畢業(yè)設(shè)計（論文）基于GPRS的路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于gprs的路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計前言從功能從可靠性來說，沒有一個無線網(wǎng)可以與移動通信網(wǎng)相比擬，總體來說，有以下優(yōu)點：一、覆蓋域廣，目前移動通信網(wǎng)全國覆蓋率95%以上，非邊遠(yuǎn)區(qū)覆蓋率幾乎100%。gprs 用戶可隨意分布和移動自己網(wǎng)絡(luò)點，無須擔(dān)心線路維護或有線移機時導(dǎo)致通訊中斷。建設(shè)新監(jiān)控點無需進行拉線，埋線等工作。較光纖，或?qū)＞€系統(tǒng)投資較少，設(shè)備安裝方便。通信距離遠(yuǎn)，任何場合都可以設(shè)中心站。覆蓋較好，比較很多無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（集群，雙向傳呼，cdpd，cdma）而言，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋是最好。二、gprs 網(wǎng)絡(luò)接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)無縫連接。gprs 網(wǎng)本身就是一個分組型數(shù)據(jù)網(wǎng), 支持tcp/

2、ip、x.25 協(xié)議，無需pstn 等網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接，直接與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（ip 網(wǎng)或x.25 網(wǎng)）互通，接入速度僅幾秒鐘，快于電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。采用tcp/ip 協(xié)議，較以前無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（集群，雙向傳呼，gsm短信息）而言，網(wǎng)絡(luò)接入更加直接方便。三、網(wǎng)絡(luò)可靠性高。首先網(wǎng)絡(luò)有較大冗余設(shè)備及信道；其次設(shè)備復(fù)用；再次，一旦基站特殊情況下?lián)p壞，移動公司搶修非常及時。四、穩(wěn)定性好，抗自然干擾能力強；另頻段專用，不會受到人為干擾。gprs 能最好支持頻繁、少量突發(fā)型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠，永不掉線。五、gprs資費便宜，計費合理。gprs 資費包月比有線電話網(wǎng)絡(luò)資費還便宜。路燈監(jiān)控數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)沒有大數(shù)據(jù)量信息傳

3、輸，不必要采用資費很高專線（ddn、幀中繼）。gprs還可通信數(shù)據(jù)量和提供服務(wù)質(zhì)量進行計費。gprs網(wǎng)中，用戶只需與網(wǎng)絡(luò)建立一次連接，就可長時間保持這種連接，并只傳輸數(shù)據(jù)時才占用信道并被計費，保持時不占用信道不計費。這樣，營業(yè)點即不用頻繁建立連接，必支付傳輸間隙時費用。gprs是移動通信網(wǎng)中一種新技術(shù)，完成了無線internet接入，這種技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸時，將數(shù)據(jù)進行分組（tcp/ip）傳送，并提供透明通道。網(wǎng)絡(luò)容量僅需要時才分配，一旦分組完成發(fā)送任務(wù)，信道容量立即釋放，提供了即時連接和高效傳輸，實現(xiàn)了實時線功能。，它是一種經(jīng)濟高效分組數(shù)據(jù)技術(shù)。組網(wǎng)方面主站和從站設(shè)備均可使用動態(tài)ip和固定ip兩種

4、工作方式，當(dāng)組成小規(guī)模監(jiān)測網(wǎng)時，主站和從站均采用動態(tài)ip方式，用動態(tài)域名解析使用公網(wǎng)，可節(jié)省費用（不用專門租用ddn等專線）；組成大網(wǎng)時，主機可采用固定ip，并用專網(wǎng)，以提高系統(tǒng)效率，但條件不具備時仍可使用動態(tài)ip和公網(wǎng)，此時效率僅比固定ip低0.2%。1 路燈控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀為了高效的進行城市路燈管理,世界各國都在不斷地研究，利用各種先進技術(shù)手段進行城市路燈監(jiān)控。目前對于路燈監(jiān)控系統(tǒng)的研究，多采用如下幾種方案：1.1 自控型自控型又分定時器控制和光控器控制兩種,自控型照明控制器的優(yōu)點是設(shè)備投資少、安裝及維修簡單靈活。時控法以時間為唯一的開、關(guān)燈依據(jù)，不論在任何季節(jié)氣象條件下，均只能在規(guī)定的統(tǒng)

