王志宇，蹇興亮

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031）

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，城市照明和燈飾美化工程越來(lái)越受到關(guān)注，甚至成為衡量一個(gè)城市形象的重要因素。然而目前的城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)大多自動(dòng)化控制和智能化管理水平較低，容易受季節(jié)、天氣和人為因素的影響，出現(xiàn)工作效率低、調(diào)整麻煩、能源浪費(fèi)和反應(yīng)不及時(shí)等現(xiàn)象，降低了系統(tǒng)的實(shí)用性、穩(wěn)定性和安全性[1]。為了滿足人們?nèi)粘Ｉ詈徒?jīng)濟(jì)活動(dòng)的需求，設(shè)計(jì)智能化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)能高效、使用和維護(hù)方便的城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)，儼然成為城市現(xiàn)代化的必然要求[2]。

由于近幾年科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是GPRS（通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)）、GIS（地理信息系統(tǒng)）、自動(dòng)化控制技術(shù)、監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、軟件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的快速發(fā)展，為城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)的研發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)[3]。采用GPRS與Internet相結(jié)合的通信方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸[4]，采用GIS實(shí)現(xiàn)城市照明系統(tǒng)的可視化管理[5]，采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索是城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[6]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)是由監(jiān)控中心、監(jiān)控終端（RTU）組成的兩級(jí)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可對(duì)城市照明設(shè)備進(jìn)行集中管理、分散控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為最大可以容納999個(gè)監(jiān)控終端，完全可以滿足城市照明的擴(kuò)展需要。城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)整體拓?fù)浼軜?gòu)圖如圖1所示。

圖1 城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)整體拓?fù)浼軜?gòu)圖Fig.1 Topology diagram of the urban lighting monitoring and management system

2 監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)控終端是城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)監(jiān)控功能的執(zhí)行設(shè)備，監(jiān)控終端硬件主要由微處理器及相關(guān)外圍電路、GPRS DTU（GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元）兩部分組成。監(jiān)控終端的作用:1）采集監(jiān)控終端所在控制箱的相關(guān)信息（溫度、光照強(qiáng)度），以及每個(gè)監(jiān)控終端控制下的8條回路的工作狀態(tài)信息 （電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、亮燈率等測(cè)量參數(shù)）；2）將采集到的實(shí)時(shí)信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)控中心，以便監(jiān)控中心對(duì)這些信息進(jìn)行存儲(chǔ)和后續(xù)處理；3）監(jiān)控終端具有本地控制和遠(yuǎn)程控制兩種工作模式，當(dāng)監(jiān)控中心或網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)故障時(shí)，各監(jiān)控終端就可以切換為本地控制，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the RTUhardware

其硬件主要包含：NXPLPC2368微處理器，電源模塊，備有電源，GPRSDTU通信模塊，程序調(diào)試接口，鍵盤，運(yùn)行狀態(tài)指示燈，RS232通信接口，RS485通信接口，光照傳感器，DS18B20溫度傳感器，CT09電流互感器，PT01-3電壓互感器，HS12864液晶顯示屏，NT75繼電器等。監(jiān)控終端硬件實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)控終端硬件實(shí)物圖Fig.3 Physical diagram of the RTU hardware

2.1.1 微處理器

監(jiān)控終端采用的是NXP LPC2368，一款基于ARM7TDMI-S核的高性能32位RSIC微處理器。處理器帶有Thumb指令擴(kuò)展，片內(nèi)集成：512KB Flash支持ISP及IAP，58K SRAM；主頻高達(dá)72 MHz，片內(nèi)集成：晶振，4 MHz RC晶振，PLL加強(qiáng)型矢量中斷控制器，10/100 M以太網(wǎng)帶DMA，USB2.0全速設(shè)備接口，2路CAN 2.0B接口，通用DMA控制器，4個(gè) UART接口，1個(gè)具有全功能 Modem接口，3個(gè) I2C串行接口，3個(gè)SPI/SSP串行接口，I2S接口，SD/MMC記憶卡接口，6路10位ADC，1路 10位DAC，4個(gè)32位捕獲/比較時(shí)鐘，看門狗時(shí)鐘，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘帶可選后備電池，通用I/O等。

它負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)GPRSDTU與Internet的連接；接收并處理監(jiān)測(cè)中心通過GPRSDTU發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包；生成和組裝要發(fā)送的數(shù)據(jù)包并傳送給GPRSDTU；采集電流、電壓、開關(guān)狀態(tài)、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、溫度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)以及對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；控制8路繼電器通斷等。

2.1.2 GPRSDTU通信模塊

GPRS技術(shù)是在GSM技術(shù)基礎(chǔ)上引入了分組交換的傳輸模式，具有資源利用率高、接入時(shí)間短、高速傳輸、實(shí)時(shí)在線、覆蓋面廣、支持TCP／IP協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)，所以 GPRS網(wǎng)絡(luò)比較適合發(fā)送頻率高和數(shù)據(jù)量小的實(shí)時(shí)傳輸，這剛好符合城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。

