基于GPRS和PLC的远程路灯监控系统设计

1 GPRS技术简介
    GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)是一种基于第二代移动通信系统GSM的无线分组交换技术，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS的传输速率最高可达171．2 kbps，实际应用中的平均速率也高达53．6kbps。GPRS为移动用户和数据网络之间提供连接，为移动用户提供高速无线接口和X．25服务。GPRS采用数据分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以有多个用户共享，因而资源被有效利用。用户永远在线，按流量计费，降低了服务成本。
    利用GPRS进行数据传输具有如下的优点：
    ①接入范围广。GPRS是在现有的GSM网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以方便、快速、低成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部署。
    ②传输速率高。理论值最高可达171．2 kbps，是当前GSM网络中电路数据交换业务速度的十几倍。下一代GPRS业务的速度甚至可以达到384 kbps，完全可以满足用户应用需求。
    ③登陆快捷。GPRS接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为2 s。
    ④永远在线，提供实时在线功能。“实时在线”或“永远在线”即用户随时与网络保持联系。即使没有数据传送，终端也一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、快速。
    ⑤按流量计费。用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，按照用户接收和发送数据包的数量计费。没有数据流量时，用户即使挂在网上也不收费。
    ⑥切换自如。用户在进行数据传送时，不影响语音信号接收。数据业务和语音业务的切换有自动和手动2种方式，具体形式依据不同终端而定。

2 系统总体结构
    按照路灯远程测控系统的设计要求和要实现的功能，将系统大体分为中央控制室、集中控制器和路灯控制器3层网络结构。系统的总体结构如图1所示。

    第1层中央控制室是l台PC服务器，负责整个城市路灯的监控；第2层集中控制器负责一条街上全部路灯的控制；第3层路灯控制器负责同一灯杆上的所有灯具。其中，l层与2层之间使用了GPRS无线通信网，这两层之间距离远，虽然通信成本较高但通信成员少。2层与3层应用了窄带电力线载波通信技术，利用现有的电力线传输信号，不用另外铺设线缆，几乎没有运行成本，特别适合通信对象多的情况。
    另外，本设计还具有电量计量等功能，由电压互感器和电流互感器对各路段路灯的电力参数进行实时采集，将采集到的数据进行分析和存储，或者通过监控中心的巡检把现场各路段工作参数(包括电压电流开关量等)传回监控中心。监测终端能自动检测到跳闸、断路、电压异常、供电故障、开关灯控制异常等突发事件，并及时将告警数据上传监控中心，以供监控中心值班人员及时了解情况做出处理。GPRS通信网络是监控中心与无线数据采集监测终端的数据传输通道，选用固定IP地址方式通过GPRS网络将所采集到的工作参数主动、及时地上传到监控中心。

3 系统硬件设计
3．1 GPRS发送模块电路设计
    GPRS模块主要实现无线上网的功能。市场上有一些成熟的产品，譬如说Sony／Eircsson公司的M47c、Simens公司的MC35等。这里选用Cello公司的CMS91，它是一种双频段GSM／GPRSlO级模块，主要优点有低功耗、接口简单、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS10、开发多媒体应用、价格较低等。同时，它也提供SMS(短消息服务)和语音功能。GPRS模块提供RS232接口，可以通过它来完成对模块的控制，譬如拨号和切换模式等。一旦通过模块连接上Internet，采集到的数据就可以用TCP／IP传输方式发送到任意一台具有公网IP地址的主机上去，从而实现采集数据的无线传输。图2给出了由CMS91构成的GPRS发送模块的电路原理图。