5、一時刻開、關(guān)燈，但隨季節(jié)變化，需要人工干預(yù)來調(diào)整開、關(guān)時間，因此存在對環(huán)境光照度的變化適應(yīng)能力差的缺點。而光控法是按光照度的差異來控制開、關(guān)燈的，則易受粉塵、雨雪污染使靈敏度降低，且功能單一，開關(guān)動作不統(tǒng)一，控制不靈活，隨時需要人為干預(yù)。1.2 有線型在路燈系統(tǒng)中架設(shè)電源線纜和控制線纜，由控制中心集中控制，這種方案其優(yōu)點是控制準(zhǔn)確,動作可靠，能應(yīng)用計算機技術(shù)進行多層次、多任務(wù)控制,缺點是設(shè)備投資大、故障易發(fā)點多、維護困難。1.3 無線電臺控制型常規(guī)無線數(shù)傳電臺控制系統(tǒng)利用常規(guī)無線電臺的收發(fā)信道作為載體，采取雙音多頻作為控制信令，達(dá)到控制照明燈開關(guān)的目的。常規(guī)無線電臺控制系統(tǒng)的優(yōu)點是技術(shù)成熟、布

6、點靈活、安裝方便、功能擴充性好，可實現(xiàn)雙向通信，缺點是易受干擾、控制組合較少、主控電臺的射頻發(fā)射功率被限制在10w 以下，受控區(qū)域小、容易造成人為誤動作和惡意操作，設(shè)備投資大，性價比低。2 路燈節(jié)能方式探討綠色照明是當(dāng)今照明界發(fā)展的一種趨勢。目前，在道路照明工程中，電網(wǎng)電壓受負(fù)荷的影響較大，在負(fù)荷高峰時偏低，在負(fù)荷低谷時偏高。每當(dāng)傍晚，道路上交通量高峰時，恰值電網(wǎng)負(fù)荷高峰，由于電網(wǎng)電壓偏低，光源發(fā)出的光通量低，路面照度低；而接近午夜時，道路上交通量處于低谷，此時電網(wǎng)負(fù)荷也是低谷，由于電網(wǎng)電壓偏高，因此光源發(fā)出的光通量高，路面照度高。而人眼在黑暗中經(jīng)過一定時間就有了適應(yīng)黑暗的能力,深夜時亮度只需

7、剛剛天黑的70%就有相同的“感覺亮度”。因此,路燈在深夜過高電壓下運行會大大浪費電能。所以,科學(xué)地控制路燈,不僅能滿足人們行路行車的安全,還能節(jié)約電能及延長燈具的使用壽命,從而減輕維修工作量和減少運行費用。為改變這種現(xiàn)象，一般采用如下幾種方法：2.1 照明穩(wěn)壓調(diào)光控制裝置根據(jù)w = pt = (u2 t) / r知道，在負(fù)荷不變的情況下，電能的消耗與電壓的平方成正比，與用電時間成正比，電壓越高，時間越長，耗能越大。穩(wěn)定照明電壓可以節(jié)省大量電能的消耗。穩(wěn)定調(diào)光控制裝置的基本性能是在黃昏時分將低于220v 的電壓調(diào)到220v，在午夜電源電壓高到某值時，可按設(shè)定的電壓180v(高壓鈉燈)將光源電壓調(diào)

8、下來，從而有效地降低路燈的電流、有功功率、無功功率，大量節(jié)省能源和資金。由于此裝置具有穩(wěn)壓軟啟動功能，可以克服因氣體放電燈低壓啟輝失敗而嚴(yán)重影響路燈壽命的不利因素，同時克服了光源電壓升高10時光源冷啟動大電流沖擊燒燈現(xiàn)象。目前，常用的調(diào)光控制裝置有兩種，分別為可控硅調(diào)壓系統(tǒng)和扼流圈調(diào)壓系統(tǒng)。可控硅調(diào)壓系統(tǒng)通過控制器發(fā)出相應(yīng)的電脈沖，控制可控硅導(dǎo)通角，對供電電壓做出模擬調(diào)節(jié)，使可控硅電源按設(shè)定值輸出電壓，供路燈照明使用；扼流困調(diào)壓系統(tǒng)也是通過微控制器采集電壓值，啟動調(diào)壓系統(tǒng)，按預(yù)設(shè)調(diào)壓百分比進行電壓調(diào)整。2.2 半夜燈方式在路燈系統(tǒng)中增鋪一到兩條電纜，對線路上的路燈分別控制，在接近午夜交通量小的

