城市路灯智能监控管理系统研究

田希俊

(辽河油田电力集团锦州供电工区，锦州121209)

0 引言

城市路灯照明系统随着社会经济的发展，其功能已经从单纯的照明逐渐转变为美化环境、改善形象、活跃经济。由于路灯数量众多、布置分散、运行管理困难和没有通信功能，其管理和维护相当困难。传统的管理方式是依赖人工巡线检查其工作状态，只能控制开关状态，无法掌握在线路灯的电压、电流等工作状态，造成管理混乱，维护迟缓［1］。社会的发展对路灯的开关灯运行、节约能源、亮灯率和景观照明提出了更高要求，因此必须利用先进技术提出一种合理有效的控制管理方案。

近年来，随着电力线载波通信技术的发展和日渐成熟，将其应用在城市路灯监控管理系统中，不仅能控制城市路灯在不同时段的开关状态，也可以采集路灯的电压、电流信息，检测其短路和断路故障，还能够通过载波信息实时查询解析各路段的线路完整性，保护路灯和电缆被偷盗。

1 系统工作原理

系统的总体设计目标是建立基于地理信息系统、借助无线通信和电力线载波通信技术，研制适合路灯控制的终端控制器，形成集中管理分散控制的管控一体化系统。系统主要功能有：按照日落日出时间曲线自动设定开关灯时间;在中央控制室能实现群组操作、单灯控制;自动巡检各个终端的工作状态;自动记录故障信息并报警［2］。

整个监控管理系统由中央控制室、路段控制器和单灯控制器组成，系统结构如图1所示。中央控制室主要由工控机、自动化监控软件、数传电台及其它外围设备组成，负责对路段控制器和单灯控制器的控制及接收到的数据进行处理，显示系统整体及局部工作情况。路段控制器接受中央控制室的巡检指令，向上汇报本路段各路灯的工作状况，向下传输中央控制室的控制指令，根据不同时段对本段路灯做出不同的控制。

中央控制室通过无线数传电台将控制指令发给路段控制器;路段控制器通过数传电台接收到中央控制室的控制命令进行解码，转换成具体的各个控制动作经过SSC P300电力线载波通信模块发送到电力线上;单灯控制器用SSC P300电力线载波通信模块接收路段控制器的控制命令，通过地址判断是否为对自身的控制指令，如是则按照控制指令动作实现开关灯等操作;若监控中心需要路灯的工作状况信息，则单灯控制器采集自身的电压电流等信息，经过SSC P300电力线载波通信模块返回给路段控制器，路段控制器再经过数传电台将信息上传给中央控制室。在中央控制室内，通过自动化监控软件和电力地图，即可查看任意路灯的工作状况和故障信息，可实现路段或单灯控制;路段控制器中有时钟芯片，根据日出日落曲线即可自行控制本路段的路灯开闭，有效地节省了大量人力物力财力，加强了路灯的管理和维护。

2 系统硬件设计

2.1 中央控制室

中央控制室的主要功能是监控和管理整个路灯系统的运行，并记录其运行状况。中央控制室主要是由主控机1、主控机2、数据服务器、多媒体、打印机和不间断电源等部分组成，如图1中所示。

图1 路灯监控管理系统结构图

中央控制室内采用两台工控机互为备用，实现监控管理系统的控制指令和巡检信息的发送与接收，进行人机对话，打印报表等。数据服务器主要是用来存储主控机的操作信息和处理后的数据信息，为系统管理和生成统计报表提供数据来源。主控机和数据服务器之间通过路由器建立C/S结构，其它经授权的PC机也可通过因特网接入该数据服务器，实现数据共享和跨地域远程监测。

大屏幕多媒体部分用于动态显示整个区域的路灯位置、设备信息及实时工作状态，巡检到故障信息后自动转换到报警窗口，放大故障路灯所在局部地理位置图像并显示故障类型和详细信息，发出声音和灯光报警，提醒工作人员及时处理故障。采用GPS卫星时钟信号为系统提供统一标准时间，定时校准路段控制器内时钟信号，确保整个系统工作可靠。不间断电源为整个中央控制室的供电系统提供后备电源，防止意外断电中断系统正常工作。

2.2 路段控制器和单灯控制器

路段控制器即是系统的上下连接枢纽，又是远程测控单元。一方面路段控制器通过数传电台接收中央控制室的控制指令并下发给各个单灯控制器，另一方面要将各个单灯控制器的工作状态信息上传给中央控制器，起着上传下达的作用;另一方面路段控制器要负责整个路段内所有路灯按照日出日落曲线自行运行，即没有中央控制室集中控制或与中央控制室失去联系后也要能够正常工作。为满足这两大功能，路段控制器的硬件主要有单片机、存储扩展电路、无线通信电路、数据采样及调理电路、人机界面和电力线载波模块，具体结构如图2所示。

