（地图学与地理信息系统专业论文）基于gprsgissms的路灯节能监控系统的设计与实现.pdf

摘要 基于g p r s g i s s m s 的路灯节能监控系统的设计与实现 摘要 本课题充分利用g p r s 技术无线通信特点，结合g i s 地理信息系统技术和 s m s 短消息服务技术，给出了一种路灯节能监控系统的设计与实现方法。该系 统实时采集数据，通过g p r s 网络发送到互联网，并结合g i s 技术，把路灯状态 参数如电压、电流、功率等相关信息直观地显示在电子地图中，如发现异常数据 则定位并报警，通过s m s 技术将报警信息发送到相关工作人员手机中，实现了 路灯与监控中心之间实时在线及信息互传的智能化远程监控、调度和管理。 在对g p r s 通信技术、g i s 技术和s m s 技术研究的基础上，本文以广州市城 市路灯为课题研究对象，开展了研究工作。整个系统由控制箱终端、通信网络、 监控中心及电子地图组成。控制箱终端包括控制器( 7 1 8 8 x a ) 、g p r s 模块、节能 器( e s x 2 5 0 ) 、路灯、适配器、电源等，实现状念参数等信息的发送和接收；g p r s 通信网络完成信息的交互，包括g p r s 模块上传数据到监控中心和监控中心发送 命令到g p r s 模块；监控中心实现与控制箱终端的通信、数据存储、报表制作； 电子地图主要完成显示、定位、缓冲区分析、报警、发送短消息等功能。 论文分为血个部分，先是介绍了国内外路灯节能监控的现状与存在问题，接 着对本文采用的g p r s 、g i s 、s m s 三种技术原理进行了说明，然后详细描述了 基于此三种技术的路灯节能监控系统的结构、功能与实现，接着展示了课题的实 验结果，最后对本文进行总结和展望。 关键词：无线通用分组业务，地理信息系统，短消息服务，路灯，监控，节能 雉十g p r s g 1 s s m s 的路灯节能豁控系统的设计0 实现 t h ed e s i g na n dim p l e m e n t a t i o no fs t r e e tl a m p se n e r g ys a v i n g & m o n i t o r s y s t e mb a s e do ng p r s g i s s m s a b s t r a c t t h i sp a p e rg i v e sac e r t a i nw a yo fs t r e e pl a m p se n e r g ys a v i n ga n dm o n i t o rs y s t e m b yf u l l yu t i t i z i n gg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，g i sa n ds m st e c h n o l o g y t h e s y s t e mc o l l e c t sr e a l - t i m ed a t a ，s e n d sd a t at oi n t e m e tb yg p r sn e t w o r k ，s h o w st h e s t r e e tl a m p s s t a t u sp a r a m e t e r ss u c ha sv o l t a g e ，c u r r e n t ，p o w e ro nt h em a pb y c o n b i n a t i n gg i s ，l o c a t e sa n da l a r m sw h e nf i n d i n gu n s u a ld a t a ，a n ds e n d sw a r n i n g i n f o r m a t i o nt od e s i g n a t e dp h o n eb ys m s t h es y s t e mr e a l i z e st h ei n t e l l i g e n tr e m o t e m o n i t o r , s c h e d u l i n ga n dm a n a g e m e n t t h i s p a p e r c a r r i e so u tt h er e s e a r c hw o r ko ns u b j e c tf o rs t u d yb a s e do n g p r s g i s s m s t h es y s t e mc o n s i s t so ft h ec o n t r o lu n i t ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ， m o n i t o rc e n t e ra n dm a p t h ec o n t r o lu n i tc o n s i s t so fc o n t r o l l e r718 8 x a g p r s m o d u l e ，e n e r g yd e v i c e ，l a m p ，a d a p t e r , p o w e rs