9、時候，熄滅部分電纜控制路燈，以達(dá)到節(jié)能的目的。但這樣做也有缺點，道路照明的均勻度差且燈光零亂,對城市交通及道路景觀有一定的負(fù)面影響。系統(tǒng)中重點考慮如何在控制方面進行節(jié)能設(shè)計。3 總體設(shè)計方案3.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)按照路燈遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的設(shè)計要求和要實現(xiàn)的功能，將系統(tǒng)大體分為中央控制室、集中控制器和路燈控制器3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3.1-1所示。圖3.1-1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)3.1 中央控制室中央控制室是整個系統(tǒng)的最高控制中心，它的硬件主要包括監(jiān)控中心計算機、打印機、投影設(shè)備、路由器、中心服務(wù)器、internet接入設(shè)備、與集中控制器通信模塊（本系統(tǒng)通過gprs模塊與集中控制器通信）等。軟件部分

10、比較復(fù)雜，主要包括系統(tǒng)的運行平臺windows操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件以及數(shù)據(jù)庫等。3.2 集中控制器集中控制器在整個系統(tǒng)中起到橋梁作用，它通過電力線磁感線與路燈控制器通信，還通過gprs模塊與中央控制室通信。所以它的硬件組成部分主要有控制器cpu、gprs模塊、電力線載波模塊、晶體振蕩電路、時鐘電路等。它主要是負(fù)責(zé)信息的采集和發(fā)送，控制命令的傳遞等。軟件部分主要是信號的接收和發(fā)送。3.3 路燈控制器路燈控制器直接實現(xiàn)路燈開關(guān)控制以及路燈控制狀況信息的反饋，并且在發(fā)送的信號不能到達(dá)目標(biāo)路燈控制器時，要有路燈控制器在其中作中繼傳遞，以保證信號順利傳輸。同時，當(dāng)路燈控制器無法給電力載波調(diào)制解調(diào)器反饋信息

11、時，也要有路燈控制器作中繼傳遞。這樣就要求路燈控制器有這樣幾部分組成：控制器cpu、電力線載波模塊、陶瓷濾波電路、晶體振動電路、直流電源電路、繼電器以及電流電壓檢測電路。軟件部分主要涉及信號的采集和信號的中繼傳遞。4 系統(tǒng)通信方式系統(tǒng)的通信方式采用gprs與電力磁感線通信相結(jié)合。中央控制室與電力載波調(diào)制解調(diào)器之間采用gprs通信，電力載波調(diào)制解調(diào)器與路燈控制器的通信是電力磁感線通信的方式。路燈控制器之問的通信采用plcc通信方式，實現(xiàn)電力載波調(diào)制解調(diào)器與目標(biāo)路燈控制器之間的可靠通信，其實質(zhì)就是中繼通信。下面進行通信方式的比較選擇。4.1 gprs通信gprs通信是基于tcp(transmiss

12、ion control protocol)/ip(internet protocol)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊，它支持兩種不同的傳輸層協(xié)議，分別是面向連接的tcp協(xié)議和無線連接的udp(user datagram protocol)協(xié)議。tcp和udp的主要區(qū)別在于：從對系統(tǒng)資源的要求上看，tcp較多，udp少。udp程序結(jié)構(gòu)較簡單。tcp是基于流模式的，udp是基于數(shù)據(jù)報模式的。tcp能夠保證數(shù)據(jù)正確性和數(shù)據(jù)的順序，而udp可能會丟包，數(shù)據(jù)順序也沒有保證。另外，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的情況具體看它們的區(qū)別：tcp傳輸存在一定的延時，大概是1600ms，udp響應(yīng)速度稍微快一些。從協(xié)議的包頭結(jié)構(gòu)來看，tcp包頭至少有

13、20字節(jié)，udp的包頭則小很多。從gprs網(wǎng)絡(luò)端口資源分析，udp十分緊缺，變化很快。而tcp采用可靠鏈路傳輸，不存在端口變化的問題。該系統(tǒng)中要求中央控制室和gprs模塊能相互的、實時的傳輸數(shù)據(jù)。tcp本身就是可靠鏈路傳輸，提供一個實時的雙向的傳輸通道，能很好的滿足這一要求。而對于udp傳輸，在一段時間沒有數(shù)據(jù)流造后，端口容易改變，產(chǎn)生的影響就是從中央控制室向gprs模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，gprs模塊接收不到。從通訊的可靠性方面來說，不容許傳輸過程中的數(shù)據(jù)丟失或者最大限度的要求數(shù)據(jù)的可靠性。否則，根本無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。從這一點來看，很顯然在無線數(shù)據(jù)傳輸過程中，tcp比udp更能保證數(shù)據(jù)的完整性、可靠性

