专利名称：路灯无线检测控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种路灯控制系统，尤其是一种路灯的无线检测控制系统。
背景技术：
城市路灯照明系统是城市现代化的重要标志，不但具有照明的作用，还为城市的美化增 添了一道道美丽的风景。传统的城市路灯人工管理方式需要耗费大量的人力、物力，管理费 用较高；而且由于没有有效的监控及故障检测手段，不能实时监控路灯的运行状况，造成路 灯故障信息的滞后性，在路灯发生故障时不能及时发现并进行维护，影响市民晚间出行，给 人们的生活造成不便，存在一定的安全隐患。另外，现有的路灯在电网供电情况发生变化时 ，其馈入功率不能随电网电压的变化实时控制，造成大量的电力能源浪费，降低了电能的使 用效率，同时也縮短了灯具的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种运用数字化和网络化技术对城市路灯进行管理的路灯无线 检测控制系统。该系统可对路灯进行远程监控、远程故障检测，从而保障市民夜间出行安全 ，提高城市建设的管理水平，并可节约电能、延长路灯的使用寿命。
本发明是这样实现的路灯无线检测控制系统，包括路灯l、监控中心2，其特征在于 在每个路灯1上安装有灯头检测及节能控制器3，灯头检测及节能控制器3通过无线信号与无 线总控制器4连接；无线总控制器4通过其GPRS无线通讯模块5与GPRS无线通讯网6连接， GPRS无线通讯网6连接至INTERNET国际互联网7，监控中心2通过TCP/IP通讯协议连接 INTERNET国际互联网7。
上述的路灯无线检测控制系统中，灯头检测及节能控制器3安装在路灯1的灯杆内，它由 灯头检测模块和节能控制模块两部分构成；灯头检测模块由单片机8及与该单片机8连接的无 线接收模块9、无线发射模块10和灯头检测模块11构成，灯头检测模块ll为光敏电阻；节能 控制模块由节能控制器12和扼流圈补偿器13构成，节能控制器12安装在路灯1的熔断器位置 ，扼流圈补偿器13连接至节能控制器12。
前述的路灯无线检测控制系统中，在节能控制模块中装有行人、车辆传感器，该行人、 车辆传感器与节能控制器12连接。
前述的路灯无线检测控制系统中，无线总控制器4由无线接收模块9、无线发射模块IO、
单片机8、 GPRS无线通讯模块5构成，无线接收模块9的数据输出端连接至单片机8;无线发送 模块10的数据输入端连接单片机8; GPRS无线通讯模块5的一端通过串口连接单片机8，另一 端通过无线信号连接GPRS无线通讯网6。
前述的路灯无线检测控制系统中，所述的无线发射模块10采用普通的高频(RF) AM发射 芯片(ASK);所述的无线接收模块9采用超外差接收电路的RX3310A型芯片；所述的单片机8采 用MicroChip的PIC12C508单片机。
前述的路灯无线检测控制系统中，在路灯l之间以及路灯1与无线总控制器4之间采用多 链路扩散传播的通信机制进行通信。
前述的路灯无线检测控制系统中，在监控中心2的服务器中装有远程控制软件，该远程 控制软件的用户界面包括状态显示区、故障报警区、控制命令区、服务器状态区、系统设置 区；状态显示区用于对路灯通过GPRS网络传回来的运行数据进行显示，故障报警区用于显示 路灯的故障信息并发出报警指示，制命令区用于实现对单个路灯的远程操作，服务器状态区 用于显示监控中心服务器的状态，系统设置区用于设置监控中心的软件运行参数。
前述的路灯无线检测控制系统中，在监控中心的上位机中装有带地理信息系统的监控软 件，该监控软件由路灯站点参数设置模块、运行功能组编辑模块和监控模块组成，路灯站点 参数设置模块用于建立、删除路灯站点，并进行路灯站点参数的设置与编辑；运行功能组编 辑模块用于路灯站点的功能组编辑，把具有共同开关灯时间的路灯站点放置到同一组内，便 于群组操作；监控模块用于监控个路灯站点的开关灯状态并发送控制参数到各路灯站点，以 及进行事故报警、文档打印。