監(jiān)控終端采用的是H7710 GPRSDTU通信模塊。GPRS DTU用來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與監(jiān)控終端之間的通信。使用前，預(yù)先為GPRSDTU設(shè)定監(jiān)控中心的IP地址、域名、DNS服務(wù)器地址和端口號(hào)。當(dāng)監(jiān)控終端上電后，GPRSDTU先注冊(cè)到GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后發(fā)送建立SOCKET連接的請(qǐng)求包給網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器，代理服務(wù)器把請(qǐng)求包轉(zhuǎn)發(fā)到Internet，最終和監(jiān)控中心建立起TCP/IP鏈路。監(jiān)控中心主動(dòng)維護(hù)每個(gè)接入的監(jiān)控終端IP地址和ID號(hào)，當(dāng)監(jiān)控中心向某個(gè)監(jiān)控終端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，它會(huì)根據(jù)IP地址和ID號(hào)找到相對(duì)應(yīng)的監(jiān)控終端，并將請(qǐng)求命令發(fā)給監(jiān)控終端，監(jiān)控終端收到命令后通過GPRS DTU把數(shù)據(jù)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器端口，再通過端口映射轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心，這樣就完成了一次應(yīng)答式的通信過程。

2.2 通信協(xié)議

本協(xié)議規(guī)定了監(jiān)控中心與監(jiān)控終端的通信方式。監(jiān)控終端硬件包含RS485通信接口，需通過GPRSDTU與監(jiān)控中心建立連接，監(jiān)控中心通過GPRS無(wú)線路由器或ADSL路由器連接Internet網(wǎng)絡(luò)。GPRSDTU采用透明傳輸方式，每個(gè)監(jiān)控終端都包含GPRSDTU，因此本協(xié)議只針對(duì)RS485通信接口。

幀是傳送信息的基本單元[7]，幀格式如表1所示。

表1 幀格式Tab.1 Frame format

幀起始符68H：標(biāo)識(shí)一幀信息的開始，其值為68H=01101000B。

地址域A0～A5：地址域由6個(gè)字節(jié)構(gòu)成，可以為設(shè)備號(hào)、線路號(hào)、區(qū)域號(hào)等。當(dāng)使用的地址碼長(zhǎng)度不足6字節(jié)時(shí)，用十六進(jìn)制AAH補(bǔ)足6字節(jié)。低地址位在先，高地址位在后。

控制碼C：控制碼的格式如表2所示。

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度L：L為數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)。讀數(shù)據(jù)時(shí)L≤200，寫數(shù)據(jù)時(shí)L≤50，L=0表示無(wú)數(shù)據(jù)域。

數(shù)據(jù)域DATA：數(shù)據(jù)域包括數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)和密碼等，其結(jié)構(gòu)隨控制碼的功能而改變。傳輸時(shí)發(fā)送方按字節(jié)進(jìn)行加33H處理，接收方按字節(jié)進(jìn)行減33H處理。

校驗(yàn)碼CS：從幀起始符開始到校驗(yàn)碼之前的所有各字節(jié)的模256的和，即各字節(jié)二進(jìn)制算術(shù)和，不計(jì)超過256的溢出值。

結(jié)束符16H：標(biāo)識(shí)一幀信息的結(jié)束，其值為16H=00010110B。

表2 控制碼格式Tab.2 Control code format

3 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)

監(jiān)控中心是進(jìn)行城市照明系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理的核心，在設(shè)計(jì)中主要考慮兩個(gè)問題：1）操作簡(jiǎn)便，界面友好；2）管理和維護(hù)方便，擴(kuò)展性好。監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。所以，我們選擇客戶機(jī)/服務(wù)器模式，以Microsoft.NET Framework 4.0為開發(fā)環(huán)境，MapInfo為GIS開發(fā)平臺(tái)，MapX5.0和Microsoft Visual Studio 2010為開發(fā)工具 ，C#為開發(fā)語(yǔ)言，Microsoft SQL Server 2008為數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具。使用MapInfo軟件實(shí)現(xiàn)城市地圖的繪制，使用MapX5.0控件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端地理位置的顯示。ADO.NET組件將監(jiān)控終端實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)信息存儲(chǔ)在Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。根據(jù)城市照明和燈飾美化系統(tǒng)的管理需求，監(jiān)控中心分為系統(tǒng)管理、報(bào)警管理、控制管理、GPRS管理、查詢管理、時(shí)間管理和關(guān)于7個(gè)功能塊，具有遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)、遙視、自動(dòng)報(bào)警、圖形顯示、數(shù)據(jù)分析、查詢統(tǒng)計(jì)和打印等功能。監(jiān)控中心主界面如圖5所示。