14、，存在更小的丟包牢。從經(jīng)濟性的角度考慮，要求降低費用，和費用直接相關(guān)的就是流量了，流量低，費用就低了。雖然tcp本身的包頭要比udp多，但是udp在實際應(yīng)用中往往需要維護雙向通道，就必須要通過大量的包數(shù)據(jù)來維護端口資源?？偟谋容^下來，udp的實際流量要比tcp還要大?；趯σ陨蠋c的考慮，文中認(rèn)為tcp傳輸更能滿足該系統(tǒng)對通訊的要求，所以在該系統(tǒng)的gprs通訊部分，選擇了tcp協(xié)議。中央控制室與電力載波調(diào)制解調(diào)器之間的通信方式是gprs無線通信形式。4.2 電力載波通信簡介電力載波通信（power line carrier，以下簡稱plc）是指利用已有的低壓配電網(wǎng)作為傳輸媒介，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信

15、息交換的一種技術(shù)。plc 技術(shù)出現(xiàn)于20 世紀(jì)20 年代初期，那時主要集中在11kv 以上的高壓遠(yuǎn)距離傳輸。到了20 世紀(jì)50 年代，高壓電力線通信技術(shù)已廣泛用于監(jiān)控、遠(yuǎn)程顯示、設(shè)備保護及語音傳輸?shù)阮I(lǐng)域。50 年代后至90 年代早期的30 多年中，plc 開始應(yīng)用在中壓和低壓電力網(wǎng)絡(luò)。20 世紀(jì)90 年代中后期以來，低壓電力載波通信成為國內(nèi)外電氣工程、網(wǎng)絡(luò)工程等領(lǐng)域的熱門研究課題。低壓電力線載波通信,其解決方案的優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)的技術(shù)水平和實用性。一個合理的解決方案必須是在充分地考慮了plc 技術(shù)特點的基礎(chǔ)上提出：4.2.1 工作頻段早在20 世紀(jì)90 年代初期，歐洲就提出了bs en 50

16、065 標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)對與于低壓電力線上的載波信號的頻段、頻帶和電平等做出了具體的規(guī)定。迄今為止，這一標(biāo)準(zhǔn)仍是全球唯一具有針對性的標(biāo)準(zhǔn)，全世界范圍內(nèi)在低壓電力線上的任何方式載波無不嚴(yán)格地遵循它。此標(biāo)準(zhǔn)的第一部分即：bs en 50065-1 對頻段的規(guī)定是：3khz-9khz - 電力公司專用頻段9khz-95khz - 電力公司和經(jīng)電力公司許可的用戶使用的頻段95khz-148.5khz - 其它用戶使用的頻段當(dāng)今的技術(shù)發(fā)展日新月異，全球不少重量級的公司（例如microsoft、intellon、thomson、3com、amd 等）都不惜高昂的研發(fā)費用，開發(fā)低壓電力線資源，低壓電力線作為一種

17、新的通信載體，將在未來家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面發(fā)揮出不可替代的作用。可以相信在不久的將來，低壓載波電力線將同無線電波一樣變得十分寶貴，因此將受到嚴(yán)格的管理和控制。4.2.2 傳輸速率載波通信的傳輸速率是自動抄表系統(tǒng)的一項重要技術(shù)指標(biāo)，也是載波通信技術(shù)水平的一項重要標(biāo)志。通信速率（波特率）和誤碼率是一對矛盾，波特率越高，誤碼率就越高，通信成功率就越低。因此波特率的設(shè)計至關(guān)重要。對于抄表系統(tǒng)而言，考慮到成本的因素，不宜追求很高的傳輸速率，在性價比合適的前提下，通常速率應(yīng)在2400bps 以下。對實際使用來講，從300bps2400bps 都是可行的，但如果太低（比如300bps 以下），僅僅用于抄表尚可以

18、使用，但如果系統(tǒng)具備較強的管理功能，太低的傳輸速率就無法滿足了。另一方面，速率太低，多數(shù)情況下需要設(shè)備長時間地處于發(fā)送狀態(tài)，整體功耗就會很大。4.2.3 雙向通信在抄表系統(tǒng)中，低壓載波通信必須是雙向的，這是因為：低壓電網(wǎng)上豐富噪聲而且是客觀存在的，對載波信號所呈現(xiàn)出阻抗也是動態(tài)的，而且在用電負(fù)荷很大時，阻抗是很小的（z1 是可能的）。因此，設(shè)計通信時必須面對這個客觀事實。再加上其他因素的影響，數(shù)據(jù)通信的成功率會受到較大的影響，有時甚至?xí)斐蓮募衅鞯奖矶嗽O(shè)備通信的持續(xù)性失敗，這種情況下就需要系統(tǒng)有中繼的功能，而切實可行的中繼方法是表端設(shè)備（采集模塊或采集終端）在集中器的干預(yù)下進行中繼，這就要求

