基于.NET/GPRS/GIS技术的城市照明监控管理系统设计

王志宇，蹇兴亮

（南京农业大学工学院 江苏省智能化农业装备重点实验室，江苏 南京 210031）

随着城市现代化建设步伐的加快，城市照明和灯饰美化工程越来越受到关注，甚至成为衡量一个城市形象的重要因素。然而目前的城市照明监控管理系统大多自动化控制和智能化管理水平较低，容易受季节、天气和人为因素的影响，出现工作效率低、调整麻烦、能源浪费和反应不及时等现象，降低了系统的实用性、稳定性和安全性[1]。为了满足人们日常生活和经济活动的需求，设计智能化程度高、运行稳定、节能高效、使用和维护方便的城市照明监控管理系统，俨然成为城市现代化的必然要求[2]。

由于近几年科学技术的快速发展，特别是GPRS（通用分组无线服务技术）、GIS（地理信息系统）、自动化控制技术、监控系统组网技术、传感器技术、软件技术和数据库技术的快速发展，为城市照明监控管理系统的研发奠定了理论基础[3]。采用GPRS与Internet相结合的通信方式实现无线传输[4]，采用GIS实现城市照明系统的可视化管理[5]，采用SQL Server数据库实现数据的存储和检索是城市照明监控管理系统的发展趋势[6]。

1 系统总体设计

城市照明监控管理系统是由监控中心、监控终端（RTU）组成的两级分布式计算机控制系统，可对城市照明设备进行集中管理、分散控制。系统设计为最大可以容纳999个监控终端，完全可以满足城市照明的扩展需要。城市照明监控管理系统整体拓扑架构图如图1所示。

图1 城市照明监控管理系统整体拓扑架构图Fig.1 Topology diagram of the urban lighting monitoring and management system

2 监控终端设计

2.1 监控终端硬件结构

监控终端是城市照明监控管理系统监控功能的执行设备，监控终端硬件主要由微处理器及相关外围电路、GPRS DTU（GPRS数据传输单元）两部分组成。监控终端的作用:1）采集监控终端所在控制箱的相关信息（温度、光照强度），以及每个监控终端控制下的8条回路的工作状态信息 （电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、亮灯率等测量参数）；2）将采集到的实时信息通过GPRS网络传送给监控中心，以便监控中心对这些信息进行存储和后续处理；3）监控终端具有本地控制和远程控制两种工作模式，当监控中心或网络通信出现故障时，各监控终端就可以切换为本地控制，保证系统正常运行。监控终端硬件结构图如图2所示。

图2 监控终端硬件结构图Fig.2 Structure diagram of the RTUhardware

其硬件主要包含：NXPLPC2368微处理器，电源模块，备有电源，GPRSDTU通信模块，程序调试接口，键盘，运行状态指示灯，RS232通信接口，RS485通信接口，光照传感器，DS18B20温度传感器，CT09电流互感器，PT01-3电压互感器，HS12864液晶显示屏，NT75继电器等。监控终端硬件实物图如图3所示。

图3 监控终端硬件实物图Fig.3 Physical diagram of the RTU hardware

2.1.1 微处理器

监控终端采用的是NXP LPC2368，一款基于ARM7TDMI-S核的高性能32位RSIC微处理器。处理器带有Thumb指令扩展，片内集成：512KB Flash支持ISP及IAP，58K SRAM；主频高达72 MHz，片内集成：晶振，4 MHz RC晶振，PLL加强型矢量中断控制器，10/100 M以太网带DMA，USB2.0全速设备接口，2路CAN 2.0B接口，通用DMA控制器，4个 UART接口，1个具有全功能 Modem接口，3个 I2C串行接口，3个SPI/SSP串行接口，I2S接口，SD/MMC记忆卡接口，6路10位ADC，1路 10位DAC，4个32位捕获/比较时钟，看门狗时钟，RTC实时时钟带可选后备电池，通用I/O等。

