线通信网，这两层之间距离远，虽然通信成本较高但通信成员少。2层与3层应用了窄带电力线载波通信技术，利用现有的电力线传输信号，不用另外铺设线缆，几乎没有运行成本，特别适合通信对象多的情况。
另外，本设计还具有电量计量等功能，由电压互感器和电流互感器对各路段路灯的电力参数进行实时采集，将采集到的数据进行分析和存储，或者通过监控中心的巡检把现场各路段工作参数(包括电压电流开关量等)传回监控中心。监测终端能自动检测到跳闸、断路、电压异常、供电故障、开关灯控制异常等突发事件，并及时将告警数据上传监控中心，以供监控中心值班人员及时了解情况做出处理。gprs通信网络是监控中心与无线数据采集监测终端的数据传输通道，选用固定ip地址方式通过gprs网络将所采集到的工作参数主动、及时地上传到监控中心。
3 系统硬件设计
3．1 gprs发送模块电路设计
gprs模块主要实现无线上网的功能。市场上有一些成熟的产品，譬如说sony／eircsson公司的m47c、simens公司的mc35等。这里选用cello公司的cms91，它是一种双频段gsm／gprslo级模块，主要优点有低功耗、接口简单、at指令功能完善、可支持gprs class10、开发多媒体应用、价格较低等。同时，它也提供sms(短消息服务)和语音功能。gprs模块提供rs232接口，可以通过它来完成对模块的控制，譬如拨号和切换模式等。一旦通过模块连接上internet，采集到的数据就可以用tcp／ip传输方式发送到任意一台具有公网ip地址的主机上去，从而实现采集数据的无线传输。图2给出了由cms91构成的gprs发送模块的电路原理图。
在该设计中，cms91模块相当于1个无线调制解调器用户的应用系统，需要通过ppp(lcp／pap／ipcp)先和运营商的internet接入服务器连接，然后才能应用tcp／ip／udp或者更高一层的应用层程序(如http、ftp等)进行通信。该模块已经集成了1个天线接收机模块，实际使用时需接入sim卡插座。gprs终端是通过rs232接口与设备进行通信的，利用电平转换芯片max232实现了微处理器的ttl电平与rs232电平的转换。max232能满足tia／eia-232-f和1tu v．28标准的要求，其工作电源电压为3～5．5 v，有1个驱动器和1个接收器，数据速率最高可达250 kbps，该芯片具有静电保护功能和自动掉线的特点。
3．2 电力线载波模块设计
电力线接口模块由线驱动器和线接口组成，它的主要功能是：
①发送模式中，用于将st7537送来的传送信号(at0)放大和滤波；
②接收模式中，从电力线给st7537的接收口提供接收信号；
③有抵制尖峰脉冲和过载的保护电路。
电力线接口模块的框图如图3所示。线驱动器起放大st7537的输出信号(at0)的作用。为了使线驱动器适用于电力线，使用了线接口。在线接口中使用了变压器，其功能为：
◆把其他电路与电力线隔离开；
◆把传输信号送到电力线上去；
◆从电力线中提取出接收信号；
◆滤除传输信号中的谐波。
电力线接口模块的电路原理图如图4所示。
复合晶体管q1、q2、q3、q4组成推挽式放大器。电阻r1、r2可使放大器获得最佳性能。当(接收模式)时，st7537输出信号pabc=1和使双极型晶体管q1和q5截止，切断了功率放大器的电源，功放不工作。
变压器由1个主绕组和2个副绕组组成。绕组比例为4：1：1，其参数为：主绕组9．4μh，副绕组140μh，c1=2．2 nf。为了防止非线性畸变，c2的线性必须非常好，c3滤除从电力线过来的50／60 hz的信号，并有短路保护功能。当相位不知时，使用附加电容c4加到c3上去，组成放电回路，避免发生触电危险。
为了避免尖峰信号对电路的破坏，采用1个双向稳压管。当电压值大于或等于稳压管电压时，稳压管就会短接到地，保护接口电路地器件不会被烧坏。
另外，该系统采用了dallas半导体公司的ds1302涓流充电时钟芯片。该芯片是可编程i2c串行接口时钟芯片，还提供31字节的非易失sram用于数据存储。优点是电路结构简单，可以通过单片机的任意i／o口作为scl和sda信号线，编程简单，成本较低。
4 系统软件设计
系统主要采用无线modem cms91来进行历史数据、实时数据以及报告信息的远程传输。通过单片机at指令对cms91进行上网前的设置和数据的传输。当收到cms91的正确反馈回答后，1条物理信道就在cms91和gprs网络之间建立起来。单片机通过向modem发送不同的at命令来控制其工作。
cms91加电后，应用程序需通过p0口操作cms91的on／off控制位，cms91正式启动的过程大约3～5 s，若cms91接有有效的sim卡，cms91将附着在gprs网络。对cms91的串口读写操作仍然由中断服务程序来实现，复位上电后，程序先进行工作频率等参数的设置，然后进行拨号和ppp协商。ppp协商成功后，将得到系统本地ip，一旦获得自己的ip，系统实际上就已经连入internet，但要和连入internet的另一ip终端通信，就还需要与另一ip终端进行端对端的tcp连接。在tcp连接成功后，整个程序将保持这个连接状态。进入tcp连接状态后，可能会收到tcp连接的另一ip终端发来的数据，在层层解包处理之后，便可以得到tcp层之上的种种应用层数据。如果要向对方发送数据，则要先进行中断请求发送，在等到tcp连接建立之后方可发送。这部分tcp／ip协议的处理由cms91内嵌的单片机来完成。
gprs模块发送子程序和接收子程序的流程如图5所示。
5 结论
本文设计的基于gprs和plc的远程路灯监控系统，相对于以往的时钟以及光电控制路灯，能够对路灯线路进行有效的监控，实现遥控、遥测和遥信功能，而且运行稳定、可靠。该设计采用gprs和plc进行通信，无需重新铺设线缆和构建新的通信网络，运行成本很低，具有很好的应用和推广价值。
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