19、從集中器到表端的載波通信必須是雙向，否則將會嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的完整性，有時會因為通信的原因迫使用戶更換采集模塊，其麻煩程度和經(jīng)濟損失是不言而喻的。4.2.4 調(diào)制解調(diào)方法由于電力線信道中存在著大量的無規(guī)律干擾源，有窄帶的，也有寬帶的，并且電力線的阻抗隨機變化，對載波信號的衰減很大。目前市場銷售產(chǎn)品的調(diào)制/解調(diào)方法大致分為點頻和擴頻，而擴頻又分為窄帶擴頻和寬帶擴頻。通常點頻方式需要較大的發(fā)送功率，載波信號幅度有可能超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。寬帶擴頻容易提高傳輸速率，但成本較高，而且占用較寬的頻帶也是資源的浪費。4.2.5 擴頻通信原理plc是以電力網(wǎng)為通信信道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換。與其它通信方式相比，可大大

20、節(jié)省通信網(wǎng)建設(shè)費用。擴頻通信是信息時代的三大高技術(shù)通信手段之一，具有窄帶通信所不具備的優(yōu)良性能，如抗干擾性強，誤碼率低等優(yōu)點。即使在背景噪聲惡劣的情況下，也能保證可靠的通信。理論分析和實驗表明，將擴頻技術(shù)應(yīng)用于電力線載波通信是可行的。擴頻通信的主要優(yōu)點: 頻譜密度低，電磁輻射小擴頻通信在相對較寬的頻帶上擴展了信號頻譜，降低了信號的功率譜密度,使信號能量不再集中在一個很窄的頻帶，降低了電磁輻射的發(fā)射功率，降低了對其它通信系統(tǒng)的干擾。 抗干擾性強，誤碼率低擴頻通信在空間傳輸時所占有的帶寬相對較寬，而接收端又采用相關(guān)檢測的辦法來解擴，使有用寬帶信息信號恢復(fù)成窄帶信號，對于各種形式隨機干擾或其他窄帶或

21、寬帶(擴頻)系統(tǒng)的干擾，只要波形、時間和碼元稍有差異，解擴后仍然保持其寬帶性。這樣，通過窄帶濾波技術(shù)提取有用信號時，各種干擾信號只有很微弱的成份，信號的信噪比很高，抗干擾性增強。 可以實現(xiàn)碼分多址由于在擴頻通信中存在pn碼序列的擴頻調(diào)制，充分利用各種不同碼型的擴頻碼序列之間優(yōu)良的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，在接收端利用相關(guān)檢測技術(shù)進行解擴，則在分配給不同用戶碼型的情況下可以區(qū)分不同用戶的信號，提取出有用信號。 安裝簡便，易于維護擴頻通信設(shè)備是高度集成的，采用了現(xiàn)代電子科技的尖端技術(shù)，因此十分可靠、小巧，大量運用后，成本降低，安裝便捷，易于推廣應(yīng)用。實現(xiàn)擴頻有三種途徑：直接序列調(diào)制（ds）、跳頻載波

22、（fh）、線性調(diào)頻（chirp）和跳時調(diào)制（th）。在電力系統(tǒng)應(yīng)用的主要是直序調(diào)制和線性調(diào)頻擴頻系統(tǒng)。在這里只討論直序擴頻調(diào)制。所謂直序擴頻調(diào)制，就是用高速率的偽噪聲碼序列（pn碼）和低速率信息碼序列相乘，從而將基帶信號擴展到很寬的頻帶范圍內(nèi)，達(dá)到擴頻的目的。擴頻信號經(jīng)過bpsk調(diào)制后發(fā)送到線路；在接收端，在保證同步的情況下，利用相關(guān)接收技術(shù)，接收端產(chǎn)生的偽噪聲碼序列和發(fā)送端偽噪聲碼序列相同時，就可以正確地解擴出信息碼。4.3 plc技術(shù)可行性研究目前的路燈監(jiān)控系統(tǒng)只能實現(xiàn)對每條支路路燈的開關(guān)燈控制，不能實現(xiàn)對每盞燈的單獨控制，無法了解各條路燈線路上的具體每盞燈的工作情況，無法實現(xiàn)對每盞路燈的

