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城市路灯无线监控系统

一引言

基于无线通信的城市路灯监控管理系统，是通过无线传输和计算机,对离散存在的受控对象实行集中的监测与控制。

在计算机检测管理系统中,街区路灯控制装置即监控终端,与设在路灯管理机构的监控中心,形成两级分布式计算机控制系统，（上位机设在监控中心室,下位机设在各监控终端）监控中心上位机兼做管理计算机和工程师操作站,主要完成遥控、遥测、遥信、故障分析、数据检索、系统维护、电子显示和报表打印等功能。

监控终端下位机为实时在线控制机,不断检测线路状态、参量及查询监控中心的命令,完成路灯开关控制,电流、电压、电能及功率因数的检测,调压降压运行等功能。

监控中心与各监控终端主机之间的通信方式采用通用分组无线业务通信技术GPRS,监控终端主机与各监控终端从机之间采用电力线载波通信技术实现数据交换

路灯照明是城市基础设施的组成部分，在城市的交通安全、社会治安、人民生活和市容风貌中居于举足轻重的地位，发挥着不可替代的作用，而且标志着城市实力和成熟的程度。

在沿海某些开放城市，大批路灯在安装后迫于财政紧张的压力，支付不起沉重的照明电费开支，又不得不关掉近一半的灯，结果近年新装的部分路灯形同摆设,造成变相浪费。

这些都是传统城市路灯建设存在的现象，其产生的原因主要有两方面：

（1）控制方法原始：

现行的控制方法以分散时控为主，在现场的控制箱内安装时控开关来控制路灯的开关。

这种方法既不能及时调整开/关灯的时间，也无法及时反映照明设施的运行情况。

（2）应急处理乏力：

当遇到暴雨、暴雪等极端天气情况时，只能临时派出大量的人员到现场手动操作照明控制箱，因此无法满足对突发情况的应急的要求。

相比传统城市路灯，现代城市路灯无线监控管理系统是现代计算机技术运用于城市市政建设中有效且必然的产物，实现了城市路灯系统的计算机集中控制、监测与管理。

操作人员只需通过计算机即可了解整个系统路灯的工作状态，并可通过计算机人工或自动控制所有路灯的开关，即便是在全无人过问的情况下，系统也将严谨有序地工作。

在各种管理自动化的大潮下，加上我国各个城市的大规模城建，路灯监控系统必然有着广阔的市场空间。

城市路灯无线监控管理系统，是现代计算机集控技术和无线传输技术发展的必然结果，是城市路灯管理系统发展的必然方向。

该系统涉及计算机技术、通信技术、自动控制技术等多个领域的最新科研与技术研究成果，是城市现代化程度的重要标志。

它的采用和推广，不仅能提高路灯管理水平和服务质量，而且在节约能源、保护环境、保证社会安全等方面也将产生巨大的经济效益和社会效益。

现代先进的路灯控制系统引入计算机和通信技术，实现远程控制和实时监控，在路灯监控中心就能对各条线路路灯的状况进行查看，当路灯发生故障时，系统会报警，并以醒目的形式反映给值班人员，从而做出处理。

目前的路灯监控网络，主要是使用无线数据电台进行通讯，存在通讯速率低、覆盖面积小、维护极其不方便的缺点。

采用GPRS技术后这些问题都可以得到解决。

城市路灯无线监控管理系统由一个监控中心、若干个监控终端主机、若干个监控终端从机以及通信设备等组成。

监控中心是整个路灯监控系统的操作、维护、处理、统计、分析和监管的中心，肩负着与其它管理网络的互联任务。

监控终端负责路灯的供电和控制。

监控中心与监控终端的通信方式采用GPRS公共通信网络，完成遥测、遥信和遥控。

发生报警时通过短信传呼值班人员及时处理故障。

而在各监控终端，每一个数据采集器和监控终端主机（一个变压器内）的标准串口上都会配置一部GPRS终端，用于和中心进行数据交换。

监控终端主机与监控终端从机（一个路段控制箱内）之间用电力线连接，采用电力线载波通信技术实现数据交换。

2.系统构成

监控终端主要设备：

监控终端由监控终端主机、监控终端从机构成的局域网控制点、GPRS模块、电力线载波模块、数据采集器、不间断电源及太阳能充电设备、三相交流电压变送器、三相交流电流变送器、脉冲电度表、变压器温湿度传感器、环境温湿度传感器、水浸传感器、门开传感器、烟雾探测器、路灯控制器等，设备主要组成如图1所示。

