基于GPS控制的路灯照明系统的设计

目录
第一章绪论 (4)
1.1课题研究意义 (4)
1.2国内外研究现状 (4)
1.3本课题设计所要达到的目标 (5)
第二章路灯控制系统的总体结构和设计 (6)
2.1路灯控制系统的总体结构 (6)
2.2系统主要功能 (7)
2.2.1遥控 (7)
2.2.2遥测 (8)
2.2.3遥信 (9)
2.2.4再管理 (9)
第三章系统的硬件设计 (11)
3.1主站结构 (11)
3.2 从站结构 (12)
3.2.1系统子站主监控单元处理器需要完成的任务与各个模块结构说明 (14)
3.2.2系统子站主监控单元的软件编程 (20)
3.3 车辆跟踪定位系统结构 (25)
3.3.1 GPS组成 (25)
3.3.2 巡检维修车辆终端GPS选型及设计 (26)
3.3.3车辆跟踪定位系统中的GIS 应用设计 (27)
3.3.4车辆定位跟踪系统的实现 (30)
3.4通讯子系统结构 (32)
第四章系统的软件设计 (34)
4.1系统软件总体设计 (34)
4.2路灯监控系统软件设计 (34)
4.2.1路灯监控系统软件的组成 (34)
4.2.2软件的运行流程 (35)
4.2.3数据流向 (36)
4.2.4数据处理流程 (36)
第五章总结 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
摘要
路灯照明系统是城市建设不可缺少的公用设施。

路灯照明系统的维护管理水平是整个城市形象和经济发展水平的综合体现。

设计自动化程度高、运行可靠、高效节能的路灯远程监控系统，是城市现代化的必然要求。

基于GPS控制系统的开发与应用，将大大提高路灯照明自动化控制水平，缩短路灯故障处理时间，提高路灯照明设备的利用率，提高人民群众对路灯的满意度，提高人民群众对市政府的满意度。

本文阐述了GPS和GIS系统的应用设计和GPS/GIS与计算机系统集成的解决方案，并且实现了GPS/GIS系统与计算机系统的集成，完成了车辆跟踪定位和城市路灯计算机监控。

本系统由中心控制系统、通信系统、巡检维修车辆定位跟踪系统和监控终端组成。

主要完成路灯的开关灯控制、路灯故障主动报警及GPS
定位抢修、路灯运行数据的采集。

关键词: 全球定位系统，地理信息系统，监控，路灯
Abstract
Street lighting system is indispensable for urban construction of public facilities. Street lighting system management standards to safeguard the image of the entire city and the level of economic development of an integrated embodiment. A high degree of design automation, run a reliable, energy efficient street lighting remote monitoring system is an essential requirement for modern cities.
GPS-based control system development and applications, will greatly enhance the level of automation and control street lighting, street lamps to shorten the processing time for failure to raise the utilization rate of street lighting to improve people's satisfaction with street lighting to improve people's satisfaction with the municipal government .
In this paper, GPS and GIS system design and GPS / GIS and computer system integration solutions, and the realization of the GPS / GIS system and computer system integration, complete vehicle tracking Computer Monitoring and urban street. The system from a central control systems, communications systems, inspection maintenance vehicle location tracking system and monitor the terminal component. Completion of the main street light control switch, street lamps take the initiative to report to the police and failure to repair GPS positioning, data collection run streetlight.
Keyword: GPS,GIS ,automatic monitor，street lamp.
第一章绪论
1.1课题研究意义
传统的路灯控制常采用定时器或光控器，让路灯在规定的时间内亮灭，无法做到与路灯管理室的通信，不便于远程监控和管理。

路灯巡检常采用“晚上巡灯，白天巡线”这种人工方法巡视来获得设备的运行状况，不仅耗费大量的人力和物力，而且实时性很差，处理故障的效率也很低，很难满足现代高亮灯率的要求。

传统的路灯控制、管理已经难以满足现代的要求，同时，城市照明范围日益壮大，管理的难度越来越大。

这种情况下，借助当今先进的电子通讯技术(GPS,GIS 等技术）和计算机技术的路灯计算机控制、监测和管理系统就应运而生，让计算机来自动控制、监测路灯的实际运行状况，及时发现故障路灯便于及时维修，并可以利用计算机强大的分析处理能力来完成节假日控制、半夜灯控制及编程间隔控制以达到节能的目的，可以实现路灯设备的远程计算机化监控管理。