它负责驱动GPRSDTU与Internet的连接；接收并处理监测中心通过GPRSDTU发来的数据包；生成和组装要发送的数据包并传送给GPRSDTU；采集电流、电压、开关状态、有功功率、无功功率、功率因数、温度、光照强度等数据以及对采集到的数据进行处理；控制8路继电器通断等。

2.1.2 GPRSDTU通信模块

GPRS技术是在GSM技术基础上引入了分组交换的传输模式，具有资源利用率高、接入时间短、高速传输、实时在线、覆盖面广、支持TCP／IP协议等优点，所以 GPRS网络比较适合发送频率高和数据量小的实时传输，这刚好符合城市照明监控管理系统的数据传输要求。

监控终端采用的是H7710 GPRSDTU通信模块。GPRS DTU用来实现监控中心与监控终端之间的通信。使用前，预先为GPRSDTU设定监控中心的IP地址、域名、DNS服务器地址和端口号。当监控终端上电后，GPRSDTU先注册到GPRS网络，然后发送建立SOCKET连接的请求包给网络代理服务器，代理服务器把请求包转发到Internet，最终和监控中心建立起TCP/IP链路。监控中心主动维护每个接入的监控终端IP地址和ID号，当监控中心向某个监控终端发出数据请求时，它会根据IP地址和ID号找到相对应的监控终端，并将请求命令发给监控终端，监控终端收到命令后通过GPRS DTU把数据发给网络代理服务器端口，再通过端口映射转发给监控中心，这样就完成了一次应答式的通信过程。

2.2 通信协议

本协议规定了监控中心与监控终端的通信方式。监控终端硬件包含RS485通信接口，需通过GPRSDTU与监控中心建立连接，监控中心通过GPRS无线路由器或ADSL路由器连接Internet网络。GPRSDTU采用透明传输方式，每个监控终端都包含GPRSDTU，因此本协议只针对RS485通信接口。

帧是传送信息的基本单元[7]，帧格式如表1所示。

表1 帧格式Tab.1 Frame format

帧起始符68H：标识一帧信息的开始，其值为68H=01101000B。

地址域A0～A5：地址域由6个字节构成，可以为设备号、线路号、区域号等。当使用的地址码长度不足6字节时，用十六进制AAH补足6字节。低地址位在先，高地址位在后。

控制码C：控制码的格式如表2所示。

数据长度L：L为数据域的字节数。读数据时L≤200，写数据时L≤50，L=0表示无数据域。

数据域DATA：数据域包括数据标识、数据和密码等，其结构随控制码的功能而改变。传输时发送方按字节进行加33H处理，接收方按字节进行减33H处理。

校验码CS：从帧起始符开始到校验码之前的所有各字节的模256的和，即各字节二进制算术和，不计超过256的溢出值。

结束符16H：标识一帧信息的结束，其值为16H=00010110B。

表2 控制码格式Tab.2 Control code format

3 监控中心设计

3.1 监控中心结构

监控中心是进行城市照明系统远程监控管理的核心，在设计中主要考虑两个问题：1）操作简便，界面友好；2）管理和维护方便，扩展性好。监控中心结构图如图4所示。所以，我们选择客户机/服务器模式，以Microsoft.NET Framework 4.0为开发环境，MapInfo为GIS开发平台，MapX5.0和Microsoft Visual Studio 2010为开发工具 ，C#为开发语言，Microsoft SQL Server 2008为数据库管理工具。使用MapInfo软件实现城市地图的绘制，使用MapX5.0控件实现监控终端地理位置的显示。ADO.NET组件将监控终端实际运行的状态信息存储在Microsoft SQL Server 2008数据库中对应的数据表中。根据城市照明和灯饰美化系统的管理需求，监控中心分为系统管理、报警管理、控制管理、GPRS管理、查询管理、时间管理和关于7个功能块，具有遥信、遥测、遥控、遥调、遥视、自动报警、图形显示、数据分析、查询统计和打印等功能。监控中心主界面如图5所示。

