基于GPS控制的路灯照明系统的设计.doc

目录第一章 绪论41.1课题研究意义41.2国内外研究现状41.3本课题设计所要达到的目标5第二章 路灯控制系统的总体结构和设计62.1路灯控制系统的总体结构62.2系统主要功能72.2.1遥控72.2.2遥测82.2.3遥信92.2.4再管理9第三章 系统的硬件设计113.1主站结构113.2 从站结构123.2.1系统子站主监控单元处理器需要完成的任务与各个模块结构说明143.2.2系统子站主监控单元的软件编程203.3 车辆跟踪定位系统结构253.3.1 GPS组成253.3.2 巡检维修车辆终端GPS选型及设计263.3.3车辆跟踪定位系统中的GIS 应用设计273.3.4车辆定位跟踪系统的实现303.4通讯子系统结构32第四章 系统的软件设计344.1系统软件总体设计344.2路灯监控系统软件设计344.2.1路灯监控系统软件的组成344.2.2软件的运行流程354.2.3数据流向364.2.4数据处理流程36第五章 总结38致谢39参考文献40摘 要路灯照明系统是城市建设不可缺少的公用设施。路灯照明系统的维护管理水平是整个城市形象和经济发展水平的综合体现。设计自动化程度高、运行可靠、高效节能的路灯远程监控系统，是城市现代化的必然要求。基于GPS控制系统的开发与应用，将大大提高路灯照明自动化控制水平，缩短路灯故障处理时间，提高路灯照明设备的利用率，提高人民群众对路灯的满意度，提高人民群众对市政府的满意度。本文阐述了GPS和GIS系统的应用设计和GPS/GIS与计算机系统集成的解决方案，并且实现了GPS/GIS系统与计算机系统的集成，完成了车辆跟踪定位和城市路灯计算机监控。本系统由中心控制系统、通信系统、巡检维修车辆定位跟踪系统和监控终端组成。主要完成路灯的开关灯控制、路灯故障主动报警及GPS定位抢修、路灯运行数据的采集。关键词: 全球定位系统，地理信息系统， 监控，路灯AbstractStreet lighting system is indispensable for urban construction of public facilities. Street lighting system management standards to safeguard the image of the entire city and the level of economic development of an integrated embodiment. A high degree of design automation, run a reliable, energy efficient street lighting remote monitoring system is an essential requirement for modern cities. GPS-based control system development and applications, will greatly enhance the level of automation and control street lighting, street lamps to shorten the processing time for failure to raise the utilization rate of street lighting to improve peoples satisfaction with street lighting to improve peoples satisfaction with the municipal government . In this paper, GPS and GIS system design and GPS / GIS and computer system integration solutions, and the realization of the GPS / GIS system and computer system integration, complete vehicle tracking Computer Monitoring and urban street. The system from a central control systems, communications systems, inspection maintenance vehicle location tracking system and monitor the terminal component. Completion of the main street light control switch, street lamps take the initiative to report to the police and failure to repair GPS positioning, data collection run streetlight.Keyword: GPS,GIS , automatic monitor，street lamp.