现代化的路灯照明系统是城市建设当中不可缺少的公用设施，是设计自动化程度高、运行可靠、高效节电、使用维护方便的监控系统，是路灯控制与管理现代化的必然要求。

由上述可知基于GPS路灯控制系统将计算机技术、电子通信技术、地理信息系统管理技术相结合引入城市路灯的控制、监测和管理对于路灯的现代化控制管理具有非常重要的意义和社会应用价值。

1.2国内外研究现状
路灯监控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方技系统，通过有线或无线传输式，可以对全市路灯、景观灯箱式变电站、变电柜、控制柜等从站测控系统，集中实现遥测、遥控、遥调“三遥”智能数据采集和监控。

在国外，已经普遍利用电脑控制道路照明，如新加坡、法国、西德和瑞士等国，通过电脑来制定一个自动化程序，使道路照明的启闭与日出、日落密切配合，
节省能源。

而我国的路灯监控系统的发展还处于发展阶段，多数城市路灯的开、关灯控制由每台变压器(配电箱)分散控制，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视、记录和统计。

而路灯管理部门多数采用“人工巡视”的形式，设备的运行状况主要靠白天巡线、夜间巡灯来获得，不仅耗费大量的人力和物力，而且实时性很差，处理故障的效率非常低，很难满足现在高亮灯率的要求。

为了克服这一缺点，从九十年代开始将监控技术应用于城市道路照明领域。

经过十几年的发展，国内已有多种路灯远程监控系统软件投入使用，使得国内几十个城市的路灯管理走向科技化，真正实现路灯“三遥”控制。

1.3本课题设计所要达到的目标
本课题的目标就是通过对路灯行业的现有控制方式的研究，利用GPS、GIS 等软件的应用，提出自己针对当前路灯控制的解决方案和模型，对路灯控制的研究，深入浅出地学习路灯自动控制的技术，研究路灯控制系统软件。

本系统能通过巡查维修车及时定位故障地点对故障进行处理，具有高效处理故障，降低劳动力，降低成本的优点。

第二章路灯控制系统的总体结构和设计
2.1路灯控制系统的总体结构
本系统是GPS/GIS和SCADA 结合的系统，整个系统分为主控中心，路灯监控站点和巡检维修车辆三个部分。

路灯监控站点安装在市区道路路灯变压器或者配电箱处，主要是负责采集路灯线路的电压、电流等工况信息，当路灯监控站点收到主控中心的点名查询时，它把这些工况信息通过自带的Modem和无线电台传到主控中心;当路灯监控站点收到主控中心的其它命令时，路灯监控站点则根据控制命令的内容做相应的动作，比如开灯、关灯、调整站点的工作参数等。

巡检维修车辆负责路灯故障的抢修和维护，在路灯线路出现工作异常的情况的时候，主控中心查询巡检维修车辆的位置，并且通知离故障站点最近的一辆巡检维修车辆去负责维修路灯线路，巡检维修车辆上装有全球定位仪，全球定位仪在巡检时不间断地接收GPS卫星的信号，并且把含有本车地理位置的信号通过随车电台传送到主控中心的电台，主控中心的无线Modem再把这些模拟信号转换为数字信号传给主控计算机，主控计算机收到这些地理位置的信号后把这些数据交给监控软件的车辆跟踪定位系统分析处理，然后在车辆跟踪定位窗口显示巡检维修车辆的地理位置供操作员决定派遣哪辆巡检维修车辆去现场维修。

主控中心是整个系统的指挥和数据处理中心，它通过无线电台和Modem向路灯监控站点提取路灯电路的电压/电流值和路灯监控站点的工作数据，并且把这些数据作为主控中心计算机软件的数据来源，对其进行处理，同时，主控中心根据各种系统规则对路灯监控站点进行智能控制，实现路灯系统的计算机管理控制。

系统的总体结构如图2-1所示
投影屏幕备份控制机投影仪
应用程序服务计算机数据库服务器
打印机电台
光敏探测器观察机观察机主控中心
主控机子站点1
路灯站点
子站点2
子站点n
巡警车辆
图2-1 系统的总体结构
2.2系统主要功能
2.2.1遥控
由控制中心计算机按当地标准开关灯时间和照度计无线控制各站点路灯的开/关，也可手动遥控或在现场直接设置开关状态。

