基于GPRS和PLC的遠程路燈監控系統設計策略

1 GPRS技術簡介
??? GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業務)是一種基于第二代移動通信系統GSM的無線分組交換技術，特別適用于間斷的、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。GPRS的傳輸速率最高可達171．2 kbps，實際應用中的平均速率也高達53．6kbps。GPRS為移動用戶和數據網絡之間提供連接，為移動用戶提供高速無線接口和X．25服務。GPRS采用數據分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以有多個用戶共享，因而資源被有效利用。用戶永遠在線，按流量計費，降低了服務成本。
??? 利用GPRS進行數據傳輸具有如下的優點：
??? ①接入范圍廣。GPRS是在現有的GSM網上升級，可充分利用全國范圍的電信網絡，可以方便、快速、低成本地為用戶數據終端提供遠程接入網絡的部署。
??? ②傳輸速率高。理論值最高可達171．2 kbps，是當前GSM網絡中電路數據交換業務速度的十幾倍。下一代GPRS業務的速度甚至可以達到384 kbps，完全可以滿足用戶應用需求。
??? ③登陸快捷。GPRS接入等待時間短，可快速建立連接，平均耗時為2 s。
??? ④永遠在線，提供實時在線功能。“實時在線”或“永遠在線”即用戶隨時與網絡保持聯系。即使沒有數據傳送，終端也一直與網絡保持聯系，這將使訪問服務變得非常簡單、快速。
??? ⑤按流量計費。用戶只有在發送或接收數據期間才占用無線資源，按照用戶接收和發送數據包的數量計費。沒有數據流量時，用戶即使掛在網上也不收費。
??? ⑥切換自如。用戶在進行數據傳送時，不影響語音信號接收。數據業務和語音業務的切換有自動和手動2種方式，具體形式依據不同終端而定。

2 系統總體結構
??? 按照路燈遠程測控系統的設計要求和要實現的功能，將系統大體分為中央控制室、集中控制器和路燈控制器3層網絡結構。系統的總體結構如圖1所示。

??? 第1層中央控制室是l臺PC服務器，負責整個城市路燈的監控；第2層集中控制器負責一條街上全部路燈的控制；第3層路燈控制器負責同一燈桿上的所有燈具。其中，l層與2層之間使用了GPRS無線通信網，這兩層之間距離遠，雖然通信成本較高但通信成員少。2層與3層應用了窄帶電力線載波通信技術，利用現有的電力線傳輸信號，不用另外鋪設線纜，幾乎沒有運行成本，特別適合通信對象多的情況。
??? 另外，本設計還具有電量計量等功能，由電壓互感器和電流互感器對各路段路燈的電力參數進行實時采集，將采集到的數據進行分析和存儲，或者通過監控中心的巡檢把現場各路段工作參數(包括電壓電流開關量等)傳回監控中心。監測終端能自動檢測到跳閘、斷路、電壓異常、供電故障、開關燈控制異常等突發事件，并及時將告警數據上傳監控中心，以供監控中心值班人員及時了解情況做出處理。GPRS通信網絡是監控中心與無線數據采集監測終端的數據傳輸通道，選用固定IP地址方式通過GPRS網絡將所采集到的工作參數主動、及時地上傳到監控中心。

3 系統硬件設計
3．1 GPRS發送模塊電路設計
??? GPRS模塊主要實現無線上網的功能。市場上有一些成熟的產品，譬如說Sony／Eircsson公司的M47c、Simens公司的MC35等。這里選用Cello公司的CMS91，它是一種雙頻段GSM／GPRSlO級模塊，主要優點有低功耗、接口簡單、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS10、開發多媒體應用、價格較低等。同時，它也提供SMS(短消息服務)和語音功能。GPRS模塊提供RS232接口，可以通過它來完成對模塊的控制，譬如撥號和切換模式等。一旦通過模塊連接上Internet，采集到的數據就可以用TCP／IP傳輸方式發送到任意一臺具有公網IP地址的主機上去，從而實現采集數據的無線傳輸。圖2給出了由CMS91構成的GPRS發送模塊的電路原理圖。

