先進路燈智能控制系統(tǒng)方案

1、目 錄1項目概述41.1智能控制系統(tǒng)主要功能41.2智能控制系統(tǒng)優(yōu)點52智能控制系統(tǒng)的功能原理63智能控制系統(tǒng)的組成63.1智能控制系統(tǒng)監(jiān)控中心服務器及其后臺管理軟件63.1.1概述63.1.2服務器解決方案73.2智能控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制柜73.2.1主控板83.2.2GPRS/GSM模塊113.2.3三相電參數(shù)數(shù)據(jù)綜合采集模塊123.2.4漏電保護單元133.2.5柜體門開關檢測裝置143.2.6柜體溫度檢測與散熱裝置143.2.7光控裝置163.2.8開關電源AC-DC161 項目概述1.1 智能控制系統(tǒng)主要功能本方案采用無線通訊方式來遠程監(jiān)控路燈控制箱，設備安裝完成后，不需要到達現(xiàn)場即可實

2、現(xiàn)控制與監(jiān)控的目的。以GPRS/GSM功能技術為核心，控制柜通過GPRS網(wǎng)絡和管理中心進行通訊，接收管理中心的命令。該系統(tǒng)的主要功能有遠程控制通信功能、多種方式開關燈控制功能、故障監(jiān)測報警功能、三相電參數(shù)數(shù)據(jù)采集顯示功能、漏電保護功能以及后臺軟件管理功能。1. 多種方式開關燈控制功能系統(tǒng)的開關燈控制功能主要有四種1) 遠程控制開關燈，管理中心通過GPRS網(wǎng)絡對系統(tǒng)進行校時，可以單獨設置兩組路燈的開、關時間，路燈實現(xiàn)定時自動開關；另外無論管理人員在何時何地可以通過短信的方式實現(xiàn)燈的開、關。2) 光控開關燈，通過現(xiàn)場光環(huán)境的強弱，系統(tǒng)自動開關燈，節(jié)約電能，另外對于陰雨天氣，能夠提高路況的安全性。3

3、) 手動開關燈，現(xiàn)場人員可以通過系統(tǒng)預留的按鍵實現(xiàn)開關燈，避免人接觸強電，降低操作的危險系數(shù)。4) 具備緯度自動調整功能，設定的開關時間可隨季節(jié)的變化進行自動調整。2. 遠程控制通信功能遠程控制通信功能通過GPRS/GSM功能技術為核心，采用ZLG公司的WZG-28A無線模塊，該模塊具備GPRS以及短信收發(fā)兩種功能。3. 故障在線監(jiān)測報警功能系統(tǒng)可以通過GPRS網(wǎng)絡遠程將監(jiān)測的故障信息傳輸至管理中心，方便檢修。4. 三相電參數(shù)數(shù)據(jù)采集顯示功能系統(tǒng)采用三相電參數(shù)數(shù)據(jù)采集模塊，通過485總線可以有效的采集到三相電壓、電流、電能、有功功率、無功功率、功率因數(shù)(據(jù)此可以建議客戶增加補償裝置)。5. 漏

4、電保護功能系統(tǒng)關于漏電保護功能，可根據(jù)實際情況管理人員通過后臺軟件可設置漏電電流的閾值以開啟保護、報警。6. 后臺軟件管理功能管理中心可放置一臺工控機，預裝潤澤公司自主研發(fā)的后臺管理軟件，以便管理中心能夠實時控制現(xiàn)場路燈的運行模式、監(jiān)控路燈的運行狀態(tài)以及各種監(jiān)測各種故障信息方便維護人員維護。系統(tǒng)控制功能示意圖如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)控制功能示意圖1.2 智能控制系統(tǒng)優(yōu)點采用照明無線遠程控制系統(tǒng)以后，全市范圍的全夜燈、半夜燈和景觀燈的開/關均可實現(xiàn)自動控制。同時，由于照明自動化系統(tǒng)具有自動報警功能，調度人員可以在故障發(fā)生后的數(shù)秒鐘內(nèi)及時了解故障的地點和狀態(tài)，為及時進行修復提供了有力的保障。無線照