第一章 绪论1.1课题研究意义传统的路灯控制常采用定时器或光控器，让路灯在规定的时间内亮灭，无法做到与路灯管理室的通信，不便于远程监控和管理。路灯巡检常采用“晚上巡灯，白天巡线”这种人工方法巡视来获得设备的运行状况，不仅耗费大量的人力和物力，而且实时性很差，处理故障的效率也很低，很难满足现代高亮灯率的要求。传统的路灯控制、管理已经难以满足现代的要求，同时，城市照明范围日益壮大，管理的难度越来越大。这种情况下，借助当今先进的电子通讯技术(GPS,GIS等技术）和计算机技术的路灯计算机控制、监测和管理系统就应运而生，让计算机来自动控制、监测路灯的实际运行状况，及时发现故障路灯便于及时维修，并可以利用计算机强大的分析处理能力来完成节假日控制、半夜灯控制及编程间隔控制以达到节能的目的，可以实现路灯设备的远程计算机化监控管理。现代化的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。由上述可知基于GPS路灯控制系统将计算机技术、电子通信技术、地理信息系统管理技术相结合引入城市路灯的控制、监测和管理对于路灯的现代化控制管理具有非常重要的意义和社会应用价值。1.2国内外研究现状路灯监控系统是集计算机技术、现代通信技术和自动控制技术于一体的高科方技系统，通过有线或无线传输式，可以对全市路灯、景观灯箱式变电站、变电柜、控制柜等从站测控系统，集中实现遥测、遥控、遥调“三遥”智能数据采集和监控。在国外，已经普遍利用电脑控制道路照明，如新加坡、法国、西德和瑞士等国，通过电脑来制定一个自动化程序，使道路照明的启闭与日出、日落密切配合，节省能源。而我国的路灯监控系统的发展还处于发展阶段，多数城市路灯的开、关灯控制由每台变压器(配电箱)分散控制，统一性差，故障率高。由于没有远程数据采集和通讯功能，无法实现集中监控，所以运行、操作结果不能集中监视、记录和统计。而路灯管理部门多数采用“人工巡视”的形式，设备的运行状况主要靠白天巡线、夜间巡灯来获得，不仅耗费大量的人力和物力，而且实时性很差，处理故障的效率非常低，很难满足现在高亮灯率的要求。 为了克服这一缺点，从九十年代开始将监控技术应用于城市道路照明领域。经过十几年的发展，国内已有多种路灯远程监控系统软件投入使用，使得国内几十个城市的路灯管理走向科技化，真正实现路灯“三遥”控制。1.3本课题设计所要达到的目标本课题的目标就是通过对路灯行业的现有控制方式的研究，利用GPS、GIS等软件的应用，提出自己针对当前路灯控制的解决方案和模型，对路灯控制的研究，深入浅出地学习路灯自动控制的技术，研究路灯控制系统软件。本系统能通过巡查维修车及时定位故障地点对故障进行处理，具有高效处理故障，降低劳动力，降低成本的优点。第二章 路灯控制系统的总体结构和设计2.1路灯控制系统的总体结构本系统是GPS/GIS和SCADA 结合的系统，整个系统分为主控中心，路灯监控站点和巡检维修车辆三个部分。路灯监控站点安装在市区道路路灯变压器或者配电箱处，主要是负责采集路灯线路的电压、电流等工况信息，当路灯监控站点收到主控中心的点名查询时， 它把这些工况信息通过自带的Modem和无线电台传到主控中心;当路灯监控站点收到主控中心的其它命令时，路灯监控站点则根据控制命令的内容做相应的动作，比如开灯、关灯、调整站点的工作参数等。巡检维修车辆负责路灯故障的抢修和维护，在路灯线路出现工作异常的情况的时候，主控中心查询巡检维修车辆的位置，并且通知离故障站点最近的一辆巡检维修车辆去负责维修路灯线路，巡检维修车辆上装有全球定位仪，全球定位仪在巡检时不间断地接收GPS卫星的信号，并且把含有本车地理位置的信号通过随车电台传送到主控中心的电台，主控中心的无线Modem再把这些模拟信号转换为数字信号传给主控计算机，主控计算机收到这些地理位置的信号后把这些数据交给监控软件的车辆跟踪定位系统分析处理，然后在车辆跟踪定位窗口显示巡检维修车辆的地理位置供操作员决定派遣哪辆巡检维修车辆去现场维修。主控中心是整个系统的指挥和数据处理中心，它通过无线电台和Modem向路灯监控站点提取路灯电路的电压/电流值和路灯监控站点的工作数据，并且把这些数据作为主控中心计算机软件的数据来源，对其进行处理，同时，主控中心根据各种系统规则对路灯监控站点进行智能控制，实现路灯系统的计算机管理控制。系统的总体结构如图2-1所示图2-1 系统的总体结构2.2系统主要功能2.2.1遥控由控制中心计算机按当地标准开关灯时间和照度计无线控制各站点路灯的开/关，也可手动遥控或在现场直接设置开关状态。每一天的标准开关灯时间根据当地的经纬度和海拔确定。标准关灯时间是日出时刻，太阳在地平线开始露出一点，又称之为晨光始。标准开灯时间是日落时刻，太阳完全落入地平线以下，又称为昏影终。这些时间预先计算好并存入数据库中。如果天气是理想的晴天，按照标准开关灯时间控制位于地势平整的露天环境的路灯就可以满足需要。可是天气会有变化，这就使得系统需要依靠照度计来调整开关灯时间，在光照强度不足时提早打开路灯或者延迟关闭路灯。