前述的路灯无线检测控制系统中，所述上位机监控软件的监控界面包括路灯站点分布地 图、操作面板、路灯站点列表及操作与信息功能块四部分，路灯站点分布地图用于形成本地 路灯管理所需要的电子地图，能实现地图与属性的综合査询、修改图形、实时反映路灯设备 和道路的变化情况，在管理所、配电区和街道3个层次的画面上实现路灯设施的分布浏览； 操作面板用于执行各种手动操作；路灯站点列表用于列出所有路灯站点当前时刻的简明状态 ;操作与信息功能块用于自动巡检、自动读电表、语音报警和启用光照计的操作。
与现有技术相比，本发明集路灯的远程控制、远程故障检测于一体，可对公路两边的每 个路灯进行远程故障检测，随时掌握路灯的工作状况，及时发现并处理路灯故障。同时，通 过无线检测控制网络，运用光控、时控和功率调节等先进电子电力技术对任意一个路灯进行 开启、关闭、分时降低功率，并根据道路上车辆和行人在不同时段的出行情况，设置时钟芯 片的时间参数，实现不同时段下的光照差异，不仅能改善供电质量，提高功率因数，为用户
节省电费，而且能对照明系统起到保护作用，在不影响路灯系统正常使用的前提下，达到节 约电能和延长路灯使用寿命的双重功效，其节电率可达40%。
图l为本发明的构成原理示意图2为本发明的灯头检测模块的内部结构示意图3为本发明的无线总控制器的内部结构示意图4为本发明的节能控制模块的结构示意图，图中14一镇流器，15 —触发器，16 —灯管 ，17 —补偿电容；
图5为本发明的节能控制模块的主电路原理图； 图6为本发明的节能控制模块的触发电路原理图； 图7为本发明的节能控制模块的近似动态结构图； 图8为本发明的节电控制模块的节电工作模式示意图； 图9为多链路扩散传播通信机制的信号传播示意图； 图10为本发明监控中心的远程控制软件的流程图； 图11为本发明监控中心的监控软件的流程图。
具体实施例方式
具体实施例方式路灯无线检测控制系统。包括路灯l、监控中心2。在每个路灯l上安
装有灯头检测及节能控制器3，灯头检测及节能控制器3为一集成电路模块，安装在路灯l的 灯杆内，距地面1 2米，直接在现有的路灯上进行安装即可，无需挖掘电缆沟，无需敷设新 的电缆。灯头检测及节能控制器3由灯头检测模块和节能控制模块两部分构成。灯头检测模 块的构成如附图2所示，由单片机8及与该单片机8连接的无线接收模块9、无线发射模块10和 灯头检测模块ll构成；无线接收模块9的作用是接收其它路灯发送的信号，单片机8在对接收 到的数据进行校验处理后，再通过无线发射模块10将数据发射出去，传给下一个路灯检测终 端。灯头检测模块ll用来检测路灯的通断、光衰度等工作状态，适当的时候将检测的状态通 过无线发射模块10以链路的方式传送给无线总控制器4。节能控制模块由节能控制器12和扼 流圈补偿器13构成，如附图4所示。节能控制器12安装在路灯1的熔断器位置，扼流圈补偿器 13连接至节能控制器12。节能控制模块利用扼流圈补偿器13控制电流和功率输出，降低功率 ，在路灯通电后，经节能控制器12将路灯设备控制在满功率状态，随后按预先设置好的程序 ，使路灯照明功率及照度，按时间自动对道路的照明照度进行调节。其主电路如附图5所示 ，负载Z为高压钠灯，考虑镇流器因素，负载性质为感性负载。由于电感的存在，限制了高
的电流上升率di/dt，但由于电流滞后于电压，当电流减小到小于双向晶闸管维持电流而转 入阻断时，电网电压已经过零且达到下一个半周的相当幅值。如此，双向晶闸管截止后就立 即承受电压阶跃上升的冲击。综上所述，光控路灯无触点开关对双向晶闸管的di/dt要求较 低，对dv/dt要求较高。另外考虑高压钠灯负载的特点，要求双向晶闸管具有足够的耐浪涌 电流的能力。为了降低dV/dt，在电网进线端和双向晶闸管两端各设计合适的阻容吸收。对 220V电源电压来讲，双向晶闸管的额定电压可取为800V，额定电流视装置的额定电流而定。