5、明監(jiān)控系統(tǒng)能提高開/關燈的可靠性和可檢查性，避免白天亮燈情況的出現(xiàn)；同時，系統(tǒng)采用光控和時控相結合的控制方案，在預置的時間區(qū)段內(nèi)根據(jù)光照度決定路燈的開或關，既能在陰雨天自動延長照明時間，又能在晴好天氣自動縮短照明時間；這些措施既可滿足市民對道路照明的需求，又避免了路燈的無謂開啟，減少了開燈時間,從而節(jié)約了大量的電能。2 智能控制系統(tǒng)的功能原理本方案采用無線通訊方式來遠程監(jiān)控路燈控制箱，設備安裝完成后，不需要到達現(xiàn)場即可實現(xiàn)控制與監(jiān)控的目的。以GPRS/GSM功能技術為核心，控制柜通過GPRS網(wǎng)絡和管理中心進行通訊，接收管理中心的命令。管理中心實現(xiàn)一個智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對路燈的分時開關控

6、制，故障信息的檢測，各種信號采集遠程測量等功能。智能控制原理框圖如圖2所示。 圖 2智能控制原理框圖3 智能控制系統(tǒng)的組成智能控制系統(tǒng)的組成主要包括兩部分：智能控制系統(tǒng)監(jiān)控中心服務器及其后臺管理軟件、智能控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制柜。3.1 智能控制系統(tǒng)監(jiān)控中心服務器及其后臺管理軟件3.1.1 概述路燈的監(jiān)控方式有以下兩種：1) 手機方式：通過給路燈控制箱發(fā)送一條包含設置信息的短息即可?？刂葡涫盏皆O置短信后，把設置信息保存起來，進行定時控制路燈。用戶還可以通過短信對路燈控制箱進行系統(tǒng)校時，防止錯誤時間閉、合路燈。短信業(yè)務具有應用方便、操作簡單、費用低等優(yōu)點，在越來越來多的分散式、不易布線的監(jiān)控系統(tǒng)中已經(jīng)

7、得到廣泛的應用，但是短信的方式有5-10s的延時控制，這是短信控制的缺點。1) 服務器方式：用我們提供的上位機軟件(路燈管理中心)，用戶只要在相應的應用窗口對控制柜校時，同時可以對路燈的閉、合時間進行設置，上位機通過GPRS與現(xiàn)場路燈控制柜通訊，控制柜收到信息、保存信息、完成系統(tǒng)校時等操作?，F(xiàn)場控制柜通過GPRS網(wǎng)絡將現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳送至管理中心,用戶可通過上位機軟件實時查看現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)信息。3.1.2 服務器解決方案路燈控制器和監(jiān)控主機采用TCP/IP通訊方式，監(jiān)控主機通過網(wǎng)關連接到互聯(lián)網(wǎng)，路燈控制器通過GPRS通訊方式連接到互聯(lián)網(wǎng)。服務器通信方案如圖3所示。圖3 服務器通信方案示意圖路燈控

8、制器通過GPRS連接到互聯(lián)網(wǎng)，由于移動信號是不穩(wěn)定的，它所獲取的IP地址也是變化的。監(jiān)控主機處以企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡中，有比較好的網(wǎng)絡環(huán)境（固定IP、穩(wěn)定的網(wǎng)速）。所以監(jiān)控主機在TCP/IP通訊過程中擔任服務器的角色，路燈控制器在聯(lián)網(wǎng)后，主動和服務器進行通訊連接。監(jiān)控主機是在企業(yè)網(wǎng)絡內(nèi)部，由于有網(wǎng)關的存在，外部不能直接與其建立通訊連接。一般來說，解決的辦法是在網(wǎng)關上給監(jiān)控主機設置端口映射。例如：網(wǎng)關的IP地址為1.2.3.4，監(jiān)控主機的內(nèi)部IP地址是192.168.1.2，監(jiān)控主機的端口60002作為服務器端口。在網(wǎng)關1.2.3.4上設置8012（或者其它用不到的端口）映射到192.168.1.2的6

