电气1061邓成公共照明的远程监控1.docx

电气1061邓成公共照明的远程监控1.docx

《电气1061邓成公共照明的远程监控1.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气1061邓成公共照明的远程监控1.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电气1061邓成公共照明的远程监控1

毕业设计（论文）报告

题目名称：

公共照明的远程监控

学生姓名：

邓成学号：

1004043640

二级学院（系）/专业：

能源与电气工程学院/电气自动化

班级：

电气1061

指导教师：

严明良

2013年5月5日

目录

摘要4

第一章概述6

1．1课题产生的背景和研究意义6

1．2国内外公共照明监控系统的现状和发展6

第二章公共照明远程监控设备的总体设计方案7

2．1公共照明远程监控系统总体设计方案7

2．1．1系统设计所遵循的原则7

2．1．2系统的功能设计需求7

2．1．3系统的总体设计方案8

2．2现有通讯方式的比较和选择9

第三章公共照明远程监控设备的硬件设计10

3．1设备硬件总体构成10

3．2微处理器的选择10

3．3电源模块的设计11

3．3．112V电源11

3．3．25V及3V电源12

3．4外围测控模块的设计13

3．4．1人机接口模块13

3．4．2开关量采集及控制模块14

3．4．3时钟模块15

3．4．4温度采集模块16

3．5GPRS通讯模块16

3．5．1SIM300模块简介16

3．5．2通讯模块硬件设计17

第四章公共照明远程监控设备的软件设计17

4.1MSP430的c语言开发调试环境17

4．2监控设备的总体软件设计方案18

4．3初始化模块中完成的工作19

4．4人机接口模块程序设计20

4．5开关量控制及采集模块程序设计20

4．6电参量采集模块程序设计20

4．6．1有功功率和无功功率的计算21

4．6．2电压有效值的计算21

4．6．3电流有效值的计算21

4．7时钟模块程序设计21

4．8温度采集模块程序设计22

4．9电力抄表功能程序设计24

4．10电缆防盗功能程序设计25

4．11GPRS通讯程序设计25

4．11．1SIM300的AT命令解析25

4．11．2GPRS通讯功能的实现25

4．11．3GPRS通讯程序的设计26

4．12软件抗干扰措施28

第五章公共照明远程监控设备的实现28

结束语30

参考文献31

致谢32

摘要

我国传统的公共环境照明的控制、管理和维护手段存在效率低下、成本高昂，并且无法进行实时监控等问题，早已不能跟上现代化城市的发展速度。

随着当今经济建设的发展，城市化进程的加速和交通运输事业的高速发展，城市和城市公共环境照明得到了长足进步。

针对城市和城市道路照明发展中的能源需求和消耗不断加大，以及光污染等问题，建设部会同国家发改委、科技部等部门大力推进绿色照明工程，国家确定了在“十二五”期间国内生产总值能源消耗继续降低20%的目标，强调落实节约资源和保护环境的要求，建设低投入、高产出、低能耗、少排放、能循环、可持续的国民经济体系和资源节约型、环境友好型社会，并把推广高效节能绿色照明系统等列为十大节能重点工程之一。

照明的质量和水平已成为衡量社会现代化和人类社会进步可持续发展的重要标志。

采用先进的公共照明远程监控系统，具有高程度的自动化、可靠的设备运行、高效的节能和便利的维护工作等特点，成为各市政府极为关心的市政形象工程。

此篇论文结合比较分析目前公共照明监控设备功能的基础上，深度研究公共照明远程监控系统的工作原理、实现的功能及特点后，结合当今社会对公共照明控制管理的要求，针对其中的传统通讯方式存在的漏洞和不足，借助自动化控制技术、数据采集系统和当今先进的远程无线通讯技术，即分组交换通信技术（以下简称GPRS）设计了一套公共照明远程监控系统。

本文第一章首先简要概述了本课题的背景和研究意义、国内外发达国家与发展中国家的公共照明监控系统的现状；第二章再分析各种远程通讯方式的优点及缺点，结合公共照明远程监控系统应具有的设计原则和功能，确定监控设备的总体架构和设计方案；第三章主要详细地阐述公共照明远程监控设备的硬件设计：