节能控制模块的触发电路如附图6所示，选用交流调压专用集成电路KJ 006，它具有锯 齿波线性度好、移相范围宽、控制方式简单、有失交保护、输出电流大等优点，输出脉冲宽 度在100ys 2ms内通过改变阻容参数可调，+ 15V供电时脉冲幅度大于13V，最大输出能 力为200mA。该触发电路还采用了新型可控硅触发驱动器件M0C3061，它是红外LED与光电双 向晶闸管组成的复合器件，具有输入和输出绝缘、能单向传送信号、抗干扰能力强、体积小 等优点，取代功率放大电路和脉冲变压器用以驱动双向晶闸管非常适合。为使装置输出电 压能可靠的稳定在给定值上，将电压反馈环校正成典型I型系统。为确定调节器的具体结构 和参数，建立近似动态结构图如图7所示。由图7即可对调节器进行具体设计。
节能控制模块是一种以微电脑控制技术为基础的灯光节电器。如图8所示，它的主回路 由两个开关回路并联组合， 一个是以微电脑控制回路作为主回路，另一个是交流接触器作为 旁路开关回路，与主回路并联。当主回路了故障时，主回路自动退出，旁路开关自动投入运 行，以确保灯光正常运行，其主回路工作模式为a.首先通过无线网络，实现对每天开、 关灯时间的控制。路灯开启后，其前10分钟全压投入，以确保灯泡充分预热启动，达到正常 工作状态。b.当预热时间段完成后，通过微电脑控制变流器调压，平滑地进入斜坡下降时 间段，然后自动进入一级节电状态，并保持平稳节电运行。c.当使用于道路照明控制时， 因下半夜车少人稀，除设置一级节电水平外，下半夜启用夜灯功能即二级节电水平，可得到 更佳的节电效果。在节能控制模块中还装有行人、车辆传感器，该行人、车辆传感器与节能 控制器12连接，在下半夜启用夜灯功能即二级节电水平，当行人、车辆传感器检测到行人或 车辆通过时，通过无线网络，实时传输到行人或车辆运动方向的下N (1 3)个路灯，路灯 接收到控制信号，则由二级节电水平进入一级节电水平外，等行人或车辆通过该路灯后再使 路灯进入二级节电水平状态。
无线总控制器4的结构与上述灯头检测模块的构成相似，由无线接收模块9、无线发射模 块IO、单片机8、 GPRS无线通讯模块5构成，无线接收模块9的数据输出端连接至单片机8;无 线发送模块10的数据输入端连接单片机8; GPRS无线通讯模块5的一端通过串口连接单片机8
，另一端通过无线信号连接GPRS无线通讯网6，其单片机8的处理能力要比路灯的灯头检测模 块的单片机要强，在实际中可以采用两个单片机，有利于系统得简化。
为了将信号通过无线传输下去，需要进行载波传输，即要将基带信号搬移到信道损耗较 小的指定的高频处进行传输，频率不同，采用的传播设备和信息传递的效果也不同。从路灯 终端信号传送特点考虑，可用超短波UHF进行无线通信，选用特定频段，这样其通信不受管 制也不需要额外的频道费用，因此本发明的无线发射模块10选用普通的高频(RF) AM发射芯 片(ASK)，其具有短距离无线数据传输技术成熟，功能简单、体积小的特点，比较适合在本 系统中应用，该模块采用调幅AM的通讯方式，工作频率为433腿Z，频率稳定度为士75KHZ， 频率稳定度极高，当环境温度在一25 + 85度之间变化时，频飘仅为3ppm/度，声表谐振器 的频率稳定度仅次于晶体；发射功率《500MW，静态电流《0. 1UA，发射电流为3 50MA，工 作电压为DC 3 12V。当电压变化时发射频率基本不变，和发射模块配套的接收模块无需任 何调整就能稳定地接收。