u p p l ye t ca n dc o m p l e t e st h ef u n c t i o no f s e n d i n ga n dr e c e i v i n gi n f o r m a t i o n t h eg p r sn e t w o r kc o m p l e t e st h ei n t e r a c t i v e i n f o r m a t i o n i n c l u d i n gu p l o a da n dd o w n l o a dd a t a t h em o n i t o rc e n t e rc o m p l e t e st h e f u n c t i o no fc o m m u n i c a t i o n ，d a t as a v i n g ，m a k i n gr e p o r t s t h em a pc o m p l e t e st h e f u n c t i o no fd i s p l a y i n g ，l o c a t i n g ，b u f f e ra n a l y s i s ，a l a r m i n g ，s m se t c t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t of i v ep a r t s f i r s t ，t h es t a t u sa n dp r o b l e m sa b o u td o m e s t i c a n da b r o a ds t r e e t l a m p se n e r g ys a v i n ga n dm o n i t o r ；s e c o n d ，e x p l a n a t i o n o f g p r s g i s s m s ；t h i r d ，d e t a i ld e s c r i p t i o no fs t r u c t u r e ，f u n c t i o na n di m p l e m e n t a t i o no f t h es y s t e m ；f o u r t h ，a ne x p e r i m e n t a ld i s p l a yo ft h es y s t e m ；t h el a s t ，s u m m a r ya n d o u t l o o ko ft h ew h o l ep a p e r k e y w o r d s ：g p r s g i s s m s ，s t r e e tl a m p ，m o n i t o r ，e n e r g ys a v i n g 论文公开声明 论文公开声明 本人郑重声明：所呈交的( 硕士) 学位论文( 基于g p r s g i s s m s 的路灯 节能监控系统的设计与实现) ，是本人在导师( 程韬波) 的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经引用的内容外，本文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式表明。本提交的研究生论文不涉及国家秘密、不牵连单 位专利权益、不牵涉同行专家著作权、不需要行业技术保密，论文( 除以下附 在部分) 可以通过书面或电子出版网络对外交流。本人同意将自己的研究生硕 士论文提交给中国国家图书馆、中国科学技术信息研究所中国学位论文数 据库、清华大学中国学术期刊电子图书馆、中国科学院科学科技图书馆。 6 7 学位论文作者签名：刻椅 2 0 0 7 年0 5 月2 0 日 第一章、绪论 第一章、绪论 路灯是城市形象的标志，是城市的窗口，也是城市建设中必需的公用基础设 施。城市照明是关系到广大市民切身利益的重要环节，直接反映了城市的建设水 平和市容风貌，路灯的控制和管理水平更显示出城市的现代化程度( 时伟，1 9 9 8 ) 。 因此，保证城市路灯处于良好状态，不仅直接关系着人民的生活、生产发展、交 通安全和社会治安，而且对于提供良好的投资环境，吸引外商外资，促进经济腾 飞等起着非常重要的作用( 杨绪东，2 0 0 3 ) 。 建国以来特别是改革开放之后，国内经济建设成绩有目共赌，精神文明建设 进步迅速。随着社会主义现代化建设的不断发展，城市路灯已从单纯的照明发展 成为美化城市改善投资环境的重要组成部分，随着人民小康生活的实现和物质的 提高，在现代化大中城市，政府和市民对城市亮丽风景线的道路照明及发展水平， 提出了越来越高的要求。 而国内城市路灯照明节能管理普遍存在一些问题： ( 1 ) 大部分城市路灯监控系统均无节能控制的内容，并且一般只能定位到路 灯的具体【耍j 路，不能控制剑具体的单盏灯，无法准确计算亮灯率； ( 2 ) 有的城市采用半夜灯控制方式实现二霄能，但势必造成道路照明不均匀， 这是道路照明设计所忌讳的，统计资料表明它是造成许多交通事故的内在因素之 一一； ( 3 ) 现有的节能设备大都采用降低电压的方式节能。然而，由于照明电器及 光源的特殊要求，调低电压将对照明灯具的使用寿命造成非常不利的影响，往往 得不偿失，节能不省钱。