可从微机或总控台发出校对命令，校准各从站单片机系统的内部实时钟.亦可重新设置每天开关灯时间。各从站单片机系统中存有昨天的实际开关灯时间.如不重新设置，则在总控台失控情况下.各从站仍按昨天的实际开关灯时间执行路灯的开关控制。(1)系统时钟管理整个监控系统要求主站与所有从站时钟是一致的，操作时间表才有意义。主站端设计有GPS接收卫星时钟保证主站时间的准确性各从站时钟校时方案:通过主站发送校时命令统一各从站时钟，这种方法受通讯实时性影响只有秒级误差。(2)单点操作功能每个从站是一个点，在主站可对一个点进行各种操作，如:开灯、关灯、读取数据，下载精确时间、下载基本信息等等。(3)分组操功能系统可以按照各种原则分组，主站可以以组为单位操作。可以按街道、行政区、亮化灯、线路、节日彩灯等式分组，各组可以有不同的参数，开关时间表。可以选择不同的控制方式，控制某些组临时开灯、关灯。(4)整体操作功能全市的路灯可以同时开、关操作。这是最常用的操作模式。主站同时发出控制命令控制。这种方式也可以用于紧急事件处理。采取的方式是主站下载相同的时间表和时钟信息到各从站，由各从站按时间表自动控制。可实现全市路灯、景观灯齐亮齐灭的壮观景象。2.2.2遥测巡检或随机检测各站点路灯线路的电压、电流等路灯参数。随机检测从站路灯线路的参数，只需要监控中心给从站发送相应的命令(以一个命令帧的形式)，从站处于监听的通信模块收到这个命令后将它最近采集到的参数传给主站，主站对收到的参数进行分析处理，并把这些数据作为站点的历史信息存入数据库。而巡检就是在无人鉴控的时间段，监控中心按预先设定的时间间隔，不断的按一定顺序查询所有或符合一定条件的从站状态。在这个过程中，将各从站当前线路上的电压、电流数据及运行状况采集到微机中进行判别、存贮，发现运行故障即通过模拟屏与机箱喇叭进行报警。监控中心的计算机屏幕上可以动态显示最近被查询站点的路灯工况和参数。2.2.3遥信各站点开关状态和故障信息的获取。与站点线路的运行参数类似，站点的开关状态和故障信息也可以用相似的方法传给主站。为了及时发现路灯故障，从站现场需要装备一些特定的传感器监测特定的不一定反映在电流电压上的故障，比如路灯灯杆倾斜。当发生故障时监控系统就可以迅速发出警报。2.2.4再管理监控中心的数据库中包含了站点的位置、路灯盏数等站点信息和站点运行的历史数据，可以方便的对这些数据进行管理。(1)系统运行数据的历史记录通过曲线显示，是数据统计、分析系统运行状况的依据。如:分析开灯时启动过程的各种数据，分析出是否有改进的必要性和方法;分析整个亮灯时间各种数据，研究出节约电能、延长灯泡使用寿命的方法。(2)统计、报表功能统计运行管理的重要内容，而且不同的地区统计内容和方法也不尽相同，以下列出部分统计的内容。(a)按高压线路所属公司统计:可以按高压线路所属不同的供电公司统计出电量等数据，作为电费结算的依据。(b)按高压线路所属站统计:以变电站供路灯照明线路为统计单位，可以统计出电量、电压等数据。(c)按高压线路统计:统计一条高压线路上所有路灯的工作情况，(d)按变压器统计:统计一台变压器所有路灯的工作情况。(e)按分组方式统计:以分组为统计单位，可以统计出节日彩灯及景点用电、运行情况等数据。这种统计可能跨越供电公司、变电站等供电体制。(f)按责任区域统计:统计路灯运行队工作人员负责区域内设备的故障率、运行时间等数据，重点是提高运行质量。(g)按道路统计:统计沿某条道路照明的路灯运行情况，这种统计可能会跨供电公司、跨变电站。分析运行质量，找出薄弱环节提高服务水平。(h)按设备类型统计:对某品牌的设备统计运行状况，分析设备的质量，为以后的订货管理提供依据。(3)操作权限管理为了操作安全，系统分为四级权限管理，系统管理员、值班长、值班员、普通浏览。系统管理员可以修改系统数据(权限管理、地理信息数据、报表数据、通讯分组管理等)。不能修改运行参数(分组方案、定时时间表等)，不能进行控制操作(从站开灯、关灯等)。值班长可以修改运行参数、可以进行控制操作、不能修改系统数据。值班员可以进行控制操作、不能修改系统数据、不能修改运行数据。普通浏览只能浏览运行情况，不能进行任何修改、控制操作。进行相应的操作时需要输入密码确认，系统自动记录操作人员的姓名和操作内容，存入操作记录。也可以通过条码读码器输入密码。此方法作为选件，每个有操作权限的人员制作一张条码卡，每个操作服务器增加一台条码读码器。第三章 系统的硬件设计3.1主站结构主站的组成结构示意如图3-1所示。中央控制室中的很多计算机由一个局域网相连接。两台工控机同时运行监控程序，以达到热备份的目的。一台工控机为主控制机，负责对系统的管理和维护，而另一台机器为后备控制机，平时只是监测主控制机的运行动作，如给从站发出的命令和给数据库服务器发送的数据。当主控制机发生故障时，后备控制机能够迅速监测到这种故障状态并接替主控制机的工作，以保证整个系统能够继续正常运行;同时向用户发出警报，提醒用户迅速的对故障进行相应的处理。数据库服务器上运行SQL Server2000，为监控程序提供数据服务。主站的控制命令帧通过调制解调器发送到电台，再通过通信塔发送给从站。