    在该设计中，CMS91模块相当于1个无线调制解调器用户的应用系统，需要通过PPP(LCP／PAP／IPCP)先和运营商的Internet接入服务器连接，然后才能应用TCP／IP／UDP或者更高一层的应用层程序(如HTTP、FTP等)进行通信。该模块已经集成了1个天线接收机模块，实际使用时需接入SIM卡插座。GPRS终端是通过RS232接口与设备进行通信的，利用电平转换芯片MAX232实现了微处理器的TTL电平与RS232电平的转换。MAX232能满足TIA／EIA-232-F和1TU v．28标准的要求，其工作电源电压为3～5．5 V，有1个驱动器和1个接收器，数据速率最高可达250 kbps，该芯片具有静电保护功能和自动掉线的特点。
3．2 电力线载波模块设计
    电力线接口模块由线驱动器和线接口组成，它的主要功能是：
    ①发送模式中，用于将ST7537送来的传送信号(AT0)放大和滤波；
    ②接收模式中，从电力线给ST7537的接收口提供接收信号；
    ③有抵制尖峰脉冲和过载的保护电路。

    电力线接口模块的框图如图3所示。线驱动器起放大ST7537的输出信号(AT0)的作用。为了使线驱动器适用于电力线，使用了线接口。在线接口中使用了变压器，其功能为：
    ◆把其他电路与电力线隔离开；
    ◆把传输信号送到电力线上去；
    ◆从电力线中提取出接收信号；
    ◆滤除传输信号中的谐波。
    电力线接口模块的电路原理图如图4所示。

    复合晶体管Q1、Q2、Q3、Q4组成推挽式放大器。电阻R1、R2可使放大器获得最佳性能。当(接收模式)时，ST7537输出信号PABC=1和使双极型晶体管Q1和Q5截止，切断了功率放大器的电源，功放不工作。
    变压器由1个主绕组和2个副绕组组成。绕组比例为4：1：1，其参数为：主绕组9．4μH，副绕组140μH，C1=2．2 nF。为了防止非线性畸变，C2的线性必须非常好，C3滤除从电力线过来的50／60 Hz的信号，并有短路保护功能。当相位不知时，使用附加电容C4加到C3上去，组成放电回路，避免发生触电危险。
    为了避免尖峰信号对电路的破坏，采用1个双向稳压管。当电压值大于或等于稳压管电压时，稳压管就会短接到地，保护接口电路地器件不会被烧坏。
    另外，该系统采用了Dallas半导体公司的DS1302涓流充电时钟芯片。该芯片是可编程I2C串行接口时钟芯片，还提供31字节的非易失SRAM用于数据存储。优点是电路结构简单，可以通过单片机的任意I／O口作为SCL和SDA信号线，编程简单，成本较低。

4 系统软件设计
    系统主要采用无线Modem CMS91来进行历史数据、实时数据以及报告信息的远程传输。通过单片机AT指令对CMS91进行上网前的设置和数据的传输。当收到CMS91的正确反馈回答后，1条物理信道就在CMS91和GPRS网络之间建立起来。单片机通过向Modem发送不同的AT命令来控制其工作。
    CMS91加电后，应用程序需通过P0口操作CMS91的ON／OFF控制位，CMS91正式启动的过程大约3～5 s，若CMS91接有有效的SIM卡，CMS91将附着在GPRS网络。对CMS91的串口读写操作仍然由中断服务程序来实现，复位上电后，程序先进行工作频率等参数的设置，然后进行拨号和PPP协商。PPP协商成功后，将得到系统本地IP，一旦获得自己的IP，系统实际上就已经连入Internet，但要和连入Internet的另一IP终端通信，就还需要与另一IP终端进行端对端的TCP连接。在TCP连接成功后，整个程序将保持这个连接状态。进入TCP连接状态后，可能会收到TCP连接的另一IP终端发来的数据，在层层解包处理之后，便可以得到TCP层之上的种种应用层数据。如果要向对方发送数据，则要先进行中断请求发送，在等到TCP连接建立之后方可发送。这部分TCP／IP协议的处理由CMS91内嵌的单片机来完成。
    GPRS模块发送子程序和接收子程序的流程如图5所示。

5 结论
    本文设计的基于GPRS和PLC的远程路灯监控系统，相对于以往的时钟以及光电控制路灯，能够对路灯线路进行有效的监控，实现遥控、遥测和遥信功能，而且运行稳定、可靠。该设计采用GPRS和PLC进行通信，无需重新铺设线缆和构建新的通信网络，运行成本很低，具有很好的应用和推广价值。