同时，大部分调压设备对电网都有一定的污染，对电网 中的设备有不利影响。 为此，本文将在调查了解国内现行路灯的管理制度和技术手段的基础上，分 析路灯节能监控系统的业务需求，研究它的软件体系结构设计与实现，为路灯节 能监控的自动化、智能化和信息化提供一种合理可行的设计方法和实现手段。 一、研究背景 第一节、研究背景与研究意义 我国是个人口大国，更是一个资源消耗大国。“十五”到2 0 0 6 年期间，我国 能源生产总量和消费总量均呈现上升的趋势，初步测算，近5 年里，我国能源消 费总量保持了较块增长，但从同比增速来看，近两年持续下降：2 0 0 5 年能源消 费总量增速为1 0 6 ，比上一年下降了5 5 ；而2 0 0 6 年同比增速为9 3 ，低 綦十g p r s g i s s m s 的路灯节能豁拄系统的设计j 实现 于经济增长率1 4 ，而万元国内生产总值能源比上年下降1 2 3 ，未能实现“十 一五时期每年单位g d p 能源消耗降低2 的目标。 按照“十一五”规划，我国提出单位g d p 能耗5 年降低2 0 的约束性指标， 2 0 0 6 年万元g d p 能耗同比下降1 2 3 ，预期目标未完成，说明我国节能降耗形 势严峻。 但二次能源一电力生产量和消费量继续增长，看表1 1 和表1 2 ： 表卜1 “十五”期间能源消费弹性系数及产值能耗 t a b l e l - - 1t h e1 0 t hf i v e - y e a re n e r g yc o n s u m p t i o nf l e x b i l i t yi n d e xa n de n e r g y c o m s u m p t i o no fo u t p u tv a l u e 蝴；噌蝴辫 俐? 黼l 该鬻勰 一：燃 ；刀嚣蹦目籀辫 僻赢， 瓣绣辩弹镶虢赣 一= r n 一竺“一 l 魂鲐璐懈慧 糖教 净哮：1 5 弗 i 激4 糖冉 l t 节童黔茗 辑謦：目哺 l 9 铀矗 ，5 蓐朔瞧 l 辫弱， t 毒l 静囊 | ，t 铎7 m 9 孵 籀2 嚣 鬻箍锚 l 渤b ll l 意；l ll 崩游 l 辫9 貔穸臻 1 3 酚0 1 0 1 j i 3 1 毒 l l 彩l l 冀墓尊曩it ，鞠黔 耱tl 。率虢塌 躲- * 痰耱菇镶努霞鸽镶搿潮譬中缆缓l 秘豢，鳓p 船一拣稚藿葫舞臻嚣穆赣壤1 9 9 9 肇一瑰糍嚣薅籍鬏霹 l ，辩嚣甓静磺龆镑蓐耱蹴， 象麴第碍毙骑籀壤懈撵骥窄雅糕麴瞬谬碳妒鬟宇锄翱驰颦曲嘲l 譬蠹簟掰舻雄擞谚耢辑毵攀盼薷褥毖， 表卜2 “十五”期间电力消费弹性系数及产值电耗 t a b l e l - 2t h e1 0 t hf i v e y e a re l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o nf l e x b i l i t yi n d e xa n de n e r g y c o m s u m p t i o n o fo u t p u tv a l u e 翻黪獭矩蟹比耱缀删娩馋精教搴垒张惫壤力霸孵缝旗宓薅虢嚣羲穆 嚣宽砝媾，晚蛲 锯耱墩力貔鲐辨壤联教 记藏锄 弦l 镰 穗 k 彰和笏鬟锯簸 艄钫：i 氯爨 弘姆霸酝l 幻6ll 静l ，卵j 嚣鳓ll g , 1 , t 9 9羲|l l 嘞骆燃 l l 嬲l 拍蠡sl 崩辩 燃l l ，2 镕谚l撼婚l l 躺 l 嚣 l 期吁溶lo 馥2 3 抛t 携9 锻朔婚蜷孽姒l 嚣 l l 彤l 弗船静 1 国妫 嬲t # l 辫4 藩| 巍l2 强li 寞搏 l ；秘 l 善，2 0l + 1 2 艄l 强自0 蚴嚣硝9 l 獬 l o 唠 捌【l 。l 黪 缘l ，t 率舞 鼍 o r 撩鲐懒枷绷德i 瓣薯蹲。麴铝舅掬略霉囔皱套蚴编虢缓瓣孵雅溯鬻绣力轻i 缎牵缓嗽办龟凌壤农象缓错 势貔嚣缆i i 锯鹈， 幺9 莓比貉瘫貔妒魏事跨嚣绳嚣l 。 从表1 1 、表1 2 可以看到，“十五”期间，能源消费弹性系数有3 年小于l ， 儿能源消费弹性系数小于l 的年份，万元g d p 产值能耗都是下降的；只有2 0 0 3 年和2 0 0 4 年的能源消费弹性系数大于1 ，这两年的万元g d p 产值能耗是上升 的；2 0 0 5 年国家采取相关措施后，能源消费弹性系数已下降到l 以下。但“十 五”期间电力消费弹性系数5 年都大于l ，万元g d p 电耗年年都是上升的，5 年间共上升1 6 。 这说明中国电力生产和消费继续保持较高的增长速度，电力在能源总量中 的比例大幅度提高。 而能源总量是有限的，且国内广大农村地区经受着长期能源短缺的困扰， 加上落后的用能方式，更加剧了用能的紧张，能源消费水平十分低下，目前大 概有2 7 0 0 万农村人口没有用上电( 王家诚，2 0 0 1 ) 。 2 第一章、绪论 我们面临的现实情况是：在能源利用效率方面，2 0 0 3 年我国g d p 占世界 g d p 的比重大约是4 ，而能源消耗却占了3 0 。我国单位产值电能消耗为0 1 5 千瓦时元，是美国的3 倍，日本的5 倍。在资源拥有方面，我国人均能源资源 占有量不到世界水平的5 0 ( 贾振航，2 0 0 6 ) 。 