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1、基于 GPRS 和 PLC 的远程路灯监控系统设计 2010-05-10 18:44:15 作者： 来源:单片机与嵌入式系统关键字：GPRS PLC CMS91 ST75371 GPRS 技术简介GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)是一种基于第二代移动通信系统 GSM 的无线分组交换技术，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS 的传输速率最高可达 1712 kbps，实际应用中的平均速率也高达 536kbps。GPRS 为移动用户和数据网络之间提供连接，为移动用户提供高速无线接口和 X25 服务
2、。GPRS 采用数据分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以有多个用户共享，因而资源被有效利用。用户永远在线，按流量计费，降低了服务成本。利用 GPRS 进行数据传输具有如下的优点：接入范围广。GPRS 是在现有的 GSM 网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以方便、快速、低成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部署。传输速率高。理论值最高可达 1712 kbps，是当前 GSM 网络中电路数据交换业务速度的十几倍。下一代 GPRS 业务的速度甚至可以达到 384 kbps，完全可以满足用户应用需求。登陆快捷。GPRS 接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为
3、2 s。永远在线，提供实时在线功能。“实时在线”或“永远在线”即用户随时与网络保持联系。即使没有数据传送，终端也一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、快速。按流量计费。用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，按照用户接收和发送数据包的数量计费。没有数据流量时，用户即使挂在网上也不收费。切换自如。用户在进行数据传送时，不影响语音信号接收。数据业务和语音业务的切换有自动和手动 2 种方式，具体形式依据不同终端而定。2 系统总体结构按照路灯远程测控系统的设计要求和要实现的功能，将系统大体分为中央控制室、集中控制器和路灯控制器 3 层网络结构。系统的总体结构如图 1 所示。第 1 层中央
4、控制室是 l 台 PC 服务器，负责整个城市路灯的监控；第 2 层集中控制器负责一条街上全部路灯的控制；第 3 层路灯控制器负责同一灯杆上的所有灯具。其中，l 层与 2 层之间使用了 GPRS 无线通信网，这两层之间距离远，虽然通信成本较高但通信成员少。2 层与 3 层应用了窄带电力线载波通信技术，利用现有的电力线传输信号，不用另外铺设线缆，几乎没有运行成本，特别适合通信对象多的情况。另外，本设计还具有电量计量等功能，由电压互感器和电流互感器对各路段路灯的电力参数进行实时采集，将采集到的数据进行分析和存储，或者通过监控中心的巡检把现场各路段工作参数(包括电压电流开关量等)传回监控中心。监测终端
5、能自动检测到跳闸、断路、电压异常、供电故障、开关灯控制异常等突发事件，并及时将告警数据上传监控中心，以供监控中心值班人员及时了解情况做出处理。GPRS 通信网络是监控中心与无线数据采集监测终端的数据传输通道，选用固定 IP 地址方式通过 GPRS 网络将所采集到的工作参数主动、及时地上传到监控中心。3 系统硬件设计31 GPRS 发送模块电路设计GPRS 模块主要实现无线上网的功能。市场上有一些成熟的产品，譬如说SonyEircsson 公司的 M47c、Simens 公司的 MC35 等。这里选用 Cello 公司的 CMS91，它是一种双频段 GSMGPRSlO 级模块，主要优点有低功耗、
6、接口简单、AT 指令功能完善、可支持 GPRS CLASS10、开发多媒体应用、价格较低等。同时，它也提供 SMS(短消息服务)和语音功能。GPRS 模块提供 RS232 接口，可以通过它来完成对模块的控制，譬如拨号和切换模式等。一旦通过模块连接上 Internet，采集到的数据就可以用 TCPIP 传输方式发送到任意一台具有公网 IP 地址的主机上去，从而实现采集数据的无线传输。图 2 给出了由CMS91 构成的 GPRS 发送模块的电路原理图。在该设计中，CMS91 模块相当于 1 个无线调制解调器用户的应用系统，需要通过PPP(LCPPAPIPCP)先和运营商的 Internet 接入服