??? 在該設計中，CMS91模塊相當于1個無線調制解調器用戶的應用系統，需要通過PPP(LCP／PAP／IPCP)先和運營商的Internet接入服務器連接，然后才能應用TCP／IP／UDP或者更高一層的應用層程序(如HTTP、FTP等)進行通信。該模塊已經集成了1個天線接收機模塊，實際使用時需接入SIM卡插座。GPRS終端是通過RS232接口與設備進行通信的，利用電平轉換芯片MAX232實現了微處理器的TTL電平與RS232電平的轉換。MAX232能滿足TIA／EIA-232-F和1TU v．28標準的要求，其工作電源電壓為3～5．5 V，有1個驅動器和1個接收器，數據速率最高可達250 kbps，該芯片具有靜電保護功能和自動掉線的特點。

3．2 電力線載波模塊設計
??? 電力線接口模塊由線驅動器和線接口組成，它的主要功能是：
??? ①發送模式中，用于將ST7537送來的傳送信號(AT0)放大和濾波；
??? ②接收模式中，從電力線給ST7537的接收口提供接收信號；
??? ③有抵制尖峰脈沖和過載的保護電路。

??? 電力線接口模塊的框圖如圖3所示。線驅動器起放大ST7537的輸出信號(AT0)的作用。為了使線驅動器適用于電力線，使用了線接口。在線接口中使用了變壓器，其功能為：
??? ◆把其他電路與電力線隔離開；
??? ◆把傳輸信號送到電力線上去；
??? ◆從電力線中提取出接收信號；
??? ◆濾除傳輸信號中的諧波。
??? 電力線接口模塊的電路原理圖如圖4所示。

??? 復合晶體管Q1、Q2、Q3、Q4組成推挽式放大器。電阻R1、R2可使放大器獲得最佳性能。當(接收模式)時，ST7537輸出信號PABC=1和使雙極型晶體管Q1和Q5截止，切斷了功率放大器的電源，功放不工作。
??? 變壓器由1個主繞組和2個副繞組組成。繞組比例為4：1：1，其參數為：主繞組9．4μH，副繞組140μH，C1=2．2 nF。為了防止非線性畸變，C2的線性必須非常好，C3濾除從電力線過來的50／60 Hz的信號，并有短路保護功能。當相位不知時，使用附加電容C4加到C3上去，組成放電回路，避免發生觸電危險。
??? 為了避免尖峰信號對電路的破壞，采用1個雙向穩壓管。當電壓值大于或等于穩壓管電壓時，穩壓管就會短接到地，保護接口電路地器件不會被燒壞。
??? 另外，該系統采用了Dallas半導體公司的DS1302涓流充電時鐘芯片。該芯片是可編程I2C串行接口時鐘芯片，還提供31字節的非易失SRAM用于數據存儲。優點是電路結構簡單，可以通過單片機的任意I／O口作為SCL和SDA信號線，編程簡單，成本較低。

4 系統軟件設計
??? 系統主要采用無線Modem CMS91來進行歷史數據、實時數據以及報告信息的遠程傳輸。通過單片機AT指令對CMS91進行上網前的設置和數據的傳輸。當收到CMS91的正確反饋回答后，1條物理信道就在CMS91和GPRS網絡之間建立起來。單片機通過向Modem發送不同的AT命令來控制其工作。
??? CMS91加電后，應用程序需通過P0口操作CMS91的ON／OFF控制位，CMS91正式啟動的過程大約3～5 s，若CMS91接有有效的SIM卡，CMS91將附著在GPRS網絡。對CMS91的串口讀寫操作仍然由中斷服務程序來實現，復位上電后，程序先進行工作頻率等參數的設置，然后進行撥號和PPP協商。PPP協商成功后，將得到系統本地IP，一旦獲得自己的IP，系統實際上就已經連入Internet，但要和連入Internet的另一IP終端通信，就還需要與另一IP終端進行端對端的TCP連接。在TCP連接成功后，整個程序將保持這個連接狀態。進入TCP連接狀態后，可能會收到TCP連接的另一IP終端發來的數據，在層層解包處理之后，便可以得到TCP層之上的種種應用層數據。如果要向對方發送數據，則要先進行中斷請求發送，在等到TCP連接建立之后方可發送。這部分TCP／IP協議的處理由CMS91內嵌的單片機來完成。
??? GPRS模塊發送子程序和接收子程序的流程如圖5所示。

5 結論
??? 本文設計的基于GPRS和PLC的遠程路燈監控系統，相對于以往的時鐘以及光電控制路燈，能夠對路燈線路進行有效的監控，實現遙控、遙測和遙信功能，而且運行穩定、可靠。該設計采用GPRS和PLC進行通信，無需重新鋪設線纜和構建新的通信網絡，運行成本很低，具有很好的應用和推廣價值。