而近年来，道路照明设施随着各地经济和交通的发展，其规模及数量越来 越大，道路照明耗电在迅速上升。 以深圳市为例，2 0 0 2 年统计的四区( 罗湖、福田、南山、盐田) 路灯系统光 源安装总功率为1 0 2 9 4 k w ，镇流器损耗按光源安装总功率1 8 计算，照明线路 损耗按5 考虑，路灯每年亮灯小时数按4 0 0 0 小时计， 则：路灯系统电气安装总容量为1 0 2 9 4 x ( 0 1 8 + 0 0 5 ) = 1 2 6 6 1 千瓦。 路灯系统每年耗电为1 2 6 6 l x 4 0 0 0 x l o 4 = 5 0 6 4 4 万度。 年耗电5 0 6 4 4 万度是什么概念呢? 大亚湾核电站年发电能力约为1 4 0 亿度， 5 0 6 4 4 万度占其0 3 6 ( 建筑资讯网，2 0 0 7 ) 。 由上可见，路灯系统的耗电相当之巨，j 下因为此，道路照明节电已成为日 益受到重视的话题，近年来很多地区发生的日益严重的电荒，更使许多部门认 识到这一当务之急。 为此，国家从1 9 9 8 年1 月l 同起施行中华人民共和圉节约能源法，明 令禁止新建技术落后、耗能过高、严重浪费能源的工业项目，对落后的耗能过 高的用能产品和设备实行淘汰制度。提高终端用电，通过提高终端电用是通过 改变用户的消费行为，采取先进的节能技术和高效设备来实现的，其根本目的 是节约用电、减少电量消耗，其中包括直接节电和问接节电( 贾振航，2 0 0 6 ) 。 本项目正是在此基础上提出来的，主要是通过先进的技术方式和手段来提 高设备、系统的管理，降低管理成本，实现自动化、智能化、节能化，提高经 济效益，适应城市规划的不断发展和道路照明设备及系统的快速发展。 二、研究意义 通过此项目的实施和运行，顺应了“科学发展观”精神，利于可持续发展 和构建节约型社会，可带来强大的经济社会效益： 1 、经济效益 ( 1 ) 可节省人力物力，节省金钱； ( 2 ) 通过对照明功率及照度的动态控制管理，实现路灯照明的“按需照明”， 避免不必要的照明浪费，节约照明能源，节省照明开支； ( 3 ) 节能效果明显，节能控制手段灵活、方便，能实现控制节能3 0 以上， 保证在设备使用期2 3 年内收回成本； 3 牡十g p r s g i s s m s 的路灯节能| f f 控系统的设计j 实现 ( 4 ) 实现道路照明系统设备的数字化控制、管理，提高道路照明系统的管理 水平，降低管理成本和维护费用。 经济效益如下分析和测算： 表卜3 采用2 5 0 瓦单灯：1 ，能器节能效果表 t a b l e l - 32 5 0 w s i n g l el a m pe n e r g ye f f e c tt a b l e 一”2 5 0 ，瓦情况，j 0 ，i -常爝1 0 0 功率降功率运行( 孵8 移： 灯具功耗2 7 8 瓦1 4 5 瓦 每天1 2 小时工作的年消耗量1 2 1 8 度年 6 3 6 度年 每天6 小时工作的年消耗量6 0 9 度年3 1 9 度年 年功率节省量 o2 9 1 度 表1 - 4 采用4 0 0 瓦单灯t i j ”“b i c , 器节能效果表 t a b l e1 - 44 0 0 ws i n g l el a m p e n e r g ye f f e c tt a b l e j ： 4 0 0 戎情况，二纛姜j 7 2常规，i o o 功率 降功率运行( 4 7 8 萝 灯具功耗4 3 7 瓦 2 2 8 瓦 每天1 2 小时工作的年消耗量1 9 1 4 度年 l1 7 6 度年 每天6 小时工作的年消耗量9 5 7 度年5 8 8 度年 年功率节省量 o3 9 9 度 假定某中等规模城市有3 0 0 0 0 盏照明路灯，其中4 0 0 瓦有1 5 0 0 0 盏，2 5 0 瓦有1 5 0 0 0 盏，如果采用本降功率转换节能产品，一年可节能： 2 9 l 宰1 5 0 0 0 + 3 9 9 宰1 5 0 0 0 = 1 0 3 5 0 0 0 0 度； 经济效益可节约人民币：1 3 0 5 0 0 0 0 * 0 5 = 5 1 7 5 0 0 0 ( 元) 注：电费按0 5 元度计算 2 、社会效益 作为比较完整的计算机控制项目，本课题涉及面较广，包括遥控、遥测、 遥信、数据采集、无线通信、自动控制以及管理等，路灯监控系统及其终端， 是一个完整的系统，又是更复杂系统的基础，故它有一定的代表性。 综上可知，本课题不仅可以应用于城市路灯工程改造，而且还可以推广到 类似的项目，如船闸综合自动化系统( 姜海涛，1 9 9 9 ) 、城市污水无人值守管理 系统、自来水供水监控系统、城市供电监控管理系统以及其它类似项目，可以 说，研究城市路灯监控管理系统会对今后开展其它工作和项目具有指导意义。 4 第一章、绪论 一、国外现状 第二节、课题现状 亚太法第1 1 届能源法国际会议于2 0 0 4 年6 月在汉城举行，探讨亚太地区 能源合作，就亚太地区能源发展、体制改革、法制建设、环境保护、国际合作 等问题进行了广泛的交流和研讨，世界各国更加重视保障能源安全，推出一系 列措施来节约能源，节省资金。 