通过这些设备，控制路灯各种方式的开关，并把现场各设备的运行状态及参数反馈到监控中心，并接收监控中心的实时监控。

图1LED路灯远程无线控制系统组成

监控终端主要检测电流、电压、功率、功率因数、用电量、接触器状态等数据。

数据采集分为模拟量采集、数字量采集、开关量采集，根据采集的数据和系统设置可以判断出路灯的运行状况和故障情况。

监控终端能通过无线数据通信网，定时或随机向控制中心返回电压、电流、用电量等路灯运行状况数据，另外每个监控终端都可以作为通信中继站，以接力方式将较远或处于高楼楼群通信可能不畅的监控终端数据传送到主站，从而实现了不架设专门的通信中继站也能保证通信的畅通无阻。

GPRS无线路灯控制系统由控制中心系统软件、硬件运行环境和现场灯光控制终端几大部分组成。

控制中心系统软件包括：

监控系统、设备管理系统、通信转发服务和管理数据库。

硬件运行环境包括：

互联网接入设备、系统服务器、管理计算机终端、大屏幕系统和打印输出设备。

现场灯光控制终端包括：

灯光控制器、控制显示器和无线数据传输单元。

如图2所示，现代城市路灯远程无线控制系统能够实现灵活控制，在任何可以上网的地方，只要有浏览器便可以对路灯进行监控。

或者，在PC上运行的专用管理软件通过Internet广域网或局域网完成对路灯的管理。

既能对LED灯具实现远程开、关和调光控制，又能远程采集各种灯具工作时的电量、温度等数据，维持灯具的正常运行，在减少人工维护成本的同时，极大地方便了灯具的管理。

无须布线，节省成本和避免线路故障。

图2现代城市路灯远程无线控制系统网络拓扑图

3.系统功能介绍

（1）系统主要功能—遥控、遥测、遥信

采用时控法控制方式进行照明控制，实现预约控制和分时控制。

开关灯可以自动和手动遥控，实现实时控制和点对点控制；可远程设置开/关灯时间表，对控制器内实时时钟进行准确校时。

按路段对设备进行分组，从而实现分组控制。

自动巡测、手动巡测和选测（三相电压、12路电流、有功功率、无功功率、功率因数及各种数字状态量等数据量的采集）。

多种报警处理。

报警内容包括：

白天亮灯、晚上熄灯，远程控制器过热，电压、电流越限和供电线路停电等故障。

远程查询打印功能。

根据年、月、日统计数据进行查询，显示的数据均可打印

（2）系统特点

现代城市路灯无线控制网络基于现代电子技术和物联网技术的发展，已经取代传统的分散式手动控制，实现了GPRS无线网关、LCD液晶显示和键盘、Zigbee通信控制以及远程在线升级等功能。

其主要特点如下：

系统容量大：

GPRS无线路灯控制系统通过GPRS无线网络进行数据通信，采用TCP网络传输协议，可监控设备的数量不受限制，可以多达数千个；

通信实时、高效：

无论控制设备的距离远近，控制命令或设备报警信息都能在数秒内完成传输，即使设备当前不在线，用户的控制命令都能准确送达，无需重复发送控制命令；

控制面积大：

路灯控制设备在辖区范围内，只要有无线GPRS网络覆盖的地方都可以控制，不受距离和位置的限制。

机构模块化：

系统采用了模块化技术架构，具有良好的持续升级和功能扩展能力。

可以随着将来技术的发展和用户功能需求的变化而不断升级。

信息管理开放：

系统采用C/S和B/S相结合的设计体系，实现信息系统共享，提高了用户对系统信息管理的效率。

（2）路灯远程控制箱功能

现代城市路灯系统通过远程无线通信远程控制各个城市路灯局域网的支路开关，除了检查各个路灯的运行状态外，控制低压继电器和高压继电器实现对高压电压总开关的控制，实现城市路灯安装远程控制通断，如图所示。