第四章分析了公共照明远程监控设备软件的整体架构及具体实现方法；第五章介绍所设计的公共照明远程监控设备的实现；最后对本论文进行全面的总结。

关键词：

远程监控；GPRS；远程抄表；MSP430；电缆防盗；

ABSTRACT

Thecontrollingmethodfortraditionalpubliclightsystemcan’tsatisfytheneedsofmoderncity,forthequestionsexitinginitsuchaslowefficiency,highcost,unabletomonitor.Alongwithsocialandtechnicalunceasingdevelopment,thecharactersofadvancedpubliclightremotemeasuringandcontrollingsystemareautomatic,reliable,savingandconvenient,thepubliclightremotecomputersupervisorysystemhasalreadybecomemunicipaladministrationvividprojectwhichvariousmunicipalgovernmentscareforextremely.Inthispaper,withintheanalysisofextantpubliclightsupervisorysystem’sfunctionandthesocietyrequesttothepubliclightcontrolmanagement,studingtheworkingpriciples,functionsandcharactersofthepubliclightremotemeasuringandcontrollingsystem,weunifywiththeaidoftheautomationcontrolanddataacquisitionsystemandtheadvancedcommunicationtechnology----GPRSwirelesscommunication.Alsoanewpubliclightremotemeasuringandcontrollingdeviceisdesigned,whichthereal-timecomputermeasuringandcontrollingoftheurbanpubliclightisrealized.

Thefirstchapterhasfirstsummarizedbrieflythesystemprojectbackground,thesituationanddevelopmentofdomesticandforeignstreetlightssupervisorysystemandmymainwork.Thesecondchapteranalysetheadvantadgesanddisadvantadgesofdifferentremotecommunicationmethod,combinedwithpubliclightremotemeasuringandcontrollingsystemfunctionsandpricinples,determinethegeneraldesignscheme.Thethirdchapterdescribesthehardwaredesignofpubliclightremotemeasuringandcontrollingdeviceindetail.Theforthchapteranalyzetheentirelystructureandtheimplementmethodofpubliclightremotemeasuringandcontrollingdevice.Thefifthchapterintroducestherealizationofpubliclightremotemeasuringandcontrollingdevice.Atlast,wesummarizethearticle.

Keywords:

RemoteMeasuringandControlling;RemoteMeterReading;MSP430;GPRS;CableAnti-Burglary;

第一章概述

1．1课题产生的背景和研究意义

一座城市的公共环境照明必然关系到市民的切身利益，同时也直接反映了这座城市的建设水平、市容风貌和人文气息，其控制和管理水平更显示出城市的现代化程度。

客观地评价，我国目前的公共照明设施监控系统总体来说技术还是相对落后的，大多数地区还在使用传统的控制方式。

所谓传统的控制方式只要可分为三大种：

人工控制方式、时控方式和光控方式。

人工控制方式是指根据制定好的开关灯时间表，由值班人员手动进行开、关灯操作。

时控方式是指以时间为唯一的开、关灯依据，不管在任何季节气象条件下，均只能在规定的统一时刻开、关灯，随着季节的变化，就需要人工干预来调整开关时问。

光控方式是指按光照度的差异来控制开、关灯的，但在光线强度不足的白天或有强光照射的夜晚，均可能会发生误动作。

因此，传统的公共照明控制方式由于没有远程数据采集和传输的功能，无法实现集中监控，所以运行、操作结果不能集中监视、记录与统计，达不到高水平的量化管理要求。

在传统的控制方式中，设备动作是否正确、工作是否正常等都无法及时了解，唯有靠大量的工作人员进行巡视和市民主动报修等手段来了解。

本论文采用无线监控系统以后，传统的照明系统的运行情况将得到根本性的改善。

通过监控中心的实时监控，便可实时巡检各站点的工作情况，包括当前工作的电压、电流以及电能值和开关灯状态等。

当任何一个站点突然出现故障的时候，信息都能够很快反馈到监控中心进行报警，从而使得故障能够在最短时间内得到处理，保证照明设施处于良性状态。

该远程监控系统不仅大大减小管理人员的劳动强度，降低物资消耗，延长灯具的使用寿命，更能从质上减少电能的消耗，具有非常高的经济价值。

同时应用该系统可以极大地提高城市监控自动化水平，有效提高亮灯率，有助于提高城市形象，便利人民生活，减少交通事故发生率，扼制夜间违法作案，响应祖国“十二五”的号召，其社会效益非同一般。