从站的应答帧也通过反向的路径传到工控机。图3-1 主站的组成结构3.2 从站结构从站的组成结构示意如图3-2所示。各从站测系统采用模块化结构，将智能电表(电力部门认可的标准计量设备)，测量单元、电源单元、控制单元、调压单元、通讯单元、CPU及接口单元等分别以独立的卡件形式制作成相应的功能模块。在不同的应用场合采用不同的配置，实现带电拔插更换，提高系统可靠性，方便安装、维护.从站由一个电路板和相连的控制柜组成。电路板上面装有一个单片机或者是DSP(根据各个城市的需求而定)和它们的外围电路，以及传感器、调制解调器，是否包含发射模块与从站是否配备有独立的电台相关。控制柜中装有交流接触器，控制端与电路板的控制电路相连。传感装置取得从站现场的状态信息，包括一些检测特殊故障状态(比如停电故障)和各相电流电压以及各个支路的电流值大小。这些模拟量经过A/D转换和编码后成为从站的运行数据，然后打包成一个数据帧，通过板载的调制解调模块和发射模块或者电台发给主站。当从站收到主站的控制信息，比如要求开关某一支路的路灯时，从站通过Jl-J4四个触点控制交流接触器为接通状态。从而实现对从站现场的运行状态的控制。图3-2 从站的组成结构根据用途划分从站可以分成路灯从站景观灯从站;根据规模划分从站可以分成箱式变电站从站、变电柜从站。各从站基本配置相同，如智能电表配置，开关模块配置。而调压模块、测量模块配置根据实际情况增减。当变电站发生重合闸等类似事故，会出现从站测控系统断电情况。当恢复供电时从站自动恢复到断电前的工作状态。因此，从站测控系统设置了SRAM，保存年时间表、日时间表，路灯的基本配置信息、开关状态等数据，可以保存10年。从站设计了现场维护接口，在现场可以通过笔记本电脑或手持通讯装置以及移动车载数传电台监视主站与从站通一讯过程，监视运行的实时数据和模块状态，读出时间表等功能。监控终端主要功能:监控终端采用优化的自动校准、自动跟踪、交流采样技术，可以实现免调节、免维护、免校准，保证长期稳定性。1 . 开关灯控制功能:对整条线路进行统一开关灯控制 ( 线控)， 对单灯进行独立控制 ( 点控) 。2 . 路灯运行数据采集功能: 监控终端主要检测电流、电压、功率、功率因数、用电量、接触器状态等数据。数据采集分为模拟量采集、数字量采集、开关量采集，根据采集的数据和系统设置可以判断出路灯的运行状况和故障情况。3通话功能: 监控终端数传电台可以插入麦克，与控制中心或路灯维修车通话联络，通过此方式路灯维修人员可以随时随地互相联络，很大的方便了工作。4 . 远方复位功能: 监控终端因意外情况出现异常时，可以接受控制中心的远方复位命令，监控终端程序初始化，重新运行，提高了系统的可靠性。5 . 无线数据通信功能: 监控终端能通过无线数据通信网，定时或随机向控制中心返回电压、电流、用电量等路灯运行状况数据，另外每个监控终端都可以作为通信中继站，以接力方式将较远或处于高楼楼群通信可能不畅的监控终端数据传送到主站，从而实现了不架设专门的通信中继站也能保证通信的畅通无阻。6 . 故障自动上报功能:当检测到停电、白天亮灯、夜晚灭灯、电缆被盗等严重故障时，自动向控制中心发出警报，从而保证故障响应的实时性。 7输出状态显示功能: 监控终端各输出继电器的位置状态、各遥测信号输入状态均有灯光指示。8 . 显示和按键功能: 可以在现场显示设备运行状态参数，现场置入监控终端运行参数。3.2.1系统子站主监控单元处理器需要完成的任务与各个模块结构说明除了12C总线连接的A/D模块和I/O模块是相对独立的以外，其他的部分构成了主监控单元。主监控单元的具体框图为下图所示:图3-3 主监控单元硬件框图(1)用CPLD设计制作了一个数据采集“协处理器”，它替代了单片机的一部分功能，集成了12C总线控制器，主要通过它采集来自于A/D模块和I/O模块的一帧数据，并且把它保存到寄存器中，同时申请CPU中断.扩展RAM的主要功能是保存至少1K的数据，与FLASH存储器进行数据交换。扩展RAM的另一个用途主要是因为8251系列单片机的内置RAM容量太小。(2)电源模块的主要功能是提供220V交流电源到+5V，-5V的工作电源，同时它也分别提供1到2片A/D模块和I/O模块的电源，因此在所能提供的功率上预留比较大。在冬季比较寒冷的地区本系统设计了电阻加热装置，以保证系统最低的工作温度，这部分电源也需要从电源模块部分得到。(3)独立时钟模块主要是提供系统控制所需要的时间，DS1302是美国DALLAS公司推出的12C总线接口实时时钟芯片，它可独立于CPU工作，不受CPU主晶振及其电容的影响，且计时准确，月累积误差一般小于10秒.芯片还具有主电源掉电情况下的时钟保护电路，DS1307的时钟靠后备电池维持工作，拒绝CPU对其读出和写入访问。同时还具有备用电源自动切换控制电路，因而可在主电源掉电和其它一些恶劣环境场合中保证系统时钟的定时准确性。DS1302具有产生秒、分、时、日、月、年等功能，且具有闰年自动调整功能。同时，DS1302芯片内部还集成有一定容量、具有掉电保护特性的静态RAM，可用于保存一些关键数据。