国外在路灯方面已经普遍利用电脑控制道路照明，如新加坡、法国、美国、 西德和瑞士等，都是通过电脑来制定一个自动化运行程序，使道路照明的启闭 与日出、日落密切配合，节省能源( 刘洪娟，2 0 0 2 ) 。 二、国内现状 而我困的路灯监控系统的发展还处于发展阶段，大部分城市路灯的开、关 控制仍由变压器分散控制，统一性差，故障率高，且由于没有远程数据采集和 通讯功能，无法实现集中监控，且大部分城市仍是延用传统的以钟控、人工控 制为主的管理系统，存在以下问题： ( 1 ) 系统复杂，难以统一管理： 城市灯光类型众多，有道路照明、广场照明、桥梁照明、公用景点应急灯 光以及高层建筑的泛光等，使用传统的控制方式，难以统一管理，另外许多路 段、景区的灯光由不同的业主负责管理，相互各自为政，缺乏统一协调。 ( 2 ) 灯光系统覆盖面广，维护团难，维护力量严重不足，疲于应付： 城市灯光系统的覆盖面广，对系统的运行情况需要每天晚上派人及车辆进 行巡视，不仅费财费时费力，而且维护人员疲于奔命，灯光损坏情况不能及时 掌握以及反馈，给快速维护带来困维。按照国家建设部的要求，城市每2 0 0 盏 灯必须配置一个维护人员，按此要求大部分城市维护人员严重不足，也是目前 管理跟不上的重要原因。 ( 3 ) 开关控制效率低，用电浪费现象严重： 目前大部分城市灯光采用的是人工管理模式：一是使用人工开关灯控制， 由工作人员在需要的地段和需要的时间，人工丌关灯；二是使用机械钟控丌关 灯控制方式，如果需要调整开关灯时间，则必须人工到各现场调整每一个机械 时钟控制器，工作难度大，造成开关灯时问不能及时变更，难以做到合理开关 灯，用电浪费严重。 ( 4 ) 存在安全隐患，无法快速掌握运行状态，安全无保障，统计困难： 城市灯光系统庞大复杂，对各种漏电、触电、短路、跳闸，电缆和灯具被 5 皋二fg p r s g i s s m s 的路灯节能j | f 【控系统的设计j 实现 盗、破坏等现象不能及时发现，存在较大安全隐患。也无法对整个系统每一个 配电柜的电压、电流、功率等数据进行每天统计，不能及时快速地掌握灯光系 统的运行状态。 为了克服以上“人工巡视”、实时性差、处理故障效率低下、耗费大量的人 力物力等缺点，我国从九十年代丌始把监控技术应用于城市道路照明领域，经 过十几年的发展，国内已有一些路灯远程监控系统软件投入使用，使得国内十 几个城市的路灯管理走向科技化，实现“三遥”( 遥控、遥测、遥信) 控制。 表l - 5 国内应用最多的儿款路灯监控软件的对比统计( 干飞，2 0 0 3 ) t a b l e l 一5c o m p a r a t i v es t a t i s t i co nt h ed o m e s t i cs e v e r a ls t r e e tl a m ps u p e r v i s i o n a p p l i c a t i o n su s e db yt h em o s t 开发单位 软件名称 运行应用该软件的城市 备注 平台 南京理工科技u n i t e c h2 0 0 0 型 w i n d o w s 南京、福州、长春、泉州、可采用u h f v h f 专网 系统有限公司城市路灯亮化 2 0 0 0 新乡、保定、徐州 或g s m 、g p r s 网，可 无线监控系统实现g p s 校时，有中 继接力功能 山东泰安地天l d w s c 城市路 w i n d o w s 9 8银川、呼和浩特、兰州、邹主要采用p s t n 有线 泰新技术开发灯智能监控系 n 飞晓0 0 0 城、临沂、枣庄、五原、天方式、无线专用数据 有限公司统津 网方式 x p 信息产业部电 w i n d o w s 2 0大津、重庆、南! j 。、乌鲁木 可采用专网或g s m 、 子第五十研究 0 0 x p 齐、南昌、长沙、石家庄、g p r s 、c d p d 等公网 所常州、苏州、泰州、弓。波、 嘉兴、中山、珠海、江门、 鄂州、安庆、滁州、个旧 辽r 丹东三安s a 路灯监控管 w i n d o w s 厦门、泰安、石、镇江、青可采用g s m 、g p r s ， 技术发展有限理系统岛、库尔勒、南通、昆明、可设计路灯网上查询 公司 安阳、海口、威海、太原 系统 从上表可以看出，目前我国的路灯监控系统采用无线或有线通信方式，本 课题也是采取了其通信方式之一：g p r s 通信，此通信方式覆盖范围广，通信 质量可靠，计费以数据传输量为依据，永远在线等特点。 第三节、需求分析 根据调查分析，目前大部分城市路灯系统改造的需求主要有以下几个方面： ( 1 ) 统一开关、集中控制 集中监控，统一管理，提高工作效率，使整个城市灯光实现监控中心“一 6 第一章、绪论 把闸刀”控制管理的目标。 ( 2 ) 实现遥控、遥测、遥信 通过现代通信技术实现全市路灯的通信连接，通过计算机技术实现对全市 路灯的统一控制，通过先进的测控技术，实时或定时监测全市路灯各回路的电 压、电流、功率、电量及故障等工作状态，实时掌握系统的运行情况，并且对 运行数据进行记录，以便查询和统计，从而提高系统维护的工作效率，减轻工 作人员的负担。 ( 3 ) 灵活设置开关时间 随着季节变化和特殊情况发生，需要对全市的路灯的开关灯进行灵活的调 整，采用先进的灯光监控系统，工作人员在监控中心即可在任意时间对任意一 个、部分或全部路灯进行开、关灯等操作。 ( 4 ) 自动报警 对各种故障，如漏电、触电、短路、断路、跳闸、停电、异常亮灯、门禁 报警、灯具电缆被盗等，能及时自动上报监控中心，做出相应的处理。 ( 5 ) 查询、统计报表 实现对照明数据的查询、检索、统计、维护、更新功能，对于每天的设备 运行状况及告警信息记录在案并形成报表。 ( 6 ) 节能 按照国家建设部的要求，城市路灯要能够让“城市亮起来”，同时让“电费 降下来”，达到节约能源的目的。 一、必要性 第四节、必要性和可行性 路灯照明系统是城市建设当中不可缺少的公用设施，是设计自动化程度高、 运行可靠、高效节电、使用维护方便的监控系统，是路灯控制与管理现代化的 必然要求( 邓士伟，2 0 0 3 ) 。传统的路灯开关控制完全依赖光电控制或操作人员 根据时钟来手工控制，不但亮灯与关灯的时刻不准确，而且很可能会由于人为 失误或其它因素( 如某处控制线断) 而造成大面积路灯不亮，造成不良影响，给 人民的生活带来不便( 翟纪东，2 0 0 2 ) 。 监控系统通过监控中心的实时监控，监测各分控点的工作情况、运行参数 ( 如电压、电流、功率、开关状态等) ，当路灯出现故障时，能够及时把故障信 息和报警信息发送到监控中心和相关人员，以便能够及时得到维修和维护，保 证路灯处于良好状态，方便人民的外出，减少交通事故。同时也能达到节约电 能的目的，提高城市道路照明的现代化控制和管理水平。 7 幕十g p r s g i s s m s 的路灯节能监控系统的设计与实现 二、可行性 ( 1 ) 通讯的可行性 g p r s 无线分组业务是中国移动组建而成，覆盖范围广，无须担心存在死 角、盲区等问题。且g p r s 网络具有通讯数据传输响应时间短、搞干扰能力强、 永远在线等特点。 ( 2 ) 设备的可行性 路灯监控系统是集计算机技术、现代通讯技术、检测技术、自动控制技术 于一体的高科技系统工程。现代化计算机技术飞速发展，其硬件、软件性能和 可靠性都大大提高，能够满足路灯监控系统长期稳定可靠运行的要求。无线通 讯设备发展同趋成熟，无论从可靠性、费用等都可得到满足。种类设备正在向 小型化、智能化方向发展，可靠性和安全性也都在提高，完全可以适应路灯监 控系统长期正常高效运行的要求( 邵利敏，2 0 0 4 ) 。 第五节、功能描述 监控中心为监督控制方式，是整个路灯系统的指挥和数据处理中心，主要 完成各种信息和数据的收发、整理，根据需要对各监控点进行遥测、遥控、遥 信，完成管理、办公自动化方面的工作；分控点单片机系统为实时在线控制系 统，不断检测线路状态参数、参量及查询监控中心的命令；整个路灯节能监控 系统功能描述如下： ( 1 ) 遥控 监控中一t l , 根据路灯丌关时间自动控制路灯开关，比如白天关灯，晚上开灯， 还可实现群控丌关灯，或部分开关灯；并可实现节能控制档，比如0 档表示不 节能，1 档表示节能5 ，2 档表示节能1 0 ，3 档表示节能2 0 ，4 档表示节 能3 0 ，5 档表示节能4 0 等。 ( 2 ) 遥测 监控中心可以按照设定时问间隔自动或手动对分控点进行数据采集，包括 该时刻的电压、电流、功率等参数，通过对这些数据的分析可得到线路运行状 态、亮灯率、故障原因等有关资料。 ( 3 ) 遥信 分控点终端向监控中心上传工作状态信息和故障信息，遇到故障时能够及 时把信息传回到监控中心，在监控中心的电子地图中进行定位，并把报警信息 通过短消息发送到指定的工作人员手机中。 ( 4 ) 数据存储、查询及各种报表打印功能 对采集的数据和报警信息存储在数据库中，可供用户随时查看数据采集情 8 第一章、绪论 况，还可生成报表，并具备打印功能。 ( 5 ) 提供多种参数的自动报警功能 提供报警功能，任何一个参数出现异常情况，都可将故障参数、故障时间、 故障所在地等报警信息存于数据库，并发送到指定的工作人员手机中。 ( 6 ) 数据加密 在监控服务中心和被监控端都进行数据的加密和解密，以确保数据的保密 性和安全性，采取的方式是多轮的移位、置换、插入等步骤。 ( 7 ) 故障定位和发送短消息 当有故障信息上传到监控中心时，会在电子地图中对故障所在地进行定位， 有报警音提示，并把报警信息发送到指定人员手机中。故障定位和短消息发送 是本系统一大特色。 第六节、本人的主要工作 本课题组从2 0 0 4 年底丌始着手研究路灯及其监控系统，本人自2 0 0 5 年开 始参与此课题，并作为课题组主要组成人员之一参与路灯监控系统软件的研究、 设计和实现，具体承担了以下工作： ( 1 ) 通信协议的制定及通信的最终实现； ( 2 ) 监制中心软件的设计与实现； ( 3 ) g p r s 无线通信的实现； ( 4 ) g i s 电子地图的设计与实现； ( 5 ) s m s 短消息的设计与实现； ( 6 ) 监控中心数据库的设计与实现； ( 7 ) 监控终端控制器的设计与实现； ( 8 ) 数据采集的实现。 监控中心软件主要分应用软件与服务器数据库两大部分，应用软件采用 d e l p h i 7 0 进行编写，数据库采用s q ls e r v e r2 0 0 0 开发平台，电子地图采用超 图s u p e r m a po b j e c t5 2 二次丌发平台，s m s 是在d e l p h i 7 0 下进行编写，而监 控终端的控制器程序是在b o r l a n dc3 1 下编写而成的。 