隨著高速公路建設的快速發(fā)展，道路照明越來越重要。作為高速公路照明的路燈在其長時間的工作下，不可避免的會有故障的發(fā)生。如何將故障路燈的故障情況、具體位置及時報送給高速公路路燈維護部門，以便相關人員及時處理問題，是高速公路路燈維護部門期待解決的主要問題。目前，高速公路路燈維護部門對路燈工作狀態(tài)的監(jiān)測方式主要通過人工巡查、遠程監(jiān)測（遠程監(jiān)測又分為有線遠程監(jiān)測和無線遠程監(jiān)測）。人工巡查的方式耗費大量的人力物力并且具有一定時間上的滯后；有線遠程監(jiān)測可以有效解決路燈維護上時間的滯后性，但是設備的安裝維護比較困難并且建設周期長，財力物力投入比較大不適合大面積推廣；而采用GPRS無線通訊模塊的無線路燈工作狀態(tài)監(jiān)測設備可以避免線路的鋪設、維護的缺點，并且其組網(wǎng)簡單、安裝方便，信息采集傳輸及時。該監(jiān)測設備可以全天候對路燈的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，采集的路燈工作狀態(tài)信息可以通過GPRS網(wǎng)絡實時的發(fā)送到高速公路路燈維護中心，路燈維護中心的服務器可以對監(jiān)測設備發(fā)送來的信息進行處理，并將故障路燈的信息通過顯示器顯示，以便路燈維護人員及時掌握故障路燈的信息，便于及時處理路燈故障。

 

1 路燈工作狀態(tài)監(jiān)測設備的功能

 

為了真實有效地采集記錄路燈的工作狀態(tài)，以便維護人員對故障路燈及時地維護，同時可以有效地對路燈質量狀況進行分析，路燈工作狀態(tài)監(jiān)測設備的主要功能如下：

 

（1）數(shù)據(jù)采集功能

 

該設備可以實時對安裝點的路燈工作狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)包括路燈工作時的工作電壓、工作電流。以額定輸入為50W的太陽能路燈為例，其正常工作時由蓄電池提供DC24V±10%的輸入電壓，輸入電流范圍為2A±10%，當設備監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)為此范圍數(shù)值時，表明路燈工作狀態(tài)正常。當電壓監(jiān)測數(shù)值在正常范圍內，而電流值為零，此時路燈處于斷路狀態(tài)，監(jiān)測設備向路燈監(jiān)測中心發(fā)出路燈斷路故障報警；當電壓監(jiān)測數(shù)值在正常范圍內，而電流值大于路燈工作時的最大電流值，并且輸入功率大于路燈的額定輸入功率，此時路燈處于過載狀態(tài)，監(jiān)測設備向路燈監(jiān)測中心發(fā)出路燈過載故障報警。

 

（2）數(shù)據(jù)存儲功能

 

設備可以對采集到的路燈工作狀態(tài)信息按時間先后進行存儲記錄，以便路燈維護人員對故障路燈的工作數(shù)據(jù)進行分析，找出故障路燈的故障原因。

 

（3）數(shù)據(jù)傳輸功能

 

設備可以將采集到的路燈工作狀態(tài)信息通過GPRS無線網(wǎng)絡實時的發(fā)送到路燈監(jiān)測中心的服務器上，以便工作人員對路燈的工作狀態(tài)及時了解，對故障路燈進行維護。

 

2系統(tǒng)硬件設計

 

系統(tǒng)以高性能、低功耗單片機MSP430F1232為核心控制器，集成GPRS模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲器模塊以及電源管理模塊。單片機負責接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的實時數(shù)據(jù)信息，同時對采集到的數(shù)據(jù)信息進行分析、存儲，最后通過GPRS無線網(wǎng)絡將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到高速公路路燈維護中心的服務器上；數(shù)據(jù)采集模塊負責采集路燈的工作狀態(tài)信息，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機；GPRS模塊負責路燈工作狀態(tài)監(jiān)測設備與路燈維護中心的數(shù)據(jù)通信，通過GPRS模塊路燈工作狀態(tài)監(jiān)測設備可以將采集到的實時數(shù)據(jù)信息發(fā)送到路燈監(jiān)測中心；電源管理模塊負責為設備提供正常工作時穩(wěn)定的工作電壓。系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

 

 

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2.1 單片機單元

 

MCU采用德州儀器（TI）的MSP430F147單片機[1]，它是一種超低功耗微控器，采用16位的體系結構，16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，實現(xiàn)了最大化的代碼效率。內部包括1個內置16位的定時器、一個快速10位A/D轉換器，一個通用串行同步異步通訊接口和22個I/O端口。它的主要特性為：低電源電壓輸入范圍：DC1.8~3.6V；超低功耗：2.5uA@ 4kHz,2.2V；具有5種節(jié)電模式；喚醒時間小于6us；10位200Ksps的A/D轉換器，自帶采樣保持；一路串行通訊接口可用于異步通信模式或者同步通信模式；2個8位并行端口，1個6位并行端口；片內包含8KB的FLASH ROM和256B RAM；1個通用的16位定時器，并具有片內溫度傳感器。