(4)通讯模块:通讯模块是可以自动识别RS485信号或者音频信号，自动切换到相应的波特率上，RS485最大支持到9600bps，音频调制最大支持到1200bps.(5)FLASH数据存储器，子站是一个相对独立的控制模块，在没有主站的情况下，子站能够根据自身的控制时刻表和控制属性表去施行对I/O模块的控制任务。因此FLASH模块里面所需要存储的数据是能够被动态改变的:口，年的开关灯时刻表;被控支路的定义属性;节能属性；PT，CT值；子站机器号码；32路模拟量的24小时*60分钟的采样录波数据;综上所述，CPU的功能就是调度和连接这些模块，其中最主要的功能就是判断时刻去产生控制命令，保持与上位机的通讯，上发给上位机的采样的数据或者接受执行上位机下传的命令。当然数据的保存工作、数据上传时的打包、下传数据的解码等等一系列的事务都是主CPU完成的。3.2.1.2系统子站主监控单元设计中所使用的几个技术的说明在系统子站主监控单元的设计中，根据系统的设计要求，需要用12C进行A/D，I/O模块与系统子站主监控单元的数据连接。在其中使用CPLD集成一些外围逻辑接口芯片和12C总线控制器以及一些逻辑生成数据采集协处理器替代单片机的一些功能;使用FLASH芯片进行采样数据和配置数据的保存;在系统掉电时的处理方法等等技术，以下就做出技术使用说明。3.2.1.3用CPLD设计数据采集协处理器和逻辑接口芯片集成CPLD在本系统中的引入主要有几个方面的考虑:(1)整合多个逻辑接口芯片，使得整个系统的硬件设计简单化。(2)从控制系统的要求来看，需要一些接口电路，使用CPLD可以是使分立元件尽可能地少用，并且能够比较宽松的更改设计，以达到硬件快速升级的目的。(3)保护知识产权的角度来看，使用CPLD可以隐藏设计中的一些关键部件，达到保护设计成果不易被仿制的目的。模块的设计图3-4用CPLD整合逻辑接口电路和设计数据采集控制器在路灯控制系统中，使用的CPLD的主要功能如上图所示，其中数据采集控制和12C总线控制器是在一起工作的，目的就是独立的通过12C总线和挂接在总线上的I/O模块和A/D模块进行通信管理。(a)键盘扫描接口电路主要功能是接受键盘的输入信号，并且产生中断请求给主处理器，同时解码键盘输入信号并且编码到寄存器中，主处理器在响应中断后直接读取寄存器中的数据。(b)显示接口电路负责解码需要显示的数据到接口电路中，系统设计7位数码管输出。CPLD实现数据采集控制的流程图(A)使用CPLD进行数据采集工作的目的:主要目的是扩展单片机功能，由于选用的51单片机没有12C总线控制器，因此用CPLD来制作12C总线控制器。这样做的考量主要是在于让单片机从负责多机通讯的工作中解放出来进行专门针对上位机的通讯和数据的存储处理上。(B)数据采集控制的要求:主要负责对12C总线上挂接的A/D板、1/O板的数据帧进行接收并且存储到寄存器中，同时通知CPU处理。12C总线控制器设计成主从式，可以接受来自于板卡的信息。单片机刷新工作寄存器让采集控制器知道12C总线上挂接的A/DI/O板的数量和数据传送要求，数据采集控制器根据寄存器内容进行数据传送控制。图3-5 数据采集协处理器的功能流程总线的控制权主要是AID板起主导作用，这是因为A/D的转换速度比较慢，主要目标是对其转化完毕后的最新数据能得到及时的处理。I/O板的数据采集速度很快，因此可以不考虑其对总线的占用的时间，并且他们(I/O板)也不能主动占用总线，他们(I/O板)始终是被动地接受命令并且执行命令。在与A/D板通讯的过程中，总线的使用权是在A/D板那里的，此时如果主机产生了对I/O板的控制要求，则暂时不会得到执行，需要等待A/D板交回总线控制权后(通讯完毕)由数据采集处理器负责从工作寄存器中得到控制命令码并施行控制。从上面可以看出，实际上，由于12C总线的速度很快，标准状态下是，1OOKbps，改良后能达到400Kbps则，A/D板所能占用的时间总长所占时间轴的比重很小，因此是可以基本做到对I/O板控制的及时执行的。3.2.1.4采用FLASH实现动态数据存储城市路灯控制系统的子站是一个拥有自主控制的控制系统，在前面己经述过，本系统在设计时就考虑到需要保存大量可在线更改的子站配置信息，如说:366(365)天的开关灯时刻表、子站所控支路的属性、节能属性、PTC丁比等信息。这些信息是子站作为一个可独立的控制系统所必需的运行配信息。而需要在线更新，停电不丢失数据等都要求需要E2PROM,FLASH存储器件。在另一个方面，本系统对下控的路灯支路记录24小时的数据采样值，这些数据也必须要保存在存储器中，并且做到掉电不丢失。本系统所需要存储的数据量大概在40OKB左右，选用ATMEL公司AT29C512Flash存储器。该存储器是8bit*512K,5V读和5V单电源编程高性能FLASH存储器。一共有512个sector，每个sector128word，共8个分页。Flash芯片写入时有一个特点就是每次必须一次性写入一个分区的记录以本子站一次采样64路，使用的AD精度为12位(压缩数据记录32路采用64字节)则每次采样产生的数据正好为128字节。