远程控制所具有的功能特点如下：

遥测：

三相电压检测、12路电流检测、有功功率和功率因数检测、2路

变送器接口（可接测光照、温度等）

遥控：

4路继电器输出，触点为交流220V12A，每路各有一组常开和常

闭触点，支持本地控制、测试和全部参数显示。

遥信：

8路隔离开关量/脉冲量输入，其中六路可接交流接触器辅助节

点，另外两路分别接电表脉冲输出和门开报警开关。

通讯：

2路隔离232或485接口，遵循MODBUS工业标准协议。

具有远程抄表接口。

具有远程自动调压接口。

内置GPRSDTU无线数传设备。

非法打开箱门报警。

路灯监控软件是基于Windows环境下的，并且兼容Windows9X、WINXP、Windows2000，由于Windows是多任务事件驱动的窗口操作系统，用鼠标操作，界面美观友好，所以对操作人员来说操作更简单直观，软件提供的信息量更大。

多媒体技术的应用使数据显示、报警、查询更形象、具体。

路灯监控软件的功能：

一是遥控功能。

路灯监控软件的控制功能主要是通过发送开关灯时间来实现的，中控室计算机可以根据当日的日照度发出开关灯时间到节点，路灯监控软件发出开关灯时间使街道正常亮灯。

另一个遥控功能是，中控室可以随时控制任意节点的任一接触器的吸合和断开，便于维修人员的检修。

图3城市路灯监控网络的现场连接示意图

（3）路灯远程监控系统软件平台

远程控制软件，主要用于pc管理和服务，远控软件是一种在网络上由一台电脑（主控端/客户端）远程控制另一台电脑（被控端Host/服务器端）的应用软件。

程序一般分为控制端和被控端，办公版是控制端和被控端用同样的程序，可以相互控制。

使用时客户端程序向被控端电脑中的服务器端程序发出信号，建立一个特殊的远程服务，然后通过这个远程服务，使用各种远程控制功能发送远程控制命令，控制被控端电脑中的各种应用程序运行，具有强大的内网穿透功能。

城市路灯远程监控系统软件平台，基于现代互联网技术发展而来的远程监控服务系统，如图所示。

其所具有的功能特点如下：

远程维护：

计算机系统技术服务工程师或管理人员通过远程控制软件旗舰版对目标维护计算机或所需维护管理的网络系统，进行配置、安装、维护、监控与管理，解决以往服务工程师必须亲临现场才能解决的问题。

大大降低了计算机应用系统的维护成本，最大限度减少用户损失，实现高效率、低成本。

远程协助：

任何人都可以利用一技之长通过远程控制软件办公版为远端电脑前的用户解决问题。

如安装和配置软件、绘画、填写表单等协助用户解决问题。

远程指挥：

利用软件的视频交互功能，在部队远程指挥系统中实现多个指挥中心在同一大屏幕上同时投影，各指挥中心之间可互相看到对方的实时视频。

图4城市路灯监控网络的现场连接示意图

通过安装在PC上的专用软件完成路灯的远程管理。

在一台高性能PC上运行管理软件，该软件负责通过GPRS广域网与路灯控制器进行通讯，那用户在全球任何可以上网的地方通过IE浏览器完成对路灯的远程管理。

如图所示，通过互联网平台，可以更及时高效的监控各个路灯站点，最大化的整合与优化资源。

图5基于互联网平台的软件系统架构

通过开发上位机监控软件，便于人机交互，大大提高了工作效率。

并且，改软件可通过网络下载，安装并运行。

可及时高效的应对各种突发时间，上位机管理人机交互界面如图所示。

图6管理软件管理界面模拟图

（3）城市大功率路灯分立模板内部控制器

现代城市路灯分立模块内部控制器示意图如图7所示。

电源供电部分是有后备电源供电和太阳能电池供电，ZY4805-3W为宽压输入隔离稳压单输出，为嵌入式模块ZICM2401供电，该模块具有有检测电流状态的功能、无线通信的功能和控制LED矩阵通道的功能。