9、0002，那么路燈控制器只要訪問1.2.3.4:8012，就可以間接訪問到192.168.1.2:60002，TCP/IP通訊方式得到建立。所以需要向網(wǎng)絡中心，申請在網(wǎng)關上添加一個端口映射。3.2 智能控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制柜智能控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制柜主要由主控板、GPRS/SMS模塊、三相電參數(shù)數(shù)據(jù)綜合采集模塊、漏電保護單元、柜體門開關檢測裝置、光控裝置、溫度檢測裝置、串口顯示屏、開關電源AC-DC構成。系統(tǒng)主要構成框圖如圖4所示。圖4 系統(tǒng)主要構成框圖3.2.1 主控板1. 主控板的主要功能 與ZWG-28A通信（主、從方式），解析短信內(nèi)容，根據(jù)相應的命令做相應的處理，還有對GPRS數(shù)據(jù)的收發(fā)控制。

10、 實時監(jiān)測電網(wǎng)漏電電流，一旦檢測到漏電電流，主動向用戶手機發(fā)送報警信息（短息方式）。 閉/合控制路燈的開關 與三相點參數(shù)數(shù)據(jù)綜合采集模塊通信，讀出三相電電壓、電流、電能、有功功率、無功功率、以及功率因數(shù)等。 檢測柜門開關狀態(tài)，為控制中心提供柜門狀態(tài)信息。 檢測柜體內(nèi)部溫度，驅動散熱風扇，為控制柜的正常運行提供保障。 與串口屏通信，顯示屏顯示各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息以及開關燈時間。主控板的功能原理圖如圖5所示圖52. 主控板的組成與選型主控板由單片機（CPU）、RS-232通信接口、RS-485接口、AD前端處理電路、繼電器、時鐘電路，電源芯片等模塊組成。1) CPU選型單片機采用ST公司的STM32f

11、103VB芯片，STM32F103xx中等容量增強型系列，整合了工作頻率為72MHz的高性能ARM Cortex-M3 32位RISC內(nèi)核、高速嵌入式存儲器(多達128K字節(jié)的Flash存儲器，和20K字節(jié)的SRAM存儲器)，和大量連接至2條APB總線的增強型I/O與外設。 所有型號均帶有2個12位ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，以及標準與高級通信接口：2個2IC和SPI接口、3個USART接口、1個USB接口和1個CAN接口。器件的工作電壓為2.03.6V。 工作于40+85C的溫度范圍和40+105C的擴展溫度范圍。本設計需要用到主要涉及單片機內(nèi)部AD采樣，多路串口做RS-

12、232以及RS-485通信，一路IIC通信接口，STM32完全滿足設計需求，另外該芯片性價比非常高，所以采用STM32作為CPU。2) RS-232通信接口考慮到主控板的CPU工作電壓為3.3V所以采用MAX3232作為RS-232的電平轉換芯片，保障RS232通信接口的可靠運行。MA3232采用專有低壓差發(fā)送器輸出級，利用雙電荷泵在3.0V至5.5V電源供電時能夠實現(xiàn)真正的RS-232性能，器件僅需四個0.1uF的外部小尺寸電荷泵電容。max3232確保在120kbps數(shù)據(jù)速率，同時保持RS-232輸出電平。3) RS-485通信接口RS-485通信接口電路采用模擬器件公司的ADM2587E

13、。該器件的產(chǎn)品特性如下： 隔離室RS-485/RS-422收發(fā)器，可配置為半雙工或全雙工 集成isoPower的隔離式DC-DC轉換器 RS-485輸入/輸出引腳提供15kV ESD保護 符合ANSI/TIA/EIA RS-485-A-98和ISO 8482:1987(E)標準 ADM2587E數(shù)據(jù)速率：500kbps 5V或3.3V電壓供電 總線最多支持與256個節(jié)點連接 開路和短路電路，故障保護接收器輸入 高共模瞬變抗擾度：25kV/us 熱關斷保護 工作溫度：-40到+85 高集成度，20引腳，寬體SOIC封裝4) AD前端處理電路AD前端處理電路主要包括漏電電流0-1ma的小電流采樣、