考虑到本子站所能挂接的A/D采集板为2块，因此就算是采用，块A/D板时也固定存储到一个页面中。系统数据由于不存储时间定位信息，因此在24(小时)X60(分钟)=1440记录全部都采用固定定位存储方式。其他的配置信息也采用同样的方法进行定位存储。FLASH数据存储方法有些类似于E2PROM，在进行数据的编程时，必须要进行擦写，在擦写工作完毕后才能进行数据的写入，就算是没有进行擦写前时的数据位的状态为“0，也不能编程为“1”。3.2.1.5数据的掉电保护与处理在系统运行过程中，电源突然掉电是很经常发生的，由于采样数据写入到了FLASH芯片中，则大部分的数据已经得到了保护，掉电保护的主要作用在于要保护时钟工作的正常，以及记录上在系统发生重大运行错误(如:系统掉电)的情况下的时间点以备在电源恢复正常时处理故障发生期中没有采样的数据段。系统设计时考虑到在系统电源发生故障时需要至少保证单片机能工作到处理完RAM中所有的未保存数据以及对时钟芯片DS1302中的RAM记录掉电时刻的标志。等到电源恢复正常才继续进行工作，这样设计的目的主要在于在掉电情况下采集工作和控制工作己经停止，与外界联络的通讯模块也不能工作，因此让处理器继续工作没有意义。设计时后备电源选用镍铬电池组，.2X3，选用A/D公司生产的高性能微处理器电源监视芯片ADM691作为后备电源与主电源的管理模块。ADM691是AD公司生产的一种高性能微处理器电源监视电路，其功能包括微处理器复该芯片主要特点：.精确的4.65V监控; .上电、掉电、不正常低压供电产生复位输出;.100ms,1.6s或可调看门狗计时器;.1NA待机电流;.备用电池电源切换;.芯片使能信号的在线选通;.电源故障报警。图3-6 ADM691引脚位，备用电池切换，看门狗电路，CMOS-RAM写入保护及电源故障告警等。设计的系统连接图如下图所示，RAM采用LG公司的76C88 8K SRAM.RAM系统工作过程如下:.上电过程:当Vcc从。v上升到复位门限4.65V时，输出仍将维持有效电平50ms，以保证电源电压正常后系统的有效复位。有效期间76C88的CS2处于低电平，即片选信号无效，保证上电过程中片内数据不被改写。当Vcc大于时，自动切换到与Vcc相接，76C88转由Vcc供电。.掉电过程:当Vcc从正常电压下降到复位门限4.65V时，立即有效，CS2变成低电平，76C88进入保护状态。保证掉电过程中片内数据不被改写。当Vcc小于时，自动切换到与相接，76C88转由后备电池供电。利用ADM691的电源报警功能，能方便地达到掉电前的告警以及数据保护处理的目的。分析下图可知适当调节R4，当Vcc下降到4.80V时，PFO产生负跳变，向单片机发中断请求，Vcc从4.8V降到4.65V有几个毫秒的时间，足够单片机执行几百条甚至上千条指令，利用这段时间在中断服务程序中保护断点及实时参数。重新来电后转返断点继续执行。图3-7 MCS-51系统掉线电保护电路原理图说明:用ADM691供电的元件还有独立时钟芯片:DS1302,以保证时钟能够持续工作。74LS373等逻辑接口芯片己经集成到CPLD中。3.2.2系统子站主监控单元的软件编程本系统的软件是典型的嵌入式系统软件，只不过它不涉及到很复杂的操作，是一个功能比较专一，流程比较简单的嵌入式系统。因此，对这类系统的软件设计主要是考虑到其运行的高效率和稳定性。在以下的篇幅中将对整个监控单元系统的软件设计思想进行阐述。3.2.2.1工作的流程说明在编写嵌入式系统软件时，由于嵌入式系统有着非常明确的工作流程，当然在这种小型嵌入式控制系统中，程序判断分支较多，不过整个软件的框架非常简单清晰。因此在编程之前，应当对整个软件流程进行清晰的描述，以便在进行程序的编写时有很清楚明晰的框架接口，以使得软件编程的高效化，维护的规范化，以及最大化的可扩展性。首先对于本系统(监控主板)的软件的被控对象有以下几个:对于外部对象:1)看门狗电路;2)时钟电路;3)外部中断;4)扩展RAM,FLASH;5)CPLD数据协处理器的操作;6)显示与键盘操作;对于内部操作:7)串行口;8)通信事务的处理;9)控制事务的处理;从上面受控对象的罗列中进行分析，就可以划分出两类基本流程，一种是受控可预测的基本事务流程:从上电开始的初始化时钟数据读取“喂狗”对基本控制事务的处理显示处理循环等待外部中断;第二种是不可预测的中断事务处理:1)来自于CPLD数据协处理器的数据处理;2)来自于键盘的中断事务;3)来自于串行口的中断事务;4)电源模块的中断事务;5)来自于外部时钟的中断。对于中断事务的处理是不具有完全可预测的但是应当是有规律并且是完全可控的。在基本事务流程中，中断事务的处理所占的CPU时间应当是很少的一个部分，并且各个中断之间的同时发生的概率不能太大。整个流程完成情况所需时间的预测:在所需完成的主要事务以一个周期计算:若以一次通信事务为周期来看:(等待到一次通信事务的处理接收指令命令解码处理数据施行控制(上发数据)等待下一次通信事务)由于波特率是1200，因此在最大通讯数据的条件下，此通信完成周期至少需要0.1到0.2秒，但是通信等待周期至少要达到2-3秒。