1．2国内外公共照明监控系统的现状和发展

公共照明远程监控系统是一款典型的分布式监督控制和数据采集系统，是集计算机技术、现代通信技术和自动控制技术于一体的高科技系统。

计算机已发展成了人们工作生活中必不可少的部分，同样利用计算机借助一定的通信通道，即可对全市路灯、景观灯等公共照明的箱式变电站、变电柜、控制柜等从站测控系统，实现集中监测和控制。

在国外众多发达国家，已经普遍利用计算机作为核心，制作一系列自动化程序控制道路照明。

而我国的公共监控系统的发展还处于发展阶段，多数城市公共照明设施的开、关控制基本都是由每台变压器（配电箱）分散控制，因此统一性差、故障率高。

由于没有远程数据采集和通讯功能，无法实现集中监控，所以运行、操作结果不能集中监测、记录和统计。

只能靠白天巡线、夜间巡灯的落后方法来获得，这种落后的做法不仅耗费大量的人力和物力，而且实时性十分差，处理故障的效率也非常低，很难满足现在高亮灯率的要求。

所以采用先进的技术来提高公共照明自动化控制与管理水平，城市公共照明系统的建设刻不容缓。

第二章公共照明远程监控设备的总体设计方案

2．1公共照明远程监控系统总体设计方案

2．1．1系统设计所遵循的原则

（1）实时性要求

（2）可靠性要求（3）操作和维护要求（4）经济性要求

2．1．2系统的功能设计需求

在监控中心能实现对各个分控点监控设备进行遥控、遥测和遥信功能，实时监控各个监控设备的状态与运行参数，接收故障报警等信息，并通过监控设备下达测控命令具体内容如下：

（1）遥控

a）监控中心根据开关灯时间曲线或程序员设定完整的开关灯时间，自动发出群控开关命令；

b）操作员在监控中心发出的开关灯操作命令，实现群控开、关灯操作，部分群控开、关灯操作；

c）各监控设备根据预先设定好的时间程序独立进行定时开、关灯操作；

d）接收监控中心向各设备下发时钟校准命令，各设备按校正更新后的时间进行自动开关灯操作；

e）在现场工作人员可通过人机操作界面手动对设备的详细参数进行设置。

（2）遥测

a）各配电控制柜进线电压；

b）各回路三相电流；

c）电能计量：

d）现场设备环境温度；

e）每路灯具的开关状态；

f）电力载波通信设备运行状况；

g）现场电缆运行状况。

（3）遥信

由各个设备单独向监控中心上报工作状态和故障信息，遇故障时可主动报警。

a）停电报警信息；

b）接触器故障报警信息；

c）错误亮灯报警信息；

d）电流、电压超上、下限报警信息；

e）环境温度及变压器温度报警信息；

f）电缆被盗报警信息。

此外，监控系统终端还应当具备现场手动设定功能。

通过键盘、液晶显示器输入输出设备，便于以后现场的安装、调试、维护与维修，并可控制该点的全夜灯、半夜灯和景观灯等，其显示的内容大体如下：

（1）时间（年--月--日--时--分--秒）；

（2）开、关灯的最后时限；

（3）采集的交流电流和电压值；

（4）输入的开关量状态；

（5）输出的开关量状态；

（6）可通过在线编程修改设置工作参数。

2．1．3系统的总体设计方案

一座城市的公共照明远程监控系统毫无疑问是一个典型的分散式测控、集中式管理的先进系统，可对这座城市内的所有公共照明设施进行监视、控制和管理。

城市公共照明远程监控系统主要有四个组成部分：

一、控制城市公共照明设施的监控设备；

二、电缆防盗的的电缆智能防盗系统；

三、远程无线通信处理任务的GPRS接口模块；

四、监控中心实现对整个城市公共照明网的远程监控、管理等功能。

系统整体设计架构如图2-1所示：

图2-1系统整体设计架构图

2．2现有通讯方式的比较和选择

我国的路灯监控系统还处于初级发展阶段．大多数城市路灯与景观灯的开、关灯控制均由每台变压器（配电箱）分散控制，故障率高、统一性差。

由于没有远程数据采集和通讯功能，无法实现集中监控，所以运行、操作结果不能集中监测、记录和统计。

智能化高效节能城市公共照明是智能、安全、绿色的公共照明，它是指通过科学的照明设计，使用效率高、寿命长、安全和性能稳定的道路照明电器产品作为光源和附属器件，利用计算机、无线通讯数据传输、扩频电力载波通讯技术、计算机智能化信息处理及节能型电器控制等技术组成的分布式无线遥测、遥控、遥信控制系统，通过合理的照明控制策略、集中管理并实时监控照明状况从而实现对照明设备的智能化控制，创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的城市道路照明。