23、調(diào)光節(jié)能控制，也實現(xiàn)不了系統(tǒng)自動識別每盞路燈是否故障。為了克服上述，利用最新的低壓電力線載波（plc）技術(shù)可以實現(xiàn)單燈控制器。它通過現(xiàn)有的220v低壓電力線利用載波技術(shù)遠(yuǎn)程控制每盞路燈，檢測路燈的工作狀態(tài)，可以實現(xiàn)調(diào)光節(jié)能，而且可以自動識別路燈故障。采用plc技術(shù)的優(yōu)點:a. 考慮路燈實際情況，無需另外鋪設(shè)通信線路，減少系統(tǒng)投資。b. 可以自動監(jiān)測路燈網(wǎng)中的任一盞燈的工作狀態(tài)。c. 投資回報率高，可節(jié)省大量電費。d. 可延長路燈的使用壽命。設(shè)計的單燈控制單元接路燈的輸入端，具備可識別的獨一地址，并由微處理器、載波單元、a/d轉(zhuǎn)換單元、存儲單元、繼電器等組成。單燈控制單元可實現(xiàn)路燈開關(guān)，調(diào)光控制

24、，狀態(tài)檢測以及plc通信等四部分功能，其中前三部分功能模塊實現(xiàn)起來比較容易。單燈控制單元的plc通信采用主從式鏈狀網(wǎng)絡(luò)，按照各個單燈控制單元在通信中的功能不同，區(qū)別為主節(jié)點和從節(jié)點。通信時由主節(jié)點對各從節(jié)點輪詢，所有通信都由主機發(fā)起，通信的目的從節(jié)點是唯一的，從機只有得到主機命令后才可以向主機回復(fù)命令，這樣的仲裁機制保證了在同一電力線上同一時間最多只能有一個plc模塊向外進行通信。由于一般單個plc的通信一般500米以內(nèi)，而對于路燈支路來說，這樣的通信距離是不夠的，因此在通信鏈路上，相隔一定數(shù)量的單燈控制單元，必須設(shè)定通信中繼節(jié)點，這些節(jié)點也是主節(jié)點，負(fù)責(zé)鏈路的中繼傳輸。各個中繼之間距離合適，

25、這樣才能夠保證整條支路的正常通信。通過以上的介紹，在本系統(tǒng)中采用plc在電力線載波調(diào)制解調(diào)器與路燈控制器之間通信。5 硬件和軟件設(shè)計通過總體設(shè)計結(jié)構(gòu)的介紹，主要是對路燈控制器的設(shè)計、電力線載波模塊的設(shè)計、gprs模塊的設(shè)計。5.1 gprs模塊的硬件設(shè)計gtm900b共有40個引腳，通過zif(zero insertion force)連接器分別與電源電路、啟動與關(guān)機電路、數(shù)據(jù)通信電路、語音通信電路、sim卡電路、指示燈電路等連接。這40個引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、sim卡、音頻接口和控制。第110引腳為電源部分；其中15腳為電源電壓輸入端vbat， 610腳為電源地gnd；

26、11、12為rxd1，txd1引腳(用于跟蹤和調(diào)試)；13腳為模塊正常啟動指示信號，對外輸出電壓(高電平有效，嚴(yán)禁外部拉低)；14腳為模擬數(shù)字采樣引腳；2429腳為sim卡引腳：分別為sim_cd、sim_rst、sim_data、sim_clk、sim_vcc和s1m_gnd；3340腳為語音接口用來接電話手柄。15、30、3l和32腳為控制部分：15腳為開關(guān)機控制信號線pwon，當(dāng)供給gtm900b的電源大于33v，同時給pwon一個至少10ms的低電平，模塊開始工作。反之在模塊正常工作時，如果外部cpu將gtm900b的pwon信號拉低23秒，模塊將進入正常關(guān)機流程，保存一些信息，完成網(wǎng)

27、絡(luò)注銷；30腳為備份電池供電信號線vbackup；31腳為復(fù)位信號線rst：32為指示燈狀態(tài)控制信號線lpg。1623位數(shù)據(jù)輸入/輸出分別為uart_dsr0、uart_ri0、uart_rxd0、uart_txdo、uart_ctdo、uart rts0、uart_dtr0和uart_dcd0。gtm900b的外圍電路連接圖如圖32所示圖5.3.1-1 gprs發(fā)送模塊的電路原理圖5.2 電力線載波模塊的硬件設(shè)計圖5.2-1電力線載波模塊的硬件設(shè)計框圖 5.1.1耦合電路一般來說，要把擴頻載波信號耦合到電力線上去，在電力線擴頻收發(fā)器和電力線之間需要一個耦合器。耦合器在電路中主要有三個作用：內(nèi)