因此，很多的事务可能需要在同一个周期内进行多次。特别值得注意的是，在多个子站同时存在的情况下，本次通信事务的处理到下一次针对本站的通信事务相隔的时间很长，因此工作周期就不能以通信事务进行划定!如果用一次数据采集作为一个周期的划分是显得比较科学的:比如本次A/D模块数据处理完毕下次A/D数据事务处理作为个周期。下面就是整个系统的工作流程草图:主流程说明:在等待过程中主要要完成看门狗的“喂狗”工作，对于时钟与当前任务的比较主要是采用外时钟中断的形式再进行判断，因此可以看出主要的循环工作是中断等待状态。时钟中断说明:外部时钟提供给系统准确的时间标准，结合系统己经定义的控制任务的时间进行比较，来决定是否对系统进行控制。由于设定的中断时间是，秒钟，因此也可以作为去读取UO模块的继电器状态并且进行分析的时间标准。串行口中断说明:串行口中断是系统运行中最频繁发生的中断，由于系统的单片机的串行口没有设定为主从式，因此在通信线路上有数据传送，系统内的所有子站的监控单元都会引起中断，此时进入串行口中断，串行口中断会根据协议进行严格的判定是否是属于本机的数据，再进行处理!图3-8 主循环流程图3-9 外部时钟中断图3-10 串行口接收中断以上是几个比较重要的工作流程，其他的工作流程主要是根据这些流程产生的控制队列中的标志量，在中断等待过程中进行判断然后再进入到相应的程序分支中的。3.3 车辆跟踪定位系统结构3.3.1 GPS组成GPS有三大部分组成:GPS卫星 ( 空间部分) 、地面支撑系统 ( 地面监控系统)和G PS接收机 ( 用户部分) 。GPS的空间部分和地面监测部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础，但用户只有通过GPS接收机才能实现导航和定位的目的。GPS接收机的主要任务是接收GPS卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及观测量，并通过数据处理完成经纬度的计算。GPS定位、校时原理如图3-3所示求解未知数 图3-3 GPS定位、校时原理3.3.2 巡检维修车辆终端GPS选型及设计 路灯巡检维修车辆上GPS定位装置分为为4个部分:接收天线、GPS接收机、控制器和无线电台。它们在路灯巡检维修车辆定位中分别起到不同的作用。GPS接收天线负责接收GPS卫星发送的微波信号， 然后通过传输电线连接到GPS 接收机。 GPS接收机收到天线传输过来的GPS卫星信号后，负责解算车辆的地理位置，在解算出车辆的地理位置后，用定义好的数据格式把数据打包，并且发送到控制器。而无线电台负责接收主控中心发来的控制命令，然后把这些控制命令传输到控制器， 当控制器收到主控中心要求提取巡检维修车辆地理位置数据的命令时，控制器就从 GPS接收机取得最新的地理数据，然后把这些数据打包，通过无线电台传送到主控中心。主控中心的主控计算机接收到这些信息后，通过车辆跟踪定位系统软件把车辆的位置在电子矢量地图上显示出来，然后操作员根据它们在地图上的位置判断，派遣离故障站点最近巡检维修车辆去维修。 GPS 接收机主要是这么几种类型: 授时型接收机，测地型接收机和导航型接收机。其中导航型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为125米。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为:车载型、航海型、航空型和星载型. 从经济效益和满足系统功能的角度来考虑，路灯巡检维修车辆上的GPS接收机采用北京合众思壮公司生产的 GDK - GPS 15L - W 车载 GPS接收机，它采用GARMIN公司出产的GPSOEM板，其主要技术指标如下: 标准GPS定位精度:误差小于15米; 差分GPS定位精度:误差小于5 米: 热启动时间:大约巧秒(所有数据已知) ; 冷启动时间:大约45秒(初始位置、时间己知，星历未知) ; 数据输出:RS-232 端口; 其中，GPS接收天线采用的是与GDK - GPS 15L - W车载GPS接收机配套的专用GPS接收天线。而控制器则是一个含有单片机和RS -2 3 2端口的电路装置，它的主要功能是控制地理数据的发送。3.3.3车辆跟踪定位系统中的GIS 应用设计在车辆跟踪定位系统中完成 GIS软件设计的一个必不可缺的要素就是矢量化地图，而矢量化地图的制作又是个非常重要的过程，精确的矢量化地图是保证车辆地理位置正确显示的基础。地图的矢量化过程中包含了地图配准和矢量图数据编辑两个部分。3 .3 .3.1 地图配准 地图配准就是把是矢量地图上若干个点的坐标记录到矢量地图中，使得GIS 软件通过这几个点可以计算整个矢量地图中所有地点的坐标. 由于三维空间中三个点就能确定一个平面，所以在地图配准过程中最起码要把地图上三个点的坐标注册到矢量地图中去。但是地球椭球面到平面地图的投影变换总会有一些误差存在，所以在配准的过程中，仅仅三个点的坐标并不是很准确，提供的控制点越多，地图的地理信息就越精确。 地图中选用了地图上几个地理形态比较显著的点作为地图配准的控制点，因为这些点在配准的过程中比较容易识别。