本章小结 本章先从能源使用状况和路灯监控技术两个方面介绍了课题的研究背景、 研究意义，接着描述了课题的国内外现状和需求分析，然后分析了课题的必要 性和可行性，最后描述了本系统的功能和特点，并简单介绍一下本人的工作内 容。 9 皋十g p r s g i s s m s 的路灯节能瓶控系统的设计j 实现 第二章、g p r s g i s s m s 简介 g p r s 、g i s 、s m s 本来是三个不同的技术，由于本身的特性与优势，使得 它们能在路灯节能监控系统中无缝地集成在一起。g p r s 通信技术由于它的网 络传输速度快，数据分组交换业务跟因特网互联的特点，越来越多的应用到数 据无线传输业务中；g i s 能够对地理数据进行管理和模拟显示；而s m s 短消息 技术用于移动用户之间的信息传递。 一、概念描述 第一节、g p r s 技术概述 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，它是第 2 5 代移动通信系统，是g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 数字蜂 窝移动通信系统( 陈新编，1 9 9 6 ) 向3 g 过渡的一个桥梁。是在原有的基于电路 交换方式的g s m 网络上增加了s g s n 和g g s n 等功能实体，为g s m 用户提供 分组交换的数据业务。g p r s 充分利用了原有g s m 网络的资源，允许用户在端 到端分组转移模式下发送和接收数据，提供了一种高效、低成本的无线分组数 据业务。利用g p r s 进行数据传输具有“永远在线、按流量计费、快捷登录、 高速传输、切换自如”( b a t e srj ，2 0 0 4 ) 等优点。g p r s 技术的引进，把电信网 络和计算机网络有机地连接在一起，向未来的全i p 网络平台发展迈了一大步。 l 、产生原因 g p r s 是移动电话迅速发展和i n t e m e t 广泛应用的必然产物，它的产生有以 下三个主要原因： 第一：随着第三代移动通信标准的出台和用户对移动多媒体业务需求的急 剧增长，现有的g s m 网络将向w - c d m a ( 宽带码分多址) 演变； 第二：随着i n t e m e t 普及和应用的迅速增加，在全球范围内用户对移动数据 通信的需求正呈增长趋势，i n t e m e t 上的数据业务急剧猛增，而通过采用g p r s 技术可以使现有g s m 网络轻易地实现与高速数据分组网的简易接入； 第三：g s m 网目前仍是世界上最大的蜂窝网，它采用电路交换的方式传输 数据，但它仍受到9 6 k b p s 速率的限制，因此移动数据传输速度令人难以接受， 并造成费用过高。随着因特网业务的增长，高速移动数据通信市场的需求越来 越大。为适应这一情况，g s m 推出了两种高速移动数据规范：h s c s d ( 高速电 路交换数据业务) 和g p r s ( 通用无线分组业务) ，其中g p r s 应用前景被普遍看 l o 第二章、g p r s g i s s m s 简介 好( 李华，2 0 0 1 ) 。 2 、特点 ( 1 ) 传输速率高。g p r s 理论上的最高传输速率可达1 7 1 2k b i t s ，由于受到 网络配置和终端现实条件的制约，实际传输速率约为2 0 6 0k b i t s 。 ( 2 ) 网络覆盖广。g p r s 基于g s m 网络，其网络覆盖程度高，应用不受地 域限制。 ( 3 ) 按流量计费。按照用户收发数据包的数量收取费用，空闲时不占用其资 源，性价比高。 ( 4 ) 快捷登录，永远在线。网络接入时间短，用户始终处于连线或在线状态。 ( 5 ) 支持t c p 、u d p 等通信协议，直接与i p 和x 2 5 网互联，网络接入方便 ( 吕捷，2 0 0 1 ) 。 二、网络结构 g p r s 网络引入了分组交换和分组传输的概念，它其实是叠加在现有的g g m 网络的另一网络，g p r s 网络在原来g s m 基础上增加了s g s n ( s e r v i n gg s n ， 服务g p r s 支持节点) 、g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ，网关g p r s 支 持节点) 、p c u ( 分组控制单元) 等功能实体。g p r s 共用现有的g s m 网络的b s s 系统，但要对软硬件进行相戍的升级，另外移动台需要采用g p r s 终端来支持 g p r s 业务( 陈程京，2 0 0 1 ) ，g p r s 系统结构如图2 1 所示： 图2 - 1g p r s 系统结构图 f i g 2 1t h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo f g p r s 綦于g p r s g i s s m s 的路灯节能骼控系统的设计o j 实现 第二节、g i s 技术及其二次开发平台s u p e r m a po j b e c t 概述 一、g i s 技术概述 l 、概念描述 g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 地理信息系统是最近发展起 来的一门新兴边缘学科，集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城 市科学、空问科学、信息科学和管理科学为一体( 陈述彭，2 0 0 0 ) 。