图2 路段控制器的硬件结构图

控制核心单片机采用TI公司的MSP430F149，内部包含了看门狗和AD采样，具有能耗低、启动快、抗干扰能力强等优点，输入输出口有中断能力，极大地减少了外围电路，对于降低系统成本和提高可靠性意义重大。人机界面采用大尺寸液晶屏和编码键盘，可供维护人员就地操作。

单灯控制器总体结构与路段控制器基本相同，少了数传电台和人机界面，增加了继电器输出单元用于路灯的打开和关闭。

2.3 SSC P300载波通信模块

Intellon公司的SSC P300是一个高度集成化的电力线收发器和信道接入接口，在低压电力线网络中作为基本通信单元。SSC P300载波通信模块功能框图如图3 所示［3］。

图3 SSC P300载波通信模块功能框图

接收时通信信号首先从信号接收17号引脚进入SSC P300，然后被缓存放大器放大，放大后的信号通过一个A/D转换器转化为数字信号，以便对信号进行数字信号处理。对输入的数字信号处理包括一个配套的滤波相关器以检测"chirp"波形。而载波检测和媒体状态信息，则从DSP电路传输到数据链路(DLL)后的微处理器，以实现将分组解码、协议功能和最终的分组传送给主处理器。

发送时，将发送的分组先从主处理器传输给DSP功能块，DSP可以通过使用一个300点的ROM查询表来产生扩频载波的高状态和低状态。此表可以驱动8位D/A转换器以产生"chirp”的模拟波形。当二态信号被置为高时，此波形经缓存后从脚SO输出。

3 系统软件设计

3.1 中央控制室与路段控制器通信

中央控制室与路段控制器之间采用数传电台无线通信，通信速率1200bps，FSK调制，异频双工模式，星形拓扑1：N结构。中央控制室使用广播指令与点对点指令相结合的方式发送命令，广播方式下路段控制器只接收控制命令并执行，如校准时钟、修改路灯打开关闭时间等操作;点对点方式下路段控制器首先进行地质译码，如是对自己的命令则按命令格式执行［4］。

3.2 路段控制器与单灯控制器通信

路段控制器与单灯控制器之间采用电力线载波通信实现数据交换。路段控制器将控制指令经过SSC P300电力线载波通信模块发送到电力线上，单灯控制器用SSC P300电力线载波通信模块接收路段控制器的控制命令，通过地址判断是否为对自身的控制指令，如是则按照控制指令动作实现开关灯、上传自身工作状态信息等操作。

3.3 路段控制器和单灯控制器软件设计

路段控制器的软件主要有通信程序(包含与中央控制室的通信和与本路段单灯控制器的通信)、人机界面显示程序、数据采集程序等部分。本路段单灯控制器的站点地址都存储在路段控制器的存储器中，当接收到中央控制室的广播命令时，只执行命令不应答;当收到中央控制室对自身的点对点命令时，则必须应答，按照该命令格式执行相应的开关灯、数据采集上传等操作。路段控制器程序流程如图4(a)所示。

单灯控制器的软件主要完成按照路段控制器控制指令打开关闭路灯、电流电压采样等操作，其程序流程如图4(b)所示。

图4 路段控制器和单灯控制器程序流程图

4 结论

本系统将无线通信和电力线载波通信相结合用于城市路灯远程智能监控管理，节省大量繁重的布线工作，避免单纯使用无线通信成本居高不下、故障频发维护困难的缺点，能够对城市路灯系统有效地远程监控管理。如果路段距离超过500米，则通信质量会随距离加大而下降，使用中继器后有效通信距离能扩大到1500米，能够满足绝大部分城市路灯自动化改造的需要。

［1］孙勇，张东来，姚雨迎，等.基于SSC P300的路灯监控系统的设计［J］.电子技术应用，2006，(8)：74-76.

［2］唐桂忠，张广明，赵亚琴，等.城市路灯饰灯远程智能监控系统的设计与实现［J］.测控技术，2004，23(8)：36-38.

［3］李永刚，田远富，羿飒，等.SSC P300芯片在低压电网抄表系统中的应用［J］.电子技术，2001，(5)：43-45.

［4］吴家洲，姚远，杨叔子.基于电力线载波通讯的公共路灯远程监控系统实现的研究［J］.计算机测量与控制，2002，10(1)：39-41.