同时，也选取巡检维修车辆出现概率比较大的区域中选取多个地点作为配准的控制点，这样做的目的也是为了减少配准误差，使得GIS软件在很据这些控制点的坐标来计算指定地理坐标的时候能比较精确。 Map Info 是美国Map Info公司推出的具有代表性的GIS软件，它有两种文件格式:TIF交换格式和TA表格文件格式。由于Map Info 在国内外被广泛接受，国内外有很多的GIS软件都支持Map Info的文件格式。国内的Super map也支持Map Info的这两种文件格式，所以采用Map Info可以 解决二次开发的兼容性问题。路灯监控系统中的地图采用Map Info进行地图配准和矢量化工作。由于栅格地图没有地理含义，所以用Map Info打开栅格地图后，就要对地图配准，配准后的栅格图就含有了地理信息。打开栅格图的配准对话框，寻找几个选定的地点，输入这些地点的北京-54坐标系下的经纬度坐标数据就可以配准栅格地图，接下了的地图矢量化工作就以这幅含有地理信息含义的栅格图为基础，收到GPS接收机发送的经纬度坐标数据后，使用GIS软件的地理计算功能，在量地图上找到相应的地理位置。3.3.3.2矢量地图编辑在计算机图形图像技术应用于地图制作之前，各部门一般都使用纸质地图或工程图纸，纸图在查阅、计算距离和标注地名符号等方面都是人工操作。另外不能锁一幅纸地图进行修改、缩小比例和分层读图，至于地图局部放大只能借助与放大镜，被放大的区域很小操作不方便。通过GIS工具，可以把纸地图经过一系列处理而转换成可以在屏幕上显示的含有地理信息的矢量话地图。地图矢量化的步骤如图3-4所示图3-4 地图矢量化流程在扫描处理以后，纸质地图就变成了栅格地图，然后需要进行栅格转矢量的运算，也就是扫描矢量化过程。例如在地形图中，有铁路、道路、河流等多种类型的地物，尽管不同地物由不同的线型、颜色，但是对于计算机系统而言，仍然难以对它们进行自动区分，这使得完全自动矢量化的结果不那么“可靠”，所以综合利弊，在路灯监控系统的矢量化的地图制作过程中人工矢量化，即采用鼠标录入的方式。鼠标录入虽然工作量比较大，但是可以保证矢量化的过程不出现大的错误。地图配准后必须进行地图的编辑工作，即编辑地图数据。地图数据可分为两类：空间数据和语义数据。空间数据又被称为图形数据，是构成地图内容要素的几何图形，例如地图上的河流、道路、街道、湖泊、森林界线等。为表示这些要素在二维平面上空间图形的定位特征，常用一对平面直角坐标（X，Y）来表示，这种图形数据称为矢量数据；或用其通过栅格但愿的左下角坐标（行和列）来表示，称为栅格数据。地图要素图形大致可以分为点、线、面三种基本类型。面可由环绕它们的线表示，也可以由其区域内的点表示；线可离散成为点的集合；而点则能用一对平面坐标系中的坐标来确定。语义数据又称为非几何数据，包括定型数据和定量数据。定型数据用来描述要素的分类或对要素进行标名。定量数据是说明要素的性质、特征或强度的，例如距离、面积、人口、产量、收入、流速，以及温度等。在路灯监控系统中，对空间数据的要求并不是很高，只是提供比较明显地理特征的空间数据即可，比如巡检维修车辆一般只会在布置有路灯监控站点的街道上行驶，所以诸如小巷，城市绿地中通道等类型的地物并不需要添加到地图的空间数据中。但是一些具有重要地理参数意义但是巡检维修车辆又不会到达的地点，比如大块的城市绿地、海岸线等必须添加到地图空间暑假中。由于在本系统并不需要地理数据查询等功能，所以没有对语义数据的要求。3.3.3.3空间数据的设计为了能够管理分布不同图幅的多个专题要素，在多数的GIS软件的图库中，把地图数据纵向分为“图层”，而水平方向分为“图块”。如图3-5所示。图3-5 图层和图块在路灯监控系统中，采用了基本地图要素类型作为图层划分的依据，一共分为两曾：街区层采用都是面类型，把各街区都放在这层中，当街区层显示的时候，周围的道路也就自然出现。从而不必再添加道路层。文本标注层：在这层中提供了地名、街道名等文本标注，供操作人员参考地理位置。虽然单层的文本标注层没有如何参考的意义，但是当街区层和文本标注层叠加显示时，文本标注层就会出现在相应的道路中，从而实现了道路名称的显示。3.3.3.4矢量图的二次开发在矢量地图制作完毕后，矢量图并不能直接在车辆跟踪定位系统中直接应用，还需要GIS二次开发软件对其进行进一步的开发工作。车辆跟踪定位系统中采用了北京超图公司推出的Supermap2000组件式GIS软件对烟台市矢量地图进行二次开发。组件式GIS具有二次开发方便、易于集成、无限扩展等特点。Supermap2000二次开发利用了基于SDB引擎采用的结构化储存技术中的OLE复合文件，多数据集合和异构数据集的一体化储存功能。一个SDB数据源由两个文件组成，扩展名称分别为SDB和SDD。一个SDB数据源可以储存多个数据集；不同类型的数据集也可以保存在同一数据源中。为了实现矢量地图的数据管理，需要先对MapInfo格式的矢量化地图转换。采用一个矢量图层对应一个SDB数据集的方式，也就是把街区层矢量地图对应转换为Supermap2000街区数据集文件，把文本标示层矢