 

2.2 GPRS模塊

 

2.2.1 GPRS概述

 

GPRS(General Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務)是一種基于GSM（Global System for Mobile Communications，全球移動通信）系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接 [2]。GPRS的數(shù)據(jù)傳輸具有以下幾個特點：采用的是分組交換技術的通信方式；按流量計費；傳輸速率高；永遠在線；GPRS網(wǎng)絡接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接；GPRS支持基于標準數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應用，可以和IP網(wǎng)、X.25網(wǎng)互聯(lián)互通；GPRS 的設計使得它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸。它支持四種不同的QoS級別。GPRS能在0.5 ---1秒之內恢復數(shù)據(jù)的重新傳輸。

 

GPRS無線通信技術應用在路燈工作狀態(tài)監(jiān)測設備中，可以實現(xiàn)路燈工作時狀態(tài)數(shù)據(jù)信息向監(jiān)測中心的實時發(fā)送，與有線數(shù)據(jù)采集設備相比較具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、延時小、在線時間長、運營維護費用低等特點。使用該設備時只需在通訊運營商處辦理開通GPRS功能的IC卡即可，同時該GPRS功能在無數(shù)據(jù)傳輸時不產生任何費用，所以具有實時在線的優(yōu)點?，F(xiàn)場實際安裝時只需將電源輸入線直接接到蓄電池的輸出端，設備便可以正常工作。同時設備的ID號與安裝位置一一對應記錄保存在監(jiān)測中心的服務器中，這樣便可以在監(jiān)測中心的服務器上直接監(jiān)測所有安裝此設備路燈的工作狀態(tài)。

 

2.2.2 GPRS模塊介紹

 

GPRS模塊采用西門子公司的MC52i模塊，它是數(shù)據(jù)采集終端設備與路燈監(jiān)測中心建立通信的重要部分。通過GPRS模塊可以將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)信息實時發(fā)送到路燈監(jiān)測中心的服務器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端設備與監(jiān)測中心的通信。MC52i模塊特性和技術參數(shù)如下：（1）符合GSM phase 2/2+。（2）使用標準AT指令控制。（3）MC52i以AT指令方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，每次傳輸都會有相應的結果狀態(tài)（“OK”或者“ERROR”）返回。（4）內嵌TCP/IP協(xié)議，通過AT指令接口提供給用戶，可以支持數(shù)據(jù)業(yè)務的透明和非透明傳輸。透明傳輸是指數(shù)據(jù)的封裝都由TCP/IP協(xié)議自動完成。（5）支持GSM語音、數(shù)據(jù)、傳真、短消息及GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)韧ㄓ嵐δ?。?）體積小，性價比高，適于大規(guī)模生產。

 

2.2.3 GPRS模塊接口電路的設計

 

MC52i模塊與MSP430F1232通過串口以及信號控制引腳相連，電路連接圖如圖2所示。

 

 

圖2 MC52i 連接原理圖

 

MC52i的26～30引腳為電源電壓的輸入端，輸入電壓范圍為3.3～4.8V，峰值負載電流為2A。MC52i模塊的TXD0與RXD0分別為其數(shù)據(jù)接收端口和數(shù)據(jù)輸出端口，分別連接到單片機串口（UART0）的TXD0與RXD0。MC52i的1～6引腳為外接SIM卡提供了標準的接口，其中CCGND和CCVCC為SIM卡提供工作電壓；CCCLK信號為SIM卡提供時鐘脈沖信號；CCIO為串行數(shù)據(jù)輸入輸出接口；CCRST信號為SIM卡復位信號；CCIN引腳主要用來監(jiān)測SIM卡是否插入SIM卡卡座中。SIM引腳功能見表1所示。

表1 SIM引腳功能

 

MC52i的IGT引腳為開機信號控制端，當MC52i的輸入電源電壓達到4.0V后，單片機P1.0控制外圍電路將該引腳拉低到低電平并且維持時間大于100ms，MC52i模塊才可以正常開機運行。為防止電流回灌到MC52i模塊，外圍電路使用集電極無上拉電阻的三極管作為驅動電路。

MC52i模塊與單片機之間主要通過串口進行數(shù)據(jù)傳輸，它們之間的通信波特率可根據(jù)實際需要進行設定，可以設置的通信波特率有1 200bit/s，2 400bit/s，4 800bit/s，9 600bit/s，19 200bit/s，38 400bit/s，57 600bit/s，115 200bit/s等。單片機通過AT指令控制MC52i模塊附著GPRS網(wǎng)絡并且與路燈監(jiān)測中心服務器建立連接，MC52i模塊與服務器建立連接完成后，數(shù)據(jù)采集設備就可以實時向路燈監(jiān)測中心發(fā)送采集到的路燈信息。