7、务器连接，然后才能应用TCPIPUDP 或者更高一层的应用层程序(如 HTTP、FTP 等)进行通信。该模块已经集成了1 个天线接收机模块，实际使用时需接入 SIM 卡插座。GPRS 终端是通过 RS232 接口与设备进行通信的，利用电平转换芯片 MAX232 实现了微处理器的 TTL 电平与 RS232 电平的转换。MAX232 能满足 TIAEIA-232-F 和 1TU v28 标准的要求，其工作电源电压为 355 V，有 1 个驱动器和 1 个接收器，数据速率最高可达 250 kbps，该芯片具有静电保护功能和自动掉线的特点。 32 电力线载波模块设计电力线接口模块由线驱动器和线接口组
8、成，它的主要功能是：发送模式中，用于将 ST7537 送来的传送信号(AT0)放大和滤波；接收模式中，从电力线给 ST7537 的接收口提供接收信号；有抵制尖峰脉冲和过载的保护电路。电力线接口模块的框图如图 3 所示。线驱动器起放大 ST7537 的输出信号(AT0)的作用。为了使线驱动器适用于电力线，使用了线接口。在线接口中使用了变压器，其功能为：把其他电路与电力线隔离开；把传输信号送到电力线上去；从电力线中提取出接收信号；滤除传输信号中的谐波。电力线接口模块的电路原理图如图 4 所示。复合晶体管 Q1、Q2 、Q3 、Q4 组成推挽式放大器。电阻 R1、R2 可使放大器获得最佳性能。当 (
9、接收模式) 时，ST7537 输出信号 PABC=1 和使双极型晶体管 Q1 和 Q5 截止，切断了功率放大器的电源，功放不工作。变压器由 1 个主绕组和 2 个副绕组组成。绕组比例为 4：1 ：1，其参数为：主绕组94H，副绕组 140H，C1=2 2 nF。为了防止非线性畸变，C2 的线性必须非常好，C3 滤除从电力线过来的 5060 Hz 的信号，并有短路保护功能。当相位不知时，使用附加电容 C4 加到 C3 上去，组成放电回路，避免发生触电危险。为了避免尖峰信号对电路的破坏，采用 1 个双向稳压管。当电压值大于或等于稳压管电压时，稳压管就会短接到地，保护接口电路地器件不会被烧坏。另外，
10、该系统采用了 Dallas 半导体公司的 DS1302 涓流充电时钟芯片。该芯片是可编程 I2C 串行接口时钟芯片，还提供 31 字节的非易失 SRAM 用于数据存储。优点是电路结构简单，可以通过单片机的任意 IO 口作为 SCL 和 SDA 信号线，编程简单，成本较低。4 系统软件设计系统主要采用无线 Modem CMS91 来进行历史数据、实时数据以及报告信息的远程传输。通过单片机 AT 指令对 CMS91 进行上网前的设置和数据的传输。当收到 CMS91的正确反馈回答后，1 条物理信道就在 CMS91 和 GPRS 网络之间建立起来。单片机通过向 Modem 发送不同的 AT 命令来控制
11、其工作。CMS91 加电后，应用程序需通过 P0 口操作 CMS91 的 ONOFF 控制位，CMS91正式启动的过程大约 35 s，若 CMS91 接有有效的 SIM 卡，CMS91 将附着在 GPRS网络。对 CMS91 的串口读写操作仍然由中断服务程序来实现，复位上电后，程序先进行工作频率等参数的设置，然后进行拨号和 PPP 协商。PPP 协商成功后，将得到系统本地IP，一旦获得自己的 IP，系统实际上就已经连入 Internet，但要和连入 Internet 的另一IP 终端通信，就还需要与另一 IP 终端进行端对端的 TCP 连接。在 TCP 连接成功后，整个程序将保持这个连接状态。
12、进入 TCP 连接状态后，可能会收到 TCP 连接的另一 IP 终端发来的数据，在层层解包处理之后，便可以得到 TCP 层之上的种种应用层数据。如果要向对方发送数据，则要先进行中断请求发送，在等到 TCP 连接建立之后方可发送。这部分TCPIP 协议的处理由 CMS91 内嵌的单片机来完成。GPRS 模块发送子程序和接收子程序的流程如图 5 所示。5 结论本文设计的基于 GPRS 和 PLC 的远程路灯监控系统，相对于以往的时钟以及光电控制路灯，能够对路灯线路进行有效的监控，实现遥控、遥测和遥信功能，而且运行稳定、可靠。该设计采用 GPRS 和 PLC 进行通信，无需重新铺设线缆和构建新的通信网络，运行成本很低，具有很好的应用和推广价值。
