摘 要：针对城市亮化系统控制的现状，提出了一种采用无线技术组建智能亮化监控系统的方案：通过光电信号控制灯具的开与关，微处理器对数据进行模糊处理，通过GPRS和Internet网络实现智能终端控制器与监控中心数据的通信，利用VB6.0软件开发了监控中心通信和管理软件。系统具有人性化与智能化的特点，通信费用低且运行可靠稳定，提高了终端管理的效率，具有广阔的应用前景。
关键词：GPRS网络；亮化监控；智慧城市
中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：16727800（2012）011007603
作者简介：汪宋良（1982-），男，硕士，宁波城市职业技术学院信息学院讲师，研究方向为无线低功耗通信。
0 引言
城市亮化工程又叫城市光彩工程，是为了美化城市环境，提高城市的整体形象。但亮化工程管理是技术含量较高、难度较大的一项工作，随着设施数量的增加，传统人工管理的弊端日趋明显。伴随着数字技术和网络技术的飞速发展，人们对亮化工程系统的数字化和网络化管理进行了研究，智能化、网络化、实时化、精确化和动态化已经成为现代城市亮化工程管理系统发展的必然趋势。同时，2010年，宁波确定开展“智慧城市”建设，将人的智慧和信息化、网络化、智能化紧密结合起来，更好地发现城市运转和城市发展中的问题。数字化、网络化、智能化的城市亮化工程系统研究更具价值。
1 设计方案
传统的城市亮化的控制系统多采用以下方案。线路控制型：在照明系统中架设电源线缆和控制线缆，但投资大、故障易发点多、维护困难，对于环境条件未知（各种路灯及景观灯）的照明需求并不适用。自控型：分定时器控制和光控器控制两种，很难根据实际情况和需要进行及时调整，巡检和维修等一般也是人工完成，费时费工。目前，国内大多数城市都采用时钟、光电控制的方式对城市亮化系统进行低压侧开关控制，通过人工巡视的办法对系统工作状况进行监控。
本文采用先进技术——无线通信控制方式，提高照明自动化控制与管理水平，它具有自动化程度高、运行可靠、高效节电、使用维护方便的特点。监控网络的无线控制实现有多种方案，比如单独构建无线网、无线专用网、公用网GSM等。本文考虑最优方案，选择GPRS方式实现监控网络与Internet网络互联实现，具体如图1所示。
2 硬件系统
城市亮化监控与管理系统由调度端的微机系统、无线数传系统、现场智能终端以及开关箱组成。系统根据本地日出日落时间和光照度值，采用时控或时控与光控相结合的控制方案，通过无线信道自动遥控开关灯，遥测现场的工作参数（电压、电流、有功功率和功率因数等数据），可对采集的数据进行分析，自动计算亮灯率，从而判断亮化系统的运行情况。系统可实现各种故障报警、防盗报警等，全面提高城市亮化系统运行的可靠性。现场智能终端系统包括硬件和软件，其中硬件设计包括电源、主控、数据采集和GPRS收发四大系统。终端功能模块如图2所示。
电源系统包括终端监控系统的所有供电电源，包括+12V、-12V、+5V和-5V，系统使用220V家用电变压而得的外接电源，当遇到紧急停电时使用系统自带蓄电池供电。主控系统包括单片机（P89V51）、看门狗、存储器、隔离电路、弱点控制强电电路、数据信号采集电路等主要部分。
3 软件系统
系统的软件主要包括两个部分：①智能终端控制器软件设计部分。终端是以P89V51单片机为核心的程序设计；②监控中心管理软件设计部分。监控中心数据管理界面采用VB6.0编程，智能亮化控制器中单片机的程序是基于KEIL开发平台采用C51语言编写。
3.1 智能终端控制器软件设计
该控制软件主要完成的任务有：初始化、显示、处理键盘操作、信号采集及A/D转换、控制命令执行、GPRS通信以及一些小的功能。本文中采用模块化的设计思想来设计智能终端控制系统软件。首先按照智能终端控制软件的主要功能将软件分为几个大的功能模块，它们分别是初始化模块、人机接口模块、A/D转换及数据处理模块、命令执行模块以及通讯模块。在主程序中主要完成初始化模块的工作，然后循环检测各个功能模块中定义的状态标志，根据各种状态标志的指示来判断是否进入各个功能模块执行相应操作，如果执行了相应的操作，那么，在执行完操作后就跳出回到主程序继续向下执行。主程序的流程如图3所示。