图4 监控中心结构Fig.4 Schematic diagram of the monitoring center

3.2 监控中心功能描述

3.2.1 控制功能

监控中心可以根据实际需要发送命令，对所有监控终端或任意选定的监控终端进行遥信、遥测、遥控等操作，如：开关灯设置、开关灯时间设置、远程校时、巡测、选测等。

3.2.2 数据处理及实时显示功能

每个监控终端控制下的8条回路的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等实时数据通过GPRS网络发送回监控中心，监控中心对这些数据进行处理分析后，以直观的直方图、曲线和表格的形式提供给操作人员，以便操作人员更加清晰地了解整个城市照明系统的运行情况，为决策提供准确的依据。

3.2.3 电子地图功能

图5 监控中心主界面Fig.5 Main interface of the monitoring cente

监控中心的电子地图功能把图形管理和数据管理有效的结合起来，利用可视化的界面直观的显示出每个监控终端的详细地理位置和实时工作状态信息，更加便于操作人员对监控终端的管理和维护。

3.2.4 自检、反馈和报警功能

监控终端会时刻执行自检程序，当监控终端发现有白天非法亮灯、晚上非法熄灯，配电箱电路故障，配电箱非法开门，电压、电流越限等故障时，会立即将报警信息通过GPRS网络反馈给监控中心，监控中心收到报警信息后发出声音报警，并注明发生此故障的监控终端名称、故障类型与故障处理状况等信息，同时将详细的报警原因以短信的方式发送给维修人员，以保证维修人员对城市照明系统的及时维护。

3.2.5 统计、查询、报表和打印功能

监控中心将监控终端反馈的实时数据上传至数据库，由数据库来对这些数据进行存储、统计和分类。监控中心可以以日报表、月报表、年报表或根据实际需要来打印任何数据，如系统参数信息、监控终端参数信息、历史数据记录、巡测数据、操作事件记录、值班记录、报警信息、执行预案等。并可进行自动统计，如亮灯率、故障率、日期时间等。

3.2.6 断电保护功能

监控终端具有备用电源，可以保证在交流供电中断的情况下，监控终端仍能正常运行，保障监控终端可以全天候24小时同监控中心的通信。同时监控中心也配备UPS（不间断电源），保证主机能正常工作和与监控终端的通信。

3.2.7 安全保护功能

监控中心的操作人员分为超级管理员、值班管理员、使用者和访问级4个等级，不同的操作等级具有不同的操作权限，这样可以最大限度的避免误操作甚至是破坏性操作，提高系统的安全性。

3.3 监控中心数据库设计

考虑到系统运行的实时性、数据安全性和被存储数据的复杂性，我们选用Microsoft SQL Server 2008作为数据库管理工具，并选用T-SQL作为数据库开发语言。

本系统设计的数据库中包含22个二维表：操作记录列表、操作人员参数、故障记录查询、故障类型列表、回路参数列表、回路查询列表、节假日参数设置、节假日设置、节能参数设置、开关量参数列表、日出日落时间、通信查询列表、系统参数设置、相位查询数据、执行预案、值班记录列表、指令查询列表、终端参数列表、终端查询列表、终端分组参数、终端故障参数设置、终端回路开关灯设置。监控中心通过这些二维表的结构关系，将数据存储到数据库中，确保整个系统正常运行。数据库关系图如图6所示。

图6 数据库关系图Fig.6 Database relationship diagram

4 结 论

该城市照明监控管理系统具有友好人机界面、强大的数据分析和处理能力和完善的数据库管理功能，使城市照明系统形成了一个统一的智能化系统。经现场调试及实际运行验证，整个系统功能丰富、运行可靠、实时性高、管理维护方便，达到了设计要求，并具有很好的推广和应用价值。

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