 

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

 

數(shù)據(jù)采集模塊集路燈工作電流傳感器[3]、路燈工作電壓傳感器于一體。數(shù)據(jù)采集模塊上的傳感器將采集到的電壓、電流信號以模擬信號的形式傳送到單片機的A/D轉換接口，數(shù)據(jù)的A/D轉換由單片機來完成。

 

設備采用精密電阻作為電流傳感器來采集路燈的工作時的電流。當路燈工作時電流流過精密電阻器，此時在電阻器上產生壓降，此電壓傳送到單片機的A/D轉換接口，通過A/D轉換得到路燈的工作電流。電壓傳感器就是通過精密電阻把蓄電池輸出到路燈的電源電壓經(jīng)過分壓后將信號傳送到單片機的A/D轉換接口，完成工作電壓數(shù)據(jù)的采集。

 

2.4 電源模塊

 

設備內部元器件的工作電壓為DC3.3V電壓，路燈蓄電池電壓通過LM2576高性能電壓變換器將DC24V電壓調節(jié)成系統(tǒng)可用的工作電壓。LM2576技術參數(shù)如下：具有寬電壓輸入范圍（DC7～40V）；該芯片可以輸出固定電壓或者可調電壓；最大輸出電流0.5A；外圍電路簡單，只需外接4個電子元器件；內置固定頻率（52kHz）振蕩器；轉換效率高；具有過熱及過負載保護功能。

 

3系統(tǒng)軟件設計

 

為方便系統(tǒng)維護與升級，系統(tǒng)軟件設計采用模塊化程序結構，主要有主程序、數(shù)據(jù)采集定時中斷程序、數(shù)據(jù)存儲程序以及GPRS通信程序等組成。

 

3.1 主程序

 

主程序負責對設備的各個工作模塊進行初始化、初始化完成后開中斷程序，然后主程序便進入中斷等待狀態(tài)，等待中斷的發(fā)生。

 

3.2 數(shù)據(jù)采集程序

 

路燈進入工作狀態(tài)時，設備對路燈的工作狀態(tài)信息的采集便開始進行，設計中通過定時器中斷的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序運行。當定時器達到預定值時程序便會產生中斷，系統(tǒng)便進入數(shù)據(jù)采集中斷程序。進入數(shù)據(jù)采集程序后，系統(tǒng)將對需要采集數(shù)據(jù)的A/D轉換通道進行選擇，相應的A/D轉換通道便進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集完成后，A/D轉換器會通知單片機進行數(shù)據(jù)讀取，單片機讀取數(shù)據(jù)完畢，對讀取得到的數(shù)據(jù)與設定的路燈工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)進行比較以確定路燈的工作狀況，然后將工作狀況結果進行存儲，同時通過GPRS將工作狀況結果發(fā)送到路燈監(jiān)測中心。數(shù)據(jù)采集中斷程序流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

3.3 GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送程序

路燈工作狀態(tài)監(jiān)測設備可以將采集到的路燈的實時信息通過GPRS模塊發(fā)送到路燈監(jiān)測維護中心的服務器上，以便路燈監(jiān)測維護中心實時掌握路燈工作狀態(tài)的變化情況。單片機采集到路燈工作狀態(tài)信息后首先對數(shù)據(jù)進行分析處理，然后將需要發(fā)送到路燈監(jiān)測維護中心的信息按定義的信息格式進行封裝后存儲到數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器內，以便發(fā)送數(shù)據(jù)時調用。路燈監(jiān)測設備對路燈工作狀態(tài)信息封裝的數(shù)據(jù)格式如表4所示。信息代碼“2”代表路燈監(jiān)測設備向監(jiān)測中心發(fā)送的路燈工作狀態(tài)信息代碼，字節(jié)數(shù)為1；路燈工作電壓信息：20~27V，字節(jié)數(shù)為2；路燈工作電流信息：0~3.00A，字節(jié)數(shù)為2；路燈工作狀態(tài)信息：“1”路燈工作正常，“0”路燈工作異常；校驗和為各字節(jié)值進行異或，字節(jié)數(shù)為1；結束標志位“#”，字節(jié)數(shù)為1。

表4 路燈工作狀態(tài)信息格式

設備采用定時器中斷方式對數(shù)據(jù)進行發(fā)送，發(fā)送時間間隔為5s，當定時器定時5s溢出進入中斷后，執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送中斷程序，程序讀取發(fā)送緩沖器內存儲的已經(jīng)封裝完成的數(shù)據(jù)信息，通過GPRS模塊將封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送到路燈監(jiān)測維護中心。數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖4所示。

 

 

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖

4結論