每一天的标准开关灯时间根据当地的经纬度和海拔确定。

标准关灯时间是日出时刻，太阳在地平线开始露出一点，又称之为晨光始。

标准开灯时间是日落时刻，太阳完全落入地平线以下，又称为昏影终。

这些时间预先计算好并存入数据库中。

如果天气是理想的晴天，按照标准开关灯时间控制位于地势平整的露天环境的路灯就可以满足需要。

可是天气会有变化，这就使得系统需要依靠照度计来调整开关灯时间，在光照强度不足时提早打开路灯或者延迟关闭路灯。

可从微机或总控台发出校对命令，校准各
从站单片机系统的内部实时钟.亦可重新设置每天开关灯时间。

各从站单片机系统中存有昨天的实际开关灯时间.如不重新设置，则在总控台失控情况下.各从站仍按昨天的实际开关灯时间执行路灯的开关控制。

(1)系统时钟管理
整个监控系统要求主站与所有从站时钟是一致的，操作时间表才有意义。

主站端设计有GPS接收卫星时钟保证主站时间的准确性各从站时钟校时方案:通过主站发送校时命令统一各从站时钟，这种方法受通讯实时性影响只有秒级误差。

(2)单点操作功能
每个从站是一个点，在主站可对一个点进行各种操作，如:开灯、关灯、读取数据，下载精确时间、下载基本信息等等。

(3)分组操功能
系统可以按照各种原则分组，主站可以以组为单位操作。

可以按街道、行政区、亮化灯、线路、节日彩灯等式分组，各组可以有不同的参数，开关时间表。

可以选择不同的控制方式，控制某些组临时开灯、关灯。

(4)整体操作功能
全市的路灯可以同时开、关操作。

这是最常用的操作模式。

主站同时发出控制命令控制。

这种方式也可以用于紧急事件处理。

采取的方式是主站下载相同的时间表和时钟信息到各从站，由各从站按时间表自动控制。

可实现全市路灯、景观灯齐亮齐灭的壮观景象。

2.2.2遥测
巡检或随机检测各站点路灯线路的电压、电流等路灯参数。

随机检测从站路灯线路的参数，只需要监控中心给从站发送相应的命令(以一个命令帧的形式)，从站处于监听的通信模块收到这个命令后将它最近采集到的参数传给主站，主站对收到的参数进行分析处理，并把这些数据作为站点的历史信息存入数据库。