当发射电压为3V时，空旷地传输距离约20 50米，发射功率较小， 当电压5V时约100 200米，当电压9V时约300 500米，当发射电压为12V时，为最佳工作电 压，具有较好的发射效果，发射电流约60毫安，空旷地传输距离700 800米，发射功率约 500毫瓦。当电压大于12V时功耗增大，有效发射功率不再明显提高。这套模块的特点是发射 功率比较大，传输距离比较远，比较适合恶劣条件下进行通讯。模块采用ASK方式调制，以 降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据电平应接近模块的实际工作电压，能获 得较高的调制效果。
无线接收模块9选用超外差接收电路的RX3310A型芯片。数据接收模块一般有两种设计电 路，即超再生接收电路和超外差接收电路。超再生式接收机具有电路简单、成本低廉的优点 所以被广泛采用，而超外差接收机价格较高，温度适应性强，接收灵敏度更高，而且工作稳 定可靠，抗干扰能力强，产品的一致性好，接收机本振辐射低，无二次辐射，性能指标好， 容易通过FCC或者CE等标准的检测，符合工业使用规范。超外差接收电路的核心元件有 RX3310A型芯片和RX3400型芯片，RX3400的性能比RX3310A要高，主要是灵敏度更高，但是价 格也贵很多，适合高要求的系统中。在本系统中力求质美价廉，在不影响产品工作的可靠性 和安全性时，尽量选择价格较低的元件，故本发明选用RX3310A型芯片。RX3310A是台湾 HMARK公司生产的专门用于ASK调制的无线遥控及数传信号的接收集成电路，内含低噪音高频 放大、混频器、本机振荡、中频放大器、中频滤波器、比较器等，为一次变频超外差电路， 双列18脚宽体贴片封装，体积小。其模块的通讯方式为调幅AM，工作频率为433MHZ，频率稳 定度为士75KHZ，接收灵敏度为一102DBM，静态电流《5MA，工作电流《5MA，工作电压为DC
5V，输出方式为TTL电平。
单片机8采用MicroChip的PIC12C508单片机。该单片机具有以下特点l)有多种型号能 满足不同层次的应用要求，且性能与价格高。2)PIC系列8位CM0S单片机具有独特的RISC结构 ，数据总线和指令总线分离的哈佛总线(Harvard)结构，使指令具有单字长的特性，且允 许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比，可以达 到2:1的代码压縮，速度提高4倍；3)产品上市零等待。采用PIC的低价OTP型芯片，可使单 片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市；4) PIC有优越开发环境。0TP单片机开发 系统的实时性是一个重要的指标，PIC在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有 的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好；5)其引脚具有防瞬态能力，通过限流电 阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带 来极大方便；6)彻底的保密性。PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝， 别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小 ;7)自带看门狗定时器，可提高程序运行的可靠性。