圖4 監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)Fig.4 Schematic diagram of the monitoring center

3.2 監(jiān)控中心功能描述

3.2.1 控制功能

監(jiān)控中心可以根據(jù)實(shí)際需要發(fā)送命令，對(duì)所有監(jiān)控終端或任意選定的監(jiān)控終端進(jìn)行遙信、遙測(cè)、遙控等操作，如：開關(guān)燈設(shè)置、開關(guān)燈時(shí)間設(shè)置、遠(yuǎn)程校時(shí)、巡測(cè)、選測(cè)等。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理及實(shí)時(shí)顯示功能

每個(gè)監(jiān)控終端控制下的8條回路的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后，以直觀的直方圖、曲線和表格的形式提供給操作人員，以便操作人員更加清晰地了解整個(gè)城市照明系統(tǒng)的運(yùn)行情況，為決策提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

3.2.3 電子地圖功能

圖5 監(jiān)控中心主界面Fig.5 Main interface of the monitoring cente

監(jiān)控中心的電子地圖功能把圖形管理和數(shù)據(jù)管理有效的結(jié)合起來(lái)，利用可視化的界面直觀的顯示出每個(gè)監(jiān)控終端的詳細(xì)地理位置和實(shí)時(shí)工作狀態(tài)信息，更加便于操作人員對(duì)監(jiān)控終端的管理和維護(hù)。

3.2.4 自檢、反饋和報(bào)警功能

監(jiān)控終端會(huì)時(shí)刻執(zhí)行自檢程序，當(dāng)監(jiān)控終端發(fā)現(xiàn)有白天非法亮燈、晚上非法熄燈，配電箱電路故障，配電箱非法開門，電壓、電流越限等故障時(shí)，會(huì)立即將報(bào)警信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)反饋給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心收到報(bào)警信息后發(fā)出聲音報(bào)警，并注明發(fā)生此故障的監(jiān)控終端名稱、故障類型與故障處理狀況等信息，同時(shí)將詳細(xì)的報(bào)警原因以短信的方式發(fā)送給維修人員，以保證維修人員對(duì)城市照明系統(tǒng)的及時(shí)維護(hù)。

3.2.5 統(tǒng)計(jì)、查詢、報(bào)表和打印功能

監(jiān)控中心將監(jiān)控終端反饋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，由數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和分類。監(jiān)控中心可以以日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表或根據(jù)實(shí)際需要來(lái)打印任何數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)參數(shù)信息、監(jiān)控終端參數(shù)信息、歷史數(shù)據(jù)記錄、巡測(cè)數(shù)據(jù)、操作事件記錄、值班記錄、報(bào)警信息、執(zhí)行預(yù)案等。并可進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，如亮燈率、故障率、日期時(shí)間等。

3.2.6 斷電保護(hù)功能

監(jiān)控終端具有備用電源，可以保證在交流供電中斷的情況下，監(jiān)控終端仍能正常運(yùn)行，保障監(jiān)控終端可以全天候24小時(shí)同監(jiān)控中心的通信。同時(shí)監(jiān)控中心也配備UPS（不間斷電源），保證主機(jī)能正常工作和與監(jiān)控終端的通信。

3.2.7 安全保護(hù)功能

監(jiān)控中心的操作人員分為超級(jí)管理員、值班管理員、使用者和訪問級(jí)4個(gè)等級(jí)，不同的操作等級(jí)具有不同的操作權(quán)限，這樣可以最大限度的避免誤操作甚至是破壞性操作，提高系統(tǒng)的安全性。

3.3 監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)安全性和被存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，我們選用Microsoft SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具，并選用T-SQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)語(yǔ)言。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)中包含22個(gè)二維表：操作記錄列表、操作人員參數(shù)、故障記錄查詢、故障類型列表、回路參數(shù)列表、回路查詢列表、節(jié)假日參數(shù)設(shè)置、節(jié)假日設(shè)置、節(jié)能參數(shù)設(shè)置、開關(guān)量參數(shù)列表、日出日落時(shí)間、通信查詢列表、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、相位查詢數(shù)據(jù)、執(zhí)行預(yù)案、值班記錄列表、指令查詢列表、終端參數(shù)列表、終端查詢列表、終端分組參數(shù)、終端故障參數(shù)設(shè)置、終端回路開關(guān)燈設(shè)置。監(jiān)控中心通過這些二維表的結(jié)構(gòu)關(guān)系，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，確保整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系圖Fig.6 Database relationship diagram

4 結(jié) 論

該城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)具有友好人機(jī)界面、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理能力和完善的數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，使城市照明系統(tǒng)形成了一個(gè)統(tǒng)一的智能化系統(tǒng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，整個(gè)系統(tǒng)功能豐富、運(yùn)行可靠、實(shí)時(shí)性高、管理維護(hù)方便，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并具有很好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

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