而巡检就是在无人鉴控的时间段，监控中心按预先设定的时间间隔，不断的按一定顺序查询所有或符合一定条件的从站状态。

在这个过程中，将各从站当前线路上的电压、电流数据及运行状况采集到微机中进行判别、存贮，发现运行故障即通过模拟屏与机箱喇叭进行报警。

监控中心的计算机屏幕上可以动态显示最近被查
询站点的路灯工况和参数。

2.2.3遥信
各站点开关状态和故障信息的获取。

与站点线路的运行参数类似，站点的开关状态和故障信息也可以用相似的方法传给主站。

为了及时发现路灯故障，从站现场需要装备一些特定的传感器监测特定的不一定反映在电流电压上的故障，比如路灯灯杆倾斜。

当发生故障时监控系统就可以迅速发出警报。

2.2.4再管理
监控中心的数据库中包含了站点的位置、路灯盏数等站点信息和站点运行的历史数据，可以方便的对这些数据进行管理。

(1)系统运行数据的历史记录
通过曲线显示，是数据统计、分析系统运行状况的依据。

如:分析开灯时启动过程的各种数据，分析出是否有改进的必要性和方法;分析整个亮灯时间各种数据，研究出节约电能、延长灯泡使用寿命的方法。

(2)统计、报表功能
统计运行管理的重要内容，而且不同的地区统计内容和方法也不尽相同，以下列出部分统计的内容。

(a)按高压线路所属公司统计:可以按高压线路所属不同的供电公司统计出电量
等数据，作为电费结算的依据。

(b)按高压线路所属站统计:以变电站供路灯照明线路为统计单位，可以统计出电
量、电压等数据。

(c)按高压线路统计:统计一条高压线路上所有路灯的工作情况，
(d)按变压器统计:统计一台变压器所有路灯的工作情况。

(e)按分组方式统计:以分组为统计单位，可以统计出节日彩灯及景点用电、运行
情况等数据。

这种统计可能跨越供电公司、变电站等供电体制。

(f)按责任区域统计:统计路灯运行队工作人员负责区域内设备的故障率、运行时
间等数据，重点是提高运行质量。

(g)按道路统计:统计沿某条道路照明的路灯运行情况，这种统计可能会跨供电公
司、跨变电站。

分析运行质量，找出薄弱环节提高服务水平。

(h)按设备类型统计:对某品牌的设备统计运行状况，分析设备的质量，为以后的
订货管理提供依据。

(3)操作权限管理
为了操作安全，系统分为四级权限管理，系统管理员、值班长、值班员、普通浏览。

系统管理员可以修改系统数据(权限管理、地理信息数据、报表数据、通讯分组管理等)。

不能修改运行参数(分组方案、定时时间表等)，不能进行控制操作(从站开灯、关灯等)。

值班长可以修改运行参数、可以进行控制操作、不能修改系统数据。

值班员可以进行控制操作、不能修改系统数据、不能修改运行数据。

普通浏览只能浏览运行情况，不能进行任何修改、控制操作。

进行相应的操作时需要输入密码确认，系统自动记录操作人员的姓名和操作内容，存入操作记录。

也可以通过条码读码器输入密码。

此方法作为选件，每个有操作权限的人员制作一张条码卡，每个操作服务器增加一台条码读码器。

第三章 系统的硬件设计
3.1主站结构
主站的组成结构示意如图3-1所示。

中央控制室中的很多计算机由一个局域网相连接。

两台工控机同时运行监控程序，以达到热备份的目的。

一台工控机为主控制机，负责对系统的管理和维护，而另一台机器为后备控制机，平时只是监测主控制机的运行动作，如给从站发出的命令和给数据库服务器发送的数据。

当主控制机发生故障时，后备控制机能够迅速监测到这种故障状态并接替主控制机的工作，以保证整个系统能够继续正常运行;同时向用户发出警报，提醒用户迅速的对故障进行相应的处理。

数据库服务器上运行SQL Server2000，为监控程序提供数据服务。

主站的控制命令帧通过调制解调器发送到电台，再通过通信塔发送给从站。

从站的应答帧也通过反向的路径传到工控机。

无线网络
传输媒介
2 U 电台调制解调器器
工控机
集线器
数据库
服务器通信
塔中央控制室
图3-1 主站的组成结构
3.2 从站结构
从站的组成结构示意如图3-2所示。

各从站测系统采用模块化结构，将智能电表(电力部门认可的标准计量设备)，测量单元、电源单元、控制单元、调压单元、通讯单元、CPU及接口单元等分别以独立的卡件形式制作成相应的功能模块。

在不同的应用场合采用不同的配置，实现带电拔插更换，提高系统可靠性，方便安装、维护.
从站由一个电路板和相连的控制柜组成。

电路板上面装有一个单片机或者是DSP(根据各个城市的需求而定)和它们的外围电路，以及传感器、调制解调器，是否包含发射模块与从站是否配备有独立的电台相关。

控制柜中装有交流接触器，控制端与电路板的控制电路相连。

传感装置取得从站现场的状态信息，包括一些检测特殊故障状态(比如停电故障)和各相电流电压以及各个支路的电流值大小。

这些模拟量经过A/D转换和编码后成为从站的运行数据，然后打包成一个数据帧，通过板载的调制解调模块和发射模块或者电台发给主站。

当从站收到主站的控制信息，比如要求开关某一支路的路灯时，从站通过
Jl-J4四个触点控制交流接触器为接通状态。

从而实现对从站现场的运行状态的控制。

无线网络
传输媒介
路灯/亮化
现场
电台RTU
图3-2 从站的组成结构
根据用途划分从站可以分成路灯从站景观灯从站;根据规模划分从站可以分成箱式变电站从站、变电柜从站。