3.2 监控中心软件设计
城市亮化无线监控系统软件，是整个亮化监控系统中的重要组成部分，主要负责系统终端的轮巡与数据交互。监控中心对所有终端进行通信，并提供十分齐全的数据统计、数据查询、故障统计、开关灯统计等功能。
4 通信协议
在亮化监控系统中，上层软件和底层硬件通过指令数据包来进行通信，在国际上有很多通信规约，但不免存在复杂和技术落后的问题。该系统是在MODBUS协议基础上自定义的通信协议，保证系统的安全和稳定，实现亮化监控通信。
4.1 指令格式
协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU）。特定总线或网络上的MODBUS 协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域，具体如图4所示。
一个完整的ADU包括地址域、PDU和差错校验，其中PDU又分为功能码和数据。地址域为1个字节（8bit），一共有256个地址；功能码为1个字节（8bit），一共有256种命令，前128种为正确响应功能码，后128种为对应的异常出错功能码。正确响应功能码中分为公用功能码、用户自定义功能码和保留功能码三部分；数据域可以根据用户需求确定，可以省略；差错校验为2个字节（16bit），可以为CRC校验或者LRC校验；ADU之前或者之后可以根据需要加上同步头。
4.2 指令数据包分解 上层软件接收到GPRS数据收发模块发送的数据后，要辨别指令数据包，然后根据相应的指令执行对应的处理程序，分解数据包的流程如图5所示。
5 主要功能和技术指标
城市亮化无线监控系统是通过专网或公网无线的方式对全市亮化灯等进行监控，可以对各种灯的电压、电流、功率和开关状态进行实时采集和监控、远程实时控制，实现根据时控和光控来控制开关灯。主要功能有：①自动或手动遥控全夜灯、半夜灯和景观灯的开灯和关灯；②自动、手动巡测、选测控制箱电压、电流、有功功率、功率因数和接触器状态等参数；③采用时控或时控和光控相结合的控制方案，满足各种控制要求；④系统支持多种通信方式，如无线公网中的GPRS、USSD、GSM短消息等多种通信方式；⑤系统根据需要可按照明的功能分为不同功能组（如路灯、庭院灯、草坪灯、投射灯等），以实现群控和组控等多样化控制；⑥系统报警采用终端主动报警和调度端报警相结合的报警方案；⑦计算、统计、查询灯运行的亮灯率；⑧查询打印各照明控制箱的任意时间的定时数据与统计数据。
该系统技术指标如下：①6组遥控输出，为常开接点，用于操控中间继电器从而控制操控或直接操控，接点容量为AC250V/5A；②模拟量输入：三相电压、12路电流、0～300V交流电压和0～5A交流电流；③16路开关量输入，用于开关信号检测，比如接触器的辅助触点、机箱门的接触开关；④液晶汉字和PDA（掌上电脑） 汉字两种显示；⑤实时时钟，误差≤0.12s/h，断电正常运行10年；⑥信道特征：900MHz、1 800MHz 频段工作频率；小于等于2W发射功率；小于25μW杂波辐射；小于1μV基准灵敏度；⑦小于等于5VA静态功耗。
6 结语
基于GPRS的城市亮化监控系统集成了先进的自动稳压技术、环境综合智能控制技术、计算机技术及无线通信技术，大大提高了亮化工程管理水平和服务质量，实现了合理照明、美化照明及安全照明的理念。经现场测试，系统谐波含量少、节电率高，达到了智能节电、延长灯具寿命等多重效果。因此采用该系统对传统的亮化工程管理系统进行改造，是一种投资少、见效快且效益高的方法，值得推广。
参考文献：
[1] 朱洪波，BATES R J.通用分组无线业务（GPRS）技术与应用[M].北京：人民邮电出版社，2004.
[2] W RICHARDSTEVENS.TCP/IP Illustrated，Volume1：The protocols[M].北京：机械工业出版社，2002.
[3] REV J.MODICON MODBUS协议参考指南[Z].doc，PI_MBUS_300，1996.
（责任编辑：杜能钢）