图7现代城市路灯分立模块内部控制器示意图

城市路灯分立式控制器都是基于嵌入式开发，具有简洁、高效、可靠性高等优点。

基于现代城市路灯无线监控系统平台编写嵌入式系统协议C程序，具有可移植性强、便于开发和可在线升级等特点。

图8城市路灯分立式控制器嵌入式系统协议简图

如图8所示，现代城市路灯控制器具有嵌入式系统开发，可提供整个硬件平台；用户只需专注于应用程序开发，并且只需读懂C语言就可以完成产品开发。

路灯控制器将网状网流量通过安全的无线蜂窝或者以太网连接到局域网/广域网上集中管理的交换机上。

做到这一点,连接在网状网上所有设备能可以实现远程监控和管理，从而减少甚至完全避免到每个设备近旁去收集数据和检查设备。

网关集成了ZigBee、无线蜂窝（2.5G或2G）和大容量本地存储功能。

支持多种物理接口，包括以太网、串口、CAN-bus和USB等。

另外，提供给用户一个功能强大的开发软件来开发运行在网关上的定制应用。

（4）城市路灯无线监控的数据采集抗干扰算法研究

窄带干扰抑制一直是电力设备在线监测中的一项重要课题，已有许多用于抑制窄带干扰的数字信号处理方法。

本文在研究快速傅里叶变换（FFT）频域阈值法的基础上，提出了一种改进算法，即利用多项式拟合的方法，在原有阈值法置零区域的两侧进行周边频带处理，使算法能够适应更宽频带内的窄带干扰。

仿真计算和实测数据处理结果表明该算法有较好的干扰抑制效果。

FFT频域阈值法的原理是先对原始信号作FFT处理，适当预设滤波阈值，将超过该阈值的频带设定为干扰，并将其幅值置为零，再利用傅氏反变换（IFT）重构信号。

实际应用时对数据的分段要兼顾到频域上的分辨率和硬件可实现的计算能力；此外为抑制矩形窗带来的旁瓣效应，数据分段时需引入适当的窗函数（如Hamming窗）及在IFT后进行反窗变换处理。

FFI频域阈值法虽简洁有效，但它过分依赖阂值的选取，处理频带也仅限于置零区域；FFT频域分析法虽合理地提出了利用频谱极值点的周边信息来加宽处理频带，但它在一定程度上取决于人为经验和参数计算。

本文借鉴了这两种方法的优点，即保留阈值处理，而引入简明的周边频带优化拟合处理环节，具体算法流程框图。

图9FT频域算法流程框图

数据采集抗干扰算法计算步骤如下：

对原始信号进行FFT处理得到频域波形，有以下几点需要说明：

样频率为

，时，待处理数据可由窗函数分成若干小段，每段长为k，FFT处理后，频域的分辨率为

，则有

（1）

由式可见，

越大，

越小，即处理后信号在频域上的分辨率越高；但在FFT运算中一段数据的复数乘法次数为

，因此实际运用中也应考虑硬件相关存储器的大小、计算能力和速度等因素。

目前计算机的内外存容量和计算速度大为提高，因此本文算法直接对全部数据进行了FFT运算，未加以分段。

原始信号x（n）为实数列，经离散傅氏变换（DFT）后得到的频域序列为

（2）

式中

为频域序列

的复数共轭；N为数据长度。

由式可见，实部分量偶对称，虚部分量奇对称。

因此本文中所有实、虚部波形图的横坐标均只给出了前N／2点的频谱。

如对单一频率正弦信号作FFT处理后，其实、虚部分量波形有如下特征：

前半周期内实、虚部分量都是先正后负的跳变脉冲：

实、虚部分量的尖峰跳跃点都对应于信号幅频特性幅值的最大值点等。

则经过调制的窄带干扰也具有类似的特征。

阈值法置零

由于在实际运用中，阈值是确定频域上待处理频段的较为简洁的方法。

本文保留了阈值。

阈值如果不是过小（一般可将阅值法置零的频域宽度限制到4kHz以下），相对于目前数量级大于MHz的采样频率而言，由局部置零带来的振荡很小，可以忽略。

周边频带优化处理

FFT频域阈值法对阈值选取敏感的原因是：

仅对阈值法置零的区域进行频域处理，易导致处理不净；而过分减小阈值（即加大置零频带）又易损失信号的信息，造成信号的畸变。

为克服这一矛盾，本文借鉴了FFT频域分析法的原理并加以改进，应用阈值置零区域的周边信息适当加宽处理频带。

依照试验效果选取频域法置零区两侧各约6kHz的频带作为处理频带。

采用IFT重构时域波形

实际运用中如已对原数据进行了加窗分段处理，则还需进行分段信号的反窗变换及合成等。