它是利用现 代计算机图形和数据库技术来处理空间及其相关数据的计算机系统，其最大特 点在于能将自然过程和人类社会活动的各种信息与空间位置、空问分布及其空 间关系通过数字化有机地结合在一起( 韦雪华，1 9 9 7 ) ，根据实际需要直观准确、 图文并茂地输出给用户，从而满足城市建设、企业管理、居民生活对空间信息 的要求，并借助其独有的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策 ( m i c h a e ln d ，2 0 0 1 ) ，这一特点使得g i s 具有更加广泛的用途。 我国g i s 专家陈述彭教授指出，地理信息系统最根本的特点是“每个数据 项都按地理坐标来编码，即首先是定位，然后才是各种定性、定量的属性。” g i s 是有多层次数据结构、多功能分析能力的空间型信息系统。地理空间数据 是g i s 的最大特点，是区别于其他信息系统的标志。地理信息系统使得人们足 不出户就可以在电子地图上直观地进行，节省了大量的人力、物力和财力，搞 高了效率( 王建鹏，2 0 0 5 ) 。 2 、基本特点 与一般的管理信息系统相比，地理信息系统具有以下特征： ( 1 ) 地理信息系统在分析处理问题中使用了空间数据与属性数据，并通过数 据库管理系统将两者联系在一起，共同管理、分析和应用，具有空间性和动态 性； ( 2 ) 地理信息系统强调空间分析，通过利用空间解析模型来分析空间数据， 它的成功应用依赖于空间分析模型的设计与研究； ( 3 ) 地理信息系统的成功应用不仅取决于技术体系，且依赖一定的组织体 系，实践证明，人的因素在地理信息系统的发展过程中具有越来越重要的影响， 地理信息系统的许多问题已经超出了技术的范畴。 g i s 所需的原始数据分为空间数据和属性数据两类。空间数据是指图形实体 数据，常采用的输入方式有键盘输入、数字化仪数字化和扫描仪扫描等( 龚健雅， 1 9 9 9 ) 。属性数据是指数据的存储问题上都采用了分层技术，即根据地图的某些 特征，把它分为若干层，整张地图正是所有这些层的叠加。这样用户操作时就 第二幸、g p r s g 1 s s m s 简介 只涉及到一些特定的层，而不是整幅地图，系统能对用户的要求做出较迅速的 反应( 陈俊，1 9 9 9 ) 。 3 、g i s 软件技术体系的发展 g i s 软件技术的发展经历了从简单到复杂、从单一功能到多功能的逐渐完善 的发展过程。从发展历程看，g i s 软件技术体系可以划分为六个阶段( 图2 2 ) ， 即：g i s 模块、集成式g i s 、模块化g i s 、核心式g i s 、组件式g i s 和因特网 g i s 。 传统g i s 大多是基于十多年前甚至更早的技术体系设计和开发的，在很大 程度上限制了g i s 软件的进一步发展和应用。计算机技术和全球信息技术的飞 速发展，特别是面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ) 、可视化程序设计、组件式软件 ( c o m p o n e n t ss o f t w a r e ) 、分布式计算( d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ) 、多媒体 ( m u l t i m e d i a ) 和i n t e m e t i n t r a n e t 等技术的不断出现和广泛应用，对g i s 提出了 新的技术要求，g i s 软件发展到一个全新的阶段，出现了组件式g i s ( c o m p o n e n t sg i s ，简称c o m g i s ) 和网络g i s ( 简称w e b g i s ) 。 组件式g i s 不是一种小技术在g i s 软件开发中的应用，而是一种全新的 g i s 软件技术体系。不仅仅是g i s ，组件式软件技术给整个软件产业带来了一 场技术革命( 宋关福，2 0 0 6 ) 。 图2 2g i s 软件技术体系的发展 f i g 2 2t h es y s t e m a t i cd e v e l o p m e n to fs o f t w a r et e c h n i q u e 4 、组件式g i s 所谓c o m g i s ( 组件式g i s ) 是指基于组件对象平台，以一组具有某种标准通 信接口的、允许跨语言应用的组件提供的g i s 。这种组件称为g i s 组件，g i s 组 皋十g p r s g i s s m s 的路灯节能监控系统的设计j 实现 件之间以及g i s 组件与其他组件之i 日j 可以通过标准的通信接口实现交互，这种 交互甚至可以跨计算机实现