基于GPRS和PLC的远程路灯监控系统设计

2010-08-14刘萌郑煊

单片机与嵌入式系统应用 2010年3期

刘萌,郑煊

(1.山东教育学院物理科学与技术系,济南250202; 2.山东凯文科技职业学院)

刘萌(硕士研究生),主要从事智能监控和无线通信方面的研究。

1 GPRS技术简介[1]

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53.6 kbps。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[2]。系统的总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

第1层中央控制室是1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,1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]。

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/GPRS10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 CLASS 10、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[4]。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 HT TP、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TT L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。

图2 GPRS模块设计

3.2 电力线载波模块设计[5]

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(ATO)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;

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(ATO)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。

图3 电力线接口框图

图4 电力线接口模块设计

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RX/TX=0(接收模式)时,ST7537输出信号PABC=1和PABC=0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 9.4 μ H,副绕组 140 μ H,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[6]。

GPRS模块发送子程序和接收子程序的流程如图5所示。