基于PLC、GPRS以及ZigBee的路燈無線控制系統(tǒng)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，能源的開發(fā)和利用也顯得日益緊張起來。3月份以來，我國多地出現(xiàn)淡季“電荒”現(xiàn)象，而電能利用效率低下是導(dǎo)致“電荒”的重要原因之一，在這種情況下，提高電能效率迫在屠睫。而隨著城市路網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展，路燈數(shù)量增多，使得人們對電能節(jié)約以及路燈的管理要求也越來越高。采用先進(jìn)技術(shù)節(jié)約能源以及提高路燈自動化控制與管理水平，已成為城市照明系統(tǒng)建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。

1 路燈照明管理現(xiàn)狀

1)照明設(shè)施開關(guān)燈統(tǒng)一性差，智能化水平低，不具備遠(yuǎn)程修改開關(guān)燈時(shí)間，不能根據(jù)實(shí)際情況修改開關(guān)燈時(shí)間，能源浪費(fèi)大，增加了財(cái)政負(fù)擔(dān);

2)路燈設(shè)備分散，管理人員少，管理困難，不能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面地監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況，缺乏靈活的控制手段;

3)人工巡檢工作量大，效率低，成本高，浪費(fèi)人力、物力、財(cái)力，缺乏有效的故障預(yù)警機(jī)制。

2 ZigBee簡介

ZigBee是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低耗功、低傳輸速率、低成本的雙向無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。它是一種介于RFID(Radio Frequency Identification，無線射頻識別)和藍(lán)牙之間的技術(shù)。

3 GPRS簡介

GPRS通用分組無線業(yè)務(wù)是一種新的承載業(yè)務(wù)，提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的數(shù)據(jù)傳輸。GRPS永遠(yuǎn)在線，接入速度快，用戶可隨時(shí)與無線網(wǎng)絡(luò)保持連接，可使遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的效率大幅提高。

4 PLC簡介

PLC即可編程控制器，是一種帶有指令存儲器，數(shù)字或模擬輸入/輸出接口，能夠完成邏輯，順序、定時(shí)、等功能，用于控制機(jī)器或生產(chǎn)過程的自動控制裝置。PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。

5 系統(tǒng)工作原理

運(yùn)用組態(tài)軟件作為上位機(jī)的控制平臺，通過GPRS與現(xiàn)場控制器PLC通訊。監(jiān)控中心軟件通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向各個(gè)現(xiàn)場控制器發(fā)送動作指令，使現(xiàn)場控制器完成各種配置和數(shù)據(jù)采集工作，并對現(xiàn)場控制器發(fā)送上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理?，F(xiàn)場控制器通過ZigBee無線通訊設(shè)備接收單燈控制器所發(fā)送來的信號，進(jìn)行分析處理并通過GPRS通訊系統(tǒng)向監(jiān)控中心發(fā)送信息，以此來實(shí)現(xiàn)對路燈的遠(yuǎn)程無線控制，如圖1所示。

6 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由3部分組成：現(xiàn)場控制器、單燈控制器、監(jiān)控中心。

6.1 現(xiàn)場控制器

由PLC獨(dú)立控制模塊、GPRS通信模塊、ZigBee無線通信模塊等組成，完成數(shù)據(jù)采集、控制輸出、數(shù)據(jù)通信、故障報(bào)警等功能?，F(xiàn)場控制器通過GPRS與照明管理監(jiān)控中心服務(wù)器相連，通過ZigBee無線通信模塊與單燈控制器相連，以此實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場控制器的組成

6.2 單燈控制器

每盞路燈都裝有單燈控制器，由ZigBee無線通信模塊、完成電量采集和模塊遙信功能的單片機(jī)模塊組成。ZigBee無線模塊具有網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣 ZigBee子網(wǎng)就有內(nèi)置冗余保證，如果網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，無法工作，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)將自動路由到一個(gè)替換節(jié)點(diǎn)保證系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定。單燈控制器是路燈監(jiān)控 系統(tǒng)中控制功能的執(zhí)行部分，控制路燈的狀態(tài)并監(jiān)測路燈運(yùn)行的電流、電壓、功率因素等，將這些參數(shù)通過無線方式傳送到現(xiàn)場控制器，同時(shí)接收來自現(xiàn)場控制器的所有控制指令，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，如圖3所示。

圖3 單燈控制器的組成

6.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心由監(jiān)控中心軟件、GPRS通信模塊組成，對整個(gè)照明系統(tǒng)進(jìn)行集中控制。監(jiān)控中心軟件可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、采集數(shù)據(jù)、建立數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析等功能，通 GPRS通信模塊實(shí)時(shí)掃描各路燈電量數(shù)據(jù)和輸出狀態(tài)，也可將監(jiān)控中心軟件發(fā)送的各種有效指令發(fā)送給現(xiàn)場控制器。遇到報(bào)警信息，通過GSM短信方式送至巡檢人員手機(jī)。

7 監(jiān)控中心軟件介紹

組態(tài)軟件是用于數(shù)據(jù)采集和過程控制的專用軟件，本系統(tǒng)采用組態(tài)王作為開發(fā)工具，它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，能充分利用圖形編輯功能，為用戶提供了友好的可視化界面。

監(jiān)控中心軟件是整個(gè)路燈監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，它負(fù)責(zé)跟控制現(xiàn)場中的監(jiān)控終端進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要功能如下：

1)查詢功能現(xiàn)場控制器將單燈的電壓、電流、功率、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)通過無線信道發(fā)送回監(jiān)控中心，監(jiān)控中心主機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理后，以直觀的報(bào)表或圖表形式提供管理人員，為決策提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

2)控制功能手控與自控相結(jié)合，提供靈活、可靠的開關(guān)控制功能，通過“設(shè)置參數(shù)”里的開關(guān)燈方案及開關(guān)燈時(shí)間，下發(fā)給現(xiàn)場控制器，讓現(xiàn)場控制器按指定的方案運(yùn)行。

3)設(shè)置參數(shù)監(jiān)控中心可自動或手動執(zhí)行全控開關(guān)燈，也可控制任一單燈執(zhí)行開關(guān)燈，可隨意設(shè)置半夜燈或全夜燈模式，并對設(shè)置的參數(shù)和要求進(jìn)行保存。

4)報(bào)警功能當(dāng)現(xiàn)場控制器主動報(bào)警或檢測單燈控制器時(shí)發(fā)現(xiàn)有故障，監(jiān)控中心軟件發(fā)出聲光報(bào)警信號提醒工作人員，并在畫面上顯示故障報(bào)警位置狀況和類型，保存報(bào)警記錄的同時(shí)以短信息的方式通知現(xiàn)場巡檢人員。

5)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與報(bào)表統(tǒng)計(jì)備采集參數(shù)的數(shù)據(jù)信息，形成報(bào)表，便于分析研究，可打印報(bào)表。

8 結(jié)束語

本系統(tǒng)從路燈控制的具體要求出發(fā)，建立了友好的可視化界面，集無線通訊技術(shù)、自動化控制技術(shù)、監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)于一體，有效的解決了路燈控制的靈活性、實(shí)時(shí)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等問題，抗干擾力強(qiáng)，通信穩(wěn)定，上位機(jī)給監(jiān)控終端發(fā)出的命令能準(zhǔn)確到位。不僅大大節(jié)約了鋪設(shè)通信電纜的費(fèi)用，更達(dá)到了節(jié)約能源的目的。