28、部的高頻耦合線圈實現(xiàn)強電側(cè)和弱電側(cè)的物理分離；內(nèi)部的高通濾波器保證導(dǎo)通高頻信號而阻斷電網(wǎng)工頻；實現(xiàn)阻抗匹配。本系統(tǒng)采用的帶有高通效果的耦合電路如圖5.1-2所示，主要由電容c1和耦合線圈tr1(n1:n2=19:32，220v側(cè)19圈，弱電側(cè)32圈)構(gòu)成。由于低壓電網(wǎng)的工頻(50hz)和本系統(tǒng)擴頻信號的信號頻率(120khz)相差將近2500倍，所以電容c1和耦合線圈原邊電感對這兩種頻率信號的阻抗各不相同。對于工頻信號，電容chi的阻抗遠(yuǎn)大于線圈原邊電感的阻抗，所以電容c1承擔(dān)了電力線上的交流電壓；對于120khz的系統(tǒng)信號，線圈原邊電感的阻抗遠(yuǎn)大于電容c1的阻抗，所以系統(tǒng)擴頻信號幾乎都加在了

29、耦合線圈上。這個電路能把工頻與擴頻信號疊加和分離開來。圖5.1-2耦合電路5.1.2 功率放大電路和整形濾波電路功率放大電路將pl3106的p1.7腳輸出的載波信號進行功率放大后耦合到電力線上發(fā)射出去，當(dāng)芯片的載波功能被使能并處于發(fā)送狀態(tài)時，載波信號由pl3106管腳p1.7(pskout)輸出，此腳輸出時應(yīng)接一個上拉電阻，載波輸出時pskout點的波形為05v變化的方波，其中含有豐富的諧波；經(jīng)過推挽電路進行功率放大后，p1.7的方波信號被放大為a點信號。功率放大器工作在開關(guān)狀態(tài)。由于正常的發(fā)射時問很短，所以在選擇三極管時應(yīng)注意其功率參數(shù)，而在測試時要注意工作時間不能太長，否則會損壞功率放大器

30、的輸出三極管。載波發(fā)射功率的大小與該放大電路的電源幅值的高低、電源電流提供能力比相關(guān)，在一定范圍內(nèi)增加電源功率，提高電源幅值，可以有效增加發(fā)射功率，從而得以延長載波通信距離。由于放大后a處的信號富含諧波，為了減少對電網(wǎng)的諧波污染，在耦合發(fā)送至電力線之前需要進行濾波整形。由電容電感完成整形濾波后，再發(fā)送至耦合電路。其載波信號功率放大圖5.1-3如下所示。圖5.1-3功率放大電路和整形濾波電路5.1.3 接收電路如圖5.1-4所示，接收電路和發(fā)送電路中r11隔離，在本地強信號下可以有效的吸收衰減，電感l(wèi)11和電容c11，組成了并聯(lián)諧振回路，具有對120khz信號的選頻作用，以完成對有效信號的帶通濾

31、波，若選擇電容c11為15nf，則由諧振公式：算得電感l(wèi)=117mh。良好的選頻回路可以提高載波接收的靈敏度。接收的載波信號被二極管d14和d15控制在07v，接收信號經(jīng)電容c19引入到芯片內(nèi)部進行混頻處理，sigin被內(nèi)部上拉后平移到25v07v，以利于后續(xù)處理。圖5.1-4接收電路5.1.4陶瓷濾波電路接收到的120khz信號經(jīng)并聯(lián)諧振后由sigin腳進入芯片，和內(nèi)部的600khz本振信號進行混頻，得到中頻帶寬的差額信號頻率為480khz。該混頻信號從陶瓷濾波器fltl腳進入到陶瓷濾波器的輸入腳，陶瓷濾波器濾波后再送回芯片的flt0腳進行內(nèi)部限幅放大。然后由芯片內(nèi)的硬件解擴電路進行有效數(shù)據(jù)