各从站基本配置相同，如智能电表配置，开关模块配置。

而调压模块、测量模块配置根据实际情况增减。

当变电站发生重合闸
等类似事故，会出现从站测控系统断电情况。

当恢复供电时从站自动恢复到断电前的工作状态。

因此，从站测控系统设置了SRAM，保存年时间表、日时间表，路灯的基本配置信息、开关状态等数据，可以保存10年。

从站设计了现场维护接口，在现场可以通过笔记本电脑或手持通讯装置以及移动车载数传电台监视主站与从站通一讯过程，监视运行的实时数据和模块状态，读出时间表等功能。

监控终端主要功能:
监控终端采用优化的自动校准、自动跟踪、交流采样技术，可以实现免调节、免维护、免校准，保证长期稳定性。

1 . 开关灯控制功能:对整条线路进行统一开关灯控制 ( 线控)，对单灯进行独立控制 ( 点控) 。

2 . 路灯运行数据采集功能: 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。

3通话功能: 监控终端数传电台可以插入麦克，与控制中心或路灯维修车通话联络，通过此方式路灯维修人员可以随时随地互相联络，很大的方便了工作。

4 . 远方复位功能: 监控终端因意外情况出现异常时，可以接受控制中心的远方复位命令，监控终端程序初始化，重新运行，提高了系统的可靠性。

5 . 无线数据通信功能: 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。

6 . 故障自动上报功能:当检测到停电、白天亮灯、夜晚灭灯、电缆被盗等严重故障时，自动向控制中心发出警报，从而保证故障响应的实时性。

7输出状态显示功能: 监控终端各输出继电器的位置状态、各遥测信号输入状态均有灯光指示。

8 . 显示和按键功能: 可以在现场显示设备运行状态参数，现场置入监控终端运行参数。

3.2.1系统子站主监控单元处理器需要完成的任务与各个模块结构说明
除了12C总线连接的A/D模块和I/O模块是相对独立的以外，其他的部分构成了主监控单元。

主监控单元的具体框图为下图所示:
电源模块
RS458或音频模块单片机（主
处理器）CPLD接
口模块
扩展RAM
通讯模块
FLASH数
据储存器
A/D模块
I/O模块
时钟模块
键盘与
显示器图3-3 主监控单元硬件框图
(1)用CPLD设计制作了一个数据采集“协处理器”，它替代了单片机的一部分功能，集成了12C总线控制器，主要通过它采集来自于A/D模块和I/O模块的一帧数据，并且把它保存到寄存器中，同时申请CPU中断.扩展RAM的主要功能是保存至少1K的数据，与FLASH存储器进行数据交换。

扩展RAM的另一个用途主要是因为8251系列单片机的内置RAM容量太小。

(2)电源模块的主要功能是提供220V交流电源到+5V，-5V的工作电源，同时它也分别提供1到2片A/D模块和I/O模块的电源，因此在所能提供的功率上预留比较大。

在冬季比较寒冷的地区本系统设计了电阻加热装置，以保证系统最低的工作温度，这部分电源也需要从电源模块部分得到。

(3)独立时钟模块主要是提供系统控制所需要的时间，DS1302是美国DALLAS公司推出的12C总线接口实时时钟芯片，它可独立于CPU工作，不受CPU主晶振及
其电容的影响，且计时准确，月累积误差一般小于10秒.芯片还具有主电源掉电情况下的时钟保护电路，DS1307的时钟靠后备电池维持工作，拒绝CPU对其读出和写入访问。

同时还具有备用电源自动切换控制电路，因而可在主电源掉电和其它一些恶劣环境场合中保证系统时钟的定时准确性。

DS1302具有产生秒、分、时、日、月、年等功能，且具有闰年自动调整功能。

同时，DS1302芯片内部还集成有一定容量、具有掉电保护特性的静态RAM，可用于保存一些关键数据。

(4)通讯模块:通讯模块是可以自动识别RS485信号或者音频信号，自动切换到相应的波特率上，RS485最大支持到9600bps，音频调制最大支持到1200bps. (5)FLASH数据存储器，子站是一个相对独立的控制模块，在没有主站的情况下，子站能够根据自身的控制时刻表和控制属性表去施行对I/O模块的控制任务。

因此FLASH模块里面所需要存储的数据是能够被动态改变的:口，年的开关灯时刻表;被控支路的定义属性;节能属性；PT，CT值；子站机器号码；32路模拟量的24小时*60分钟的采样录波数据;
综上所述，CPU的功能就是调度和连接这些模块，其中最主要的功能就是判断时刻去产生控制命令，保持与上位机的通讯，上发给上位机的采样的数据或者接受执行上位机下传的命令。

当然数据的保存工作、数据上传时的打包、下传数据的解码等等一系列的事务都是主CPU完成的。

3.2.1.2系统子站主监控单元设计中所使用的几个技术的说明
在系统子站主监控单元的设计中，根据系统的设计要求，需要用12C进行A/D，I/O模块与系统子站主监控单元的数据连接。

在其中使用CPLD集成一些外围逻辑接口芯片和12C总线控制器以及一些逻辑生成数据采集协处理器替代单片机的一些功能;使用FLASH芯片进行采样数据和配置数据的保存;在系统掉电时的处理方法等等技术，以下就做出技术使用说明。

3.2.1.3用CPLD设计数据采集协处理器和逻辑接口芯片集成
CPLD在本系统中的引入主要有几个方面的考虑:
(1)整合多个逻辑接口芯片，使得整个系统的硬件设计简单化。

(2)从控制系统的要求来看，需要一些接口电路，使用CPLD可以是使分立元件尽可能地少用，并且能够比较宽松的更改设计，以达到硬件快速升级的目的。

(3)保护知识产权的角度来看，使用CPLD可以隐藏设计中的一些关键部件，达到。