灯头检测模块ll的主要器件为光敏电阻，主要用它来监测路灯l的亮度情况，并将信息 传给单片机8。灯头检测及节能控制器3通过无线信号与无线总控制器4连接；无线总控制器 4通过其GPRS无线通讯模块5与GPRS无线通讯网6连接，GPRS无线通讯网6连接至INTERNET国际 互联网7，监控中心2通过TCP/IP通讯协议连接INTERNET国际互联网7 (如附图l所示)。灯头 检测及节能控制器3用于检测路灯1的运行状况，并将检测到的数据通过链路传输给无线总控 制器4;
无线总控制器4用来接收由灯头检测及节能控制器3传来的检测数据，并通过无线网络将 数据传送到监控中心2。在路灯l开启一段时间后，灯头检测及节能控制器3会自动获取路灯 1的亮灭状态并在适当的时候将数据发出。路灯1之间以及路灯1与无线总控制器4之间采用多 链路扩散传播的通信机制进行通信，其具体的传送方式如附图9所示，这是一种基于ARQ(自 动要求重发系统)的数据传输方案，这种方式的优点在于使用极少的多余码元就能获得较高 的数据传输正确率。在某路灯出现异常时，该路灯的灯头检测及节能控制器3通过无线发射 模块10将带有路灯编号和异常状况的编码信号发给下一个路灯，这个路灯在接收到信号后， 判断信号正误，如正确，则返回一个答复信号给上一个路灯，并将信号传递给下一个路灯， 依此类推，直至将信号传给无线总控制器4。如果信号有错或某路灯的灯头检测及节能控制 器3损坏，该路灯会重复发射信号以确保信号能被传送下去。以N-1号路灯为例，假设N-1号 收到N号的信号错误，就不回复答复信号，N号路灯就会重新发射信号，如果还没有答复信号
，则连发若干次，以确保N-1号路灯能收到信号。如果N-1号路灯的控制器已坏，N号路灯重 发多次后还是不会收到N-1号的答复信号，贝l」N号路灯就会给N-2号发送信号，如发生N-1号路 灯的问题，N号也会连发多次，如还收不到答复信号，N号会继续给N-3号发送信号，依次类 推。其中重发信号的次数可以修改，在此假设为3次，有控制器损坏时，其上一级控制器可 以越级将信号传递下去，其链路数也是可以修改的，根据通信距离，我们将链路设为3，即 N号在异常情况下可以向N-2号、N-3号、N-4号路灯传递信号。
对于本系统的通信数据的速率选择。由于数据速率对通信距离有较大影响， 一般而言 ，速率越高，距离就越近。数据模块的最大传输数据速率为9. 6KBs， 一般控制在2. 5k左右 ，过高的数据速率会降低接收灵敏度及增大误码率， 一般遥控装置也不需要过高的速率，如 用于单片机，速率可取2.4kbps，同时应兼顾到发射效率。当数据中连续几个"l"，脉宽超 过lms后，会引起发射效率下降，太大的占空比及太低的频率易引起过调制，当高电平脉宽 在O. l-lms范围，收发效果较好。不合适的数据速率同样会影响收发距离，甚至收不到信号 。所以本系统中通信数据的速率选为2.4kbps，信号的传输速率为2400bps时，数据传输精度 为士2. 5 x 10—6 。
本系统的通信协议数据帧格式是自行定义的，其格式为
<image>image see original document page 10</image>
各部分的意义如下 帧头用于标识一帧信息帧的开始； 目标地址为信号接收控制器地址； 源地址为发送控制器地址； 数据高字节传送的路灯信息高字节； 数据低字节传送的路灯信息低字节； 命令答复答复信号朋BH; 7)校验和数据的校验码。
在监控中心2的服务器中装有远程控制软件(其流程图如附图10所示)，该远程控制软 件的用户界面包括状态显示区、故障报警区、控制命令区、服务器状态区、系统设置区；状 态显示区用于对路灯通过GPRS网络传回来的运行数据进行显示，故障报警区用于显示路灯的 故障信息并发出报警指示，制命令区用于实现对单个路灯的远程操作，服务器状态区用于显 示监控中心服务器的状态，系统设置区用于设置监控中心的软件运行参数。
在监控中心的上位机中装有带地理信息系统的监控软件(其流程图如附图ll所示)，该