14、小電流信號放大、低通濾波器、交流信號轉直流信號等電路組成0-1ma小電流采樣采用一顆精密的51歐姆采樣電阻，將電流信號轉換成電壓信號。小電流信號放大、低通濾波器以及交直流信號轉換電路等全部采用Op07芯片。A. OP07功能介紹：OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于Op07具有非常低的失調電壓(對于OP07最大為25uV)，所以OP07在很多場合不需要額外的調零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低(2nA)和開環(huán)增益高(300V/mV)的特點，這種低失調、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益測量設備以及放大傳感器的微弱信號等方面。B. OP07特點： 超

15、低偏移：150uV最大 低輸入偏置電流：1.8nA 低失調電壓漂移：0.5uV/ 高電源電壓范圍：3V至22V5) 時鐘電路主控板采用DS3231作為系統(tǒng)的實時時鐘控制芯片。DS3231是低成本、高精度IC實時時鐘(RTC)，具有集成的溫補晶振(TCXO)和晶體。該器件包含電池輸入端，斷開主電源時仍可保持精確的計時。集成晶振提高了器件的長期精確度，并減少了生產(chǎn)線的元件數(shù)量。RTC保存秒、分、時、星期、日期、月和年信息。少于31天的月份，將自動調整月末的日期，包括閏年的修正。時鐘的工作格式可以是24小時或帶/AM/PM指示的12小時格式。提供兩個可設置的日歷鬧鐘和一個可設置的方波輸出。地址與數(shù)據(jù)

16、通過IC雙向總線串行傳輸。DS3231的主要特性： 0C至+40C范圍內(nèi)精度為2ppm -40C至+85C范圍內(nèi)精度為3.5ppm 為連續(xù)計時提供電池備份輸入 工作溫度范圍l 商用級：0C至+70C l 工業(yè)級：-40C至+85C 低功耗 實時時鐘產(chǎn)生秒、分、時、星期、日期、月和年計時，并提供有效期到2100年的閏年補償 兩個日歷鬧鐘 可編程方波輸出 高速(400kHz) IC接口 工作在3.3V 數(shù)字溫度傳感器輸出：精度為3C6) 繼電器繼電器采用松下繼電器JW2SN-DC12V，觸點12VDC，負載250VAC/5A。7) 電源芯片由于系統(tǒng)的工作電壓為3.3V，所以采用LM1117將開關電

17、源提供的5V電壓轉化為系統(tǒng)的工作電壓。LM1117是一款低壓差線性穩(wěn)壓電源芯片，可提供最大800mA的電流輸出，LM1117完全滿足STM32及其整個主控板涉及的相關電壓電流需求。3.2.2 GPRS/GSM模塊GPRS/GSM模塊采用廣州周立功公司的ZWG-28A模塊。ZWG-28A 是一款基于 GPRS網(wǎng)絡的無線數(shù)據(jù)傳輸終端設備，提供全透明數(shù)據(jù)通道，可以方便的實現(xiàn)遠程、無線、網(wǎng)絡化的通信方式。最主要的是該模塊支持GPRS與SMS兩種通信方式，整個系統(tǒng)設計能夠得到簡化。1. 產(chǎn)品特性： 大緩存區(qū)設計(收發(fā)各30KB)，采用動態(tài)劃分技術，提高緩存區(qū)使用效率 最多可緩存480幀數(shù)據(jù)(每幀64B)