表2-1是国内应用最多的几种路灯监控系统软件的对比统计。

表2-1路灯计算机监控系统软件资料统计表（代表）

开发单位

软件名称

运行平台

应用的城市

通信介质

丹东三安技术有限公司

SA路灯监控管理系统

Windows

泰安、青岛、昆明、厦门、太原、包头、威海等多个城市

无线数传电台

泰安地天泰新技术开发有限发展公司

LDWSC城市路灯智能监控系统

Windows

银川、呼和浩特、兰州、临沂、枣庄等多个城市

可无线数传电台、屯话线拨号上网通讯、有线载波通讯等方式

信息产业部电子第五十研究所

Windows2000或WindowsXP

天津、重庆、南宁、南昌、长沙、石家庄、常州、苏州、等数十个城市

可采用专网CDPD等公网

目前国内各种通信技术，从客观的角度地评价，已经相当成熟。

其先进的系统也已经应用到国内多个经济条件优越的城市的路灯管理中，但由于各种通信技术各有差异的特性，所以该系统在运行过程中存在着不少问题。

例如采用无线电台通信的方案，即使运营费用非常低，站点的扩展也相对方便，可是覆盖范围亦相对较小，不仅实时性不好，且可靠性不高。

还需要建造发射塔，因此导致投资成本偏高，

第三章公共照明远程监控设备的硬件设计

3．1设备硬件总体构成

监控设备主要包括：

强电主回路、开关电源、人机接口、通信模块、数据采集单元、开关量控制等部分。

3．2微处理器的选择

目前的测控系统中的微处理器一般使用单片机或工业控制电脑来实现高速的信息处理、数字化控制及网络通讯等功能。

由于工业控制电脑的启停时间长，系统的可靠性与采用专用芯片实现的单片机系统相比就略逊一筹，因此在可靠性要求很高的场合，多采用单片机作为测控系统的主控制器。

同时，在测控系统中，作为主控制器的单片机对测控系统的品质指标提高具有举足轻重的作用，因此选择性能优良的单片机是提高控制系统性能指标的关键。

TI公司的MSP430系列单片机是非常不错的选择，表3-1是该系列单片机的外围模块，同时其优势具有以下六点：

（1）低电压、超低功耗；

（2）强大的处理能力；（3）系统工作稳定；

（4）丰富的片内外设；（5）方便高效的开发环境；（6）工业级的产品；

表3-1MSP430外围模块

看门狗（WDT）

定时器A（TimerA）

定时器B（TimerB）

比较器

串口0、1（USART0、1）

硬件乘法器

液晶驱动器

10位／12位ADC

14位ADC（ADCl4）

端口0（P0）

端口1～6（P1～P6）

基本定时器（BasicTimer）

3．3电源模块的设计

在本系统中需要用到以下几种不同的电压值：

12V，5V，3.3V的直流电。

在分站点所在的现场坏境中，供电线路上可以提供220V的交流电，同时在现场配置一个开关电源模块，将现场的220V的交流电压合理地转变为12V的直流电压提供给监控终端使用，不仅可以直接供电，还可以作为其他设备电源的来源。