监控软件在Windows环境下开发，服务器采用Win2000 Server,中文服务数据库管理软件为 MS SQL Server2000。软件工具采用Mapinfo公司开发的GIS (geography information system) 、 VC6. 0和M即X等开发软件。体系结构采用C/ S模式。该控软件在工控机上运行 ，其内置的ADO通过网络存取服务器上的SQL Server数据库中的数据。通过Windows、 VC、 MapX的有机集成，使该监控软件具备完善的实时监控功能与信息管理功能。该监控软件采用 模块化设计，由路灯站点参数设置模块、运行功能组编辑模块和监控模块组成，路灯站点参 数设置模块用于建立、删除路灯站点，并进行路灯站点参数的设置与编辑；运行功能组编辑 模块用于路灯站点的功能组编辑，把具有共同开关灯时间的路灯站点放置到同一组内，便于 群组操作；监控模块用于监控个路灯站点的开关灯状态并发送控制参数到各路灯站点，以及 进行事故报警、文档打印等。上位机监控软件的监控界面包括路灯站点分布地图、操作面板 、路灯站点列表及操作与信息功能块四部分，路灯站点分布地图用于形成本地路灯管理所需 要的电子地图，能实现地图与属性的综合査询、修改图形、实时反映路灯设备和道路的变化 情况，在管理所、配电区和街道3个层次的画面上实现路灯设施的分布浏览；操作面板用于 执行各种手动操作；路灯站点列表用于列出所有路灯站点当前时刻的简明状态；操作与信息 功能块用于自动巡检、自动读电表、语音报警和启用光照计的操作等功能的操作。
本系统远程通讯的实现由于移动终端的模块登陆GPRS网络的IP地址是网关GPRS支持节 点GGSN动态分配的，而远程控制计算机具有独立的IP地址，所以通信建立之前，用户要先发 送含有远程控制计算机IP地址和端口号的短信息到移动终端模块，移动终端收到短信息后， 作为主呼叫方与远程控制计算机建立点对点的链接。链接建立后，经过TCP协议封装的数据 便可以在远程控制计算机和移动终端之间通信。远程控制程序中，系统创建两个CSocket的 派生类，即CServerSocket和CTransferSocket， CServerSocket负责监听， CTransferSocket负责处理数据的发送和接收。本系统选择TCP协议作为通讯协议，其远程控 制程序采用面向连接的流方式建立Socket通讯。
权利要求
权利要求1一种路灯无线检测控制系统，包括路灯(1)、监控中心(2)，其特征在于在每个路灯(1)上安装有灯头检测及节能控制器(3)，灯头检测及节能控制器(3)通过无线信号与无线总控制器(4)连接；无线总控制器(4)通过其GPRS无线通讯模块(5)与GPRS无线通讯网(6)连接，GPRS无线通讯网(6)连接至INTERNET国际互联网(7)，监控中心(2)通过TCP/IP通讯协议连接INTERNET国际互联网(7)。
全文摘要
本发明公开了一种路灯无线检测控制系统，包括路灯(1)、监控中心(2)，在每个路灯(1)上安装有灯头检测及节能控制器(3)，灯头检测及节能控制器(3)通过无线信号与无线总控制器(4)连接；无线总控制器(4)通过其GPRS无线通讯模块(5)与GPRS无线通讯网(6)连接，GPRS无线通讯网(6)连接至INTERNET国际互联网(7)，监控中心(2)通过TCP/IP通讯协议连接INTERNET国际互联网(7)。本发明可随时掌握路灯的工作状况，及时发现并处理路灯故障，同时在不影响路灯系统正常使用的前提下，达到节约电能和延长路灯使用寿命的双重功效。
文档编号G08C17/02GK101389172SQ200710201668
公开日2009年3月18日 申请日期2007年9月12日 优先权日2007年9月12日
发明者程世友 申请人:浙江晶日照明科技有限公司