18、，適合小數(shù)據(jù)幀快速連續(xù)傳輸 每幀可設置為1024B長度(緩存30幀)，適合大數(shù)據(jù)量連續(xù)傳輸 使用西門子工業(yè)級GPRS模塊，內(nèi)嵌可靠協(xié)議棧 6V-26V寬范圍供電 具備設備電源關斷功能。方便用戶控制 數(shù)據(jù)全透明傳輸，用戶無需了解復雜的TCP/IP、PPP協(xié)議 支持數(shù)據(jù)中心動態(tài)域名或者IP地址訪問 支持備用數(shù)據(jù)中心 支持APN虛擬專網(wǎng)業(yè)務 支持永遠在線、空閑下線和空閑掉電三種工作方式 支持短信和電話喚醒功能 支持斷線自動重連功能 支持連接實際可控功能，節(jié)約流量 支持本地和遠程圖形化界面配置和維護 支持短信配置和維護 支持本地遠程固件升級 支持數(shù)據(jù)中心虛擬串口功能，無縫銜接現(xiàn)有上位機軟件 多重軟硬件

19、可靠設計，復合式看門狗技術，使設備安全運行2. 性能參數(shù)如表1所示參數(shù)名稱參數(shù)備注網(wǎng)絡類型GPRS移動站類型CLASS BGPRS多時隙類型CLASS 10頻段900/1800MHZGPRS網(wǎng)絡傳輸速率下行：最大：85.6Kbps上行最大：42.8Kbps編碼方式CS-1、CS-2、CS-3、CS-4SIM卡電壓3V、1.8V天線接口50/SMA（母頭）串口電平類型RS-232標準電平串口接口類型端子串口波特率300-115200bps支持標準波特率適配電源DC：+6V-26V標準適配器：+6.3V/2A功耗工作：最大380ma待機：80ma空閑：80ma掉電：80ma工作溫度-25-+80存

20、儲溫度-40-+80濕度范圍0-95%非冷凝表13.2.3 三相電參數(shù)數(shù)據(jù)綜合采集模塊三相電參數(shù)數(shù)據(jù)綜合采集模塊采用力創(chuàng)的采集模塊EDA9033E。EDA9033E的功能特點：EDA9033E 系列模塊是 EDA9033A 模塊的升級替代產(chǎn)品，增加了四象限有功、無功功率的測量，頻率測量，正反向有功無功電能的計量，及顯示驅動接口。 EDA9033E模塊是一智能型三相電參數(shù)數(shù)據(jù)綜合采集模塊； 三表法準確測量三相三線制或三相四線制交流電路中的三相電流、三相電壓（真有效值） 、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、正反向有功電度、正反向無功電度等電參數(shù)。 其輸入為三相電壓（0500V） 、三相電流（01

21、000A） ；輸出為 RS-485 或 RS-232 接口的數(shù)字信號，支持的通訊規(guī)約有3種： （ASCII碼）研華ADAM兼容通訊協(xié)議、十六進制LC-02協(xié)議、MODBUS-RTU。 EDA9033E 模塊是一款高性價比的智能電參數(shù)變送器，他能替代過去的電流、電壓、功率、 功率因數(shù)、電量等一系列變送器及測量這些變送器標準輸出信號的模入模塊，可大大降低系統(tǒng)成本，方便現(xiàn)場布線，提高系統(tǒng)的可靠性。 其485 總線輸出與兼容于 NuDAM、ADAM 等模塊的 ASCII 碼指令集，使其可與其他廠家的控制模塊掛在同一485總線上，且便于計算機編程。EDA9033E典型接線圖如圖6所示：圖6 EDA9033E典型接線圖3.2.4 漏電保護單元漏電保護單元包括在三相電進線處安裝一個零序電流互感器，當漏電發(fā)生時，零序電流互感器有信號輸出經(jīng)過主控板上AD前端處理電路處理，然后接入STM32內(nèi)置AD，當數(shù)據(jù)大于一定值時候，CPU立即響應進行漏電保護動作并通過GPRS網(wǎng)絡向管理中心報警。漏電保護單元的零序電流互感器采用鉑晶電子科技有限公司的CT510300系列零序互感器，它有以下特點：1) 產(chǎn)品主要應用在主干路電流小于160A的環(huán)境中。2) 極優(yōu)的平衡特性,擬合電流偏離窗口中心位置輸出一致性小于0.5%。3) 高輸出線性度，輸出小于0.5V時,整個采樣范圍內(nèi)線性優(yōu)于