32、的還原；還原后的數(shù)據(jù)位鎖存到p17腳，同時產(chǎn)生同步head信號的低電平。陶瓷濾波器接口電路圖5.1-5如下所示。圖5.1-5陶瓷濾波電路5.1.5 存儲電路存儲電路是由cat24wc32組成，其接口電路如圖5.1-6所示。cat24wc32是一款專用的eeprom，與pl3106的mcu通過ic總線串型通信接口，共有32k個位，可存儲4096字節(jié)的數(shù)據(jù)。圖5.1-6存儲電路5.1.6 直流電源電路直流電源電路如圖5.1-7所示，為系統(tǒng)提供+12v，+5v，+36v電壓。將220v交流電通過工頻變壓器轉(zhuǎn)變成約30v交流電，經(jīng)過整流濾波將交流電轉(zhuǎn)為直流電。再經(jīng)過開關(guān)電源：占片lm2576降壓為12

33、v，為繼電器和載波功率放大電路提供電源；通過lm7805降壓，為單片機提供+5v電源：在整流橋的直流側(cè)引出一路電源通過lm2576為gtm900b模塊提供+36v電源。圖5.1-7直流電源電路5.1 路燈控制器的硬件設(shè)計路燈控制器的硬件設(shè)計框圖如圖5.1-1圖5.1-1路燈控制器的硬件設(shè)計框圖5.1.7 繼電器電路 如圖5.1-8所示，在控制線圈上加上保護二極管d13。作用是釋放線圈儲存的電能，保護控制三極管q6。圖5.1-8繼電器電路5.1.8 電壓檢測電路本路燈控制器內(nèi)選用電流型電壓互感器，輸入和輸出端均為ma級電流，因此在電壓互感器tv1的原邊需要使用電阻將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，在互感

34、器的副邊使用電阻將電流信號再轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過比較器lm339可以判斷是否有電壓，當(dāng)有電壓時可檢測到方波，而沒有電壓時則為一個高電平。圖5.1-9電壓檢測電路5.1.9 電流檢測電路電流信號調(diào)理電路采用電流互感器ti1，與電壓調(diào)理電路類似，需要負(fù)載電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過比較器lm339可以檢測出是否有電流，若有電流則會檢測到方波，沒有電流則為一個高電平。圖5.1-10電流檢測電路5.3 gprs模塊的硬件設(shè)計5.31 gprs發(fā)送模塊電路設(shè)計 5.32 電力線載波模塊設(shè)計5.3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)主要采用無線modem cms91來進行歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及報告信息的遠(yuǎn)程傳輸。通過單

35、片機at指令對cms91進行上網(wǎng)前的設(shè)置和數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)收到cms91的正確反饋回答后，1條物理信道就在cms91和gprs網(wǎng)絡(luò)之間建立起來。單片機通過向modem發(fā)送不同的at命令來控制其工作。cms91加電后，應(yīng)用程序需通過p0口操作cms91的onoff控制位，cms91正式啟動的過程大約35 s，若cms91接有有效的sim卡，cms91將附著在gprs網(wǎng)絡(luò)。對cms91的串口讀寫操作仍然由中斷服務(wù)程序來實現(xiàn)，復(fù)位上電后，程序先進行工作頻率等參數(shù)的設(shè)置，然后進行撥號和ppp協(xié)商。ppp協(xié)商成功后，將得到系統(tǒng)本地ip，一旦獲得自己的ip，系統(tǒng)實際上就已經(jīng)連入internet，但要和連入i

36、nternet的另一ip終端通信，就還需要與另一ip終端進行端對端的tcp連接。在tcp連接成功后，整個程序?qū)⒈３诌@個連接狀態(tài)。進入tcp連接狀態(tài)后，可能會收到tcp連接的另一ip終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，在層層解包處理之后，便可以得到tcp層之上的種種應(yīng)用層數(shù)據(jù)。如果要向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)，則要先進行中斷請求發(fā)送，在等到tcp連接建立之后方可發(fā)送。這部分tcpip協(xié)議的處理由cms91內(nèi)嵌的單片機來完成。gprs模塊發(fā)送子程序和接收子程序的流程如圖3.4-5所示。圖5.3.1-4 gprs模塊發(fā)送子程序和接收子程序流程圖5.4路燈監(jiān)控器軟件設(shè)計本系統(tǒng)軟件采用keil c作為開發(fā)工具。除cpu程序外，還要開發(fā)一個對時鐘芯片進行時間預(yù)置的程序，以便于批量生產(chǎn)。路燈監(jiān)控器的工作流程如下：首先進入上電初始化程序，對路燈監(jiān)控器的狀態(tài)進行初始化，包括全夜燈、半夜燈狀態(tài)、手動三遙狀態(tài)、報警狀態(tài)等變量進行初始化。然后初始化max3100和時鐘芯片，讀取設(shè)備的編號