如此一来，其他的电源也都可以通过变换12V的直流电来产生，而且驱动能力也完全可以得到保证。

接下来就分别详细介绍各种电源的产生以及其使用方法。

3．3．112V电源

12V电源除了用作系统的总电源以外，还直接用于中间继电器和光照度模块的供电。

由于监控终端是通过中间继电器控制接触器，为了防止将外部的干扰引入系统，所以对12V总供电电源采取隔离措施，也就是将给中间继电器供电的12V电源与系统隔离开来。

而采用的隔离芯片为BD5DC—DC，这款产品适用于：

（1）输入电源的电压比较稳定（电压变化≤±10％）；

（2）输入输出之间要求隔离（隔离电压=1000VDC）；（3）对输出电压稳定度和输出纹波噪声要求不高。

由于该芯片属于定电压输入隔离非稳压单输出，这里就不过多介绍了，见图3-112V电源电路图。

图3-112V电源电路图

3．3．25V及3V电源

在本设计应用的系统中，5V电源主要用于给液晶模块、电参量模块、时钟模块、RS232、RS485通讯模块、74HC244和光电隔离器件等的供电。

LM317是美国著名National公司的产品，次产品集调整管、基准电压、采样和保护电路于一体，构成三端可调正输出的集成稳压器。

LM317无论在稳压精度、纹波抑制比还是输出电压温度特性等方面都比7800、7900系列要好，并且具有过流、过热保护和调整管安全工作区保护功能。

LM317的三个端子分别为输入端、输出端和调整端，它没有接地（公共）端，所以是一种悬浮式电路结构，基准电压为1.25V。

最大电流3A，具有保护功能，电压输出范围为1.25～37Vt61。

RH5RL33AA是一款精密度非常高的电源稳压芯片，输出误差稳定在正负O．075之间，可以为单片机提供稳定的电源。

这样的设计完全能够满足MSP430等元器件对电源的要求。

图3-2为5V及3V电源的电路图。

图3-25V及3V电源电路图

3．4外围测控模块的设计

3．4．1人机接口模块

为了提高系统的可操作性和可维护性，使工作人员能轻松在现场对监控终端的测试和维护。

在本方案中，设计了这部分人机接口电路，使用键盘即可输入指令来设定和修改存储在MSP430F149中的系统运行参数的电路。

监控终端人机界面示意如图3-3所示。

图3-3路灯监控终端人机界面示意图

在这里选择LCD作为显示器件，而不使用LED，主要是考虑到LCD的功耗比较低，符合本系统的经济性的设计原则。

此外，考虑到液晶模块需要负责实时显示，并实现人机对话，显示用户的操作过程，如果采用七段字符型显示模块，将可能导致一些信息无法显示，所以在本设计中选用点阵字符型液晶显示模块来完成相关信息的显示工作是非常正确的选择。

主控制驱动芯片采用RTl2864CT，它主要由行驱动器／列驱动器加上128×64全点阵液晶显示器组成．可完成图形显示，或者也可以显示8x4个（16x16点阵）的汉字。

液晶模块电路原理图见图3-4。

图3-4液晶模块原理图

液晶显示模块的主要功能是循环显示路灯系统运行中各支路的电流、电压参数值，以及在用键盘设置参数的同时显示相关的操作信息，为现场的操作人员的工作提供便利。

具体的液晶显示功能将通过软件编程员编写程序来实现。

另外，8255A的PC3，PC4分别接两个LED，由此就可以作为路灯监控终端运行正常与故障状态的指示灯。

在设计键盘输入功能的同时，考虑到键盘在实际操作中的作用和参数设置的方式，就高效直面的原则下决定采用四个按键来完成键盘的操作。

本方案设计的液晶显示和键盘构成了直观和友善的人机界面，为以后开发和操作的灵活、方便提供了非常有利的条件。

3．4．2开关量采集及控制模块

路灯远程系统中的控制命令执行部分相当重要，其稳定可靠的工作是实现远程和本地开关灯控制的保证。

在开关量采集及控制板上，由于单片机的驱动能力不足，所以加了一片驱动芯片74HC244，同时用光耦P621进行隔离，用s9013放大后的信号控制继电器的开断。

为了吸收继电器断开瞬问产生的反向电压，用防雷二极管并联在继电器电感线圈两端，这样就能保证内部电路不受损坏。

这样设计后的电路能够准确、可靠和快速的完成开关动作，同时还具有较强的抗干扰能力。

具体电路如图3-5和图3-6所示。

MCU的P6．0～P6．3四根口完成对四路继电器的控制器功能。

图3-5开关量控制电路原理图

图3-6开关量检测电路原理图

在路灯监控系统中，需要检测线路上的电能参数来获取供电的状态，同时也提供故障的查询选项。

在本系统中，主控芯片控制着四路路灯的状态，因此，需要把四路供12相的电压、电流和功率等参数采集上来。

3．4．3时钟模块

本系统选择了深圳市兴威帆电子技术有限公司的SD2300E时钟芯片SD2300E是一种具有内置晶振、12C串行接口的高精度实时时钟芯片。

该系列芯片可保证时钟精度为