[硕士论文精品]智能路灯监控防盗系统设计

摘要摘要随着城市建设的发展，路灯照明建设越来越注重于城市的形象，路灯照明的要求和数量不断增加，城市路灯设施的管理问题变的越来越突出，更严重的是照明设备以及照明电缆的频繁被盗或损坏造成路灯不亮，这不但影响城市的景观及交通，还会给社会造成经济损失和危害。尤其是近几年来，传统防盗设备由于各自的技术缺陷，如不适合路灯电缆、不适合超长线路、不适合关灯期间断线报警等，针对这一情况本文设计一套24小时全天候报警的智能路灯监控防盗系统。本系统综合利用了计算机网络、无线通信网络GPRSZIGBEE、数据库系统、数据采集与分析系统等多学科的前沿技术，同时结合城市照明行业的应用特点，构建的集数据采集遥测、远程控制遥控、报警提示与处理遥信的三遥系统，实现了城市灯光管理部门系统的信息共享；通过节约电能及报警主动提示、维护人员快速反应从而降低运营成本，提高设施的利用效率通过24小时实时检测电缆状态，有效阻止盗窃份子偷盗电缆；通过遥控、遥信、遥测使得系统更加人性化的为人民服务，提高城市形象。本文设计的智能路灯监控防盗系统已经投入长汀县路灯管理中心使用，系统运行至今稳定可靠，极大提高了当地路灯管理水平、方便减轻了路灯管理人员的巡检工作量。本文第一章首先简要概述了课题的背景、国内外路灯照明监控防盗系统的现状和发展；第二章在分析各种远程通讯方式以及防盗技术的优劣，结合公共照明远程监控系统应具有的功能和设计原则，确定了监控防盗设备的总体设计方案；第三章详细阐述智能路灯监控防盗设备的模块设计；第四章分析了智能路灯监控防盗设备软件的整体架构及具体实现方法；第五章对监控中心软件的配置方案及实现的功能进行了初步的研究第六章介绍所设计的智能路灯监控防盗的实现；第七章对全文进行了总结。关键词ZIGBEE网络；GPRS；电缆防盗ABSTRAETABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFURBANCONSTRUCTION，THEBUILDINGOFSTREETLIGHTINGISMOLEANDMOREFOCUSONTHECITYSIMAGE；ATTHESAMETIMETHEPROBLEMOFSTREETLIGHTINGMANAGEMENTBECOMEMOREANDMOLEPROMINENT；THEFREQUENTTHEFTORDAMAGEOFTHELIGHTINGEQUIPMENTANDCABLESCAUSEDSTREETLIGHTSDONOTLIGHT,WHICHNOTONLYAFFECTTHECITYSLANDSCAPEANDTRAFFIC，BUTALSOCAUSEDECONOMICLOSSESTOSOCIETYINPARTICULAR，THETRADITIONALANTITHEFTDEVICESASARESULTOFTHEIRTECHNICALDEFICIENCIES，SUCH鹤NOTSUITABLEFORSTREETLIGHTINGCABLES，NOTSUITABLEFORLONGLINES，NOTSUITABLEFORTHETIMEWHENLIGHTSARETURNEDOFF,CANTSTASTIYTHEREQUIREMENTOFAPPLICATIONAIMINGATTHISPROBLEM，THISARTICLEDESIGNEDAINTELLIGENTSTREETLAMPMONITORANDGUARDAGAINSTTHEFTSYSTEMTHESYSTEMTAKESADVANTAGESOFCOMPUTERNETWORKS，WIRELESSCOMMUNICATIONNETWORKGPRSZIGBEE，DATABASESYSTEM，DATAACQUISITIONANDANALYSISSYSTEM，COMBINEDWITHTHEAPPLICATIONOFURBANLIGHTINGFEATURES，BUILDASETOFDATAACQUISITION，REMOTECONTROL，ALARMANDPROCESSINGSYSTEM，ANDREALIZETHEMANAGEMENTOFURBANLIGHTINGSYSTEMFORINFORMATIONSHARING；THROUGHENERGYSAVINGANDALARM，OPERATINGCOSTSCANBEREDUCED，ALSOTHEEFFICIENCYOFTHEUSEOFFACILITIESISIMPROVED；BYTHE24一HOURREALTIMECABLEDETECTSYSTEM，CABLECALLBEPREVENTEDFROMBEINGSTOLENEFFECTIVELY；MEANWHILETHEREMOTECONTROLANDREMOTETELEMETRYMAKESYSTEMBEMOREHUMANE，ANDIMPROVECITYSIMAGEINTHISPAPER,THEDESIGNOFSYSTEMHASBEENUSEDINCHANGTINGCOUNTY，THESTABLEANDRELIABLESYSTEMHASGREATLYIMPROVEDTHEMANAGEMENTLEVELOFTHELOCALSTREETLIGHTINGMANGEMENTANDALSOREDUCETHEWORKLOADOFINSPECTIONINTHISPAPER,THEFIRSTCHAPTERGIVESABRIEFOVERVIEWOFTHEBACKGROUNDOFTHESUBJECTTHEDEVELOPMENTOFSTREETLAMPMONITORANDGUARDAGAINSTTHEFTSYSTEMATHOMEANDABROAD；INTHETHESECONDCHAPTER,A髓RANALYZINGTHEADVANTAGESOFEACHLONGDISTANCECOMMUNICATIONANDGUARDANAINSTTHEFTTECHNOLOGIES，ANDCOMBININGWITHTHEREQUIREANDDESIGNPRINCIPLESOFPUBLICLIGHTINGREMOTEMONITORINGSYSTEM，THEFINALPROBLEMWASDESIGNED；CHAPTER1IIHAVEDETAILINSTRODUCEDTHEDESIGNOFMOUDLEOFINTELLIGENTSTREETLAMPMONITORANDGUARDAGAINSTTHEFTSYSTEM；THEFORTHCHAPTERANALYZETHEENTIRELYSTRUCTUREANDTHEIMPLEMENTMETHODOFREMOTEMEASURINGANDCONTROLLINGDEVICETHEFIFTHCHAPTERSTUDYSTHECONFIGURATIONSCHEMEANDFUNCTIONSOFCENTERMONITORSOFTWARETHESIXTHCHAPTERINTRODUCESTHEREALIZATIONOFPUBLICLIGHTREMOTEMEASURINGANDCONTROLLINGDEVICEATLAST，WESUMMARIZETHEARTICLEKEYWORDSZIGBEENETWORK；GPRS；CABLEGUARD厦门大学学位论文原创性声明本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学术活动规范试行。另外，该学位论文为课题组的研究成果，获得课题组经费或实验室的资助，在实验室完成。请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别声明。桫父V夜日名乙签月人“吼年声1厦门大学学位论文著作权使用声明本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交学位论文包括纸质版和电子版，允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。本学位论文属于1经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，于年月日解密，解密后适用上述授权。2不保密，适用上述授权。请在以上相应括号内打“或填上相应内容。保密学位论文应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权。棘K_名使日名签月厂0人年明气士尸旷第一章绪论第一章绪论11项目产生的背景和研究意义随着时代的发展，城市路灯已不仅仅是城建中所必需的公用基础设施，而且直接反映了城市的建设水平和城市风貌。城市现代化建设步伐的不断加快，对城市道路照明及亮化工程需求日益增加，人们对路灯的监控管理提出了更高的要求。就目前我国大部分地区的路灯监控系统总体来说技术还比较落后，大多数地区还在使用传统的控制方式。传统的控制方式由于没有采用远程控制技术，设备的实时状态无法及时获知，只有靠大量工作人员巡视、市民报修等手段来了解。从而无法实现系统的集中监控、操作结果的集中记录和统计，达不到量化管理的要求。近年来城市路灯数目的快速扩展，设备巡视的工作量也越来越大；同时由于人工巡视存在周期问题，导致有关部门无法及时掌握设备的故障情况；老式系统在节假日及特殊情况需要保证路灯亮灯率的时候，很难满足要求。因此，建立智能路灯的无线远程监控系统势在必行。显然目前的控制与维护手段已远远不能适应城市现代化发展的要求。近年来，计算机技术发展迅速，结合各行业实际取得了许多成果，极大的推动了社会发展。城市路灯监控系统要求符合时代进步要求，能够提高照明设施管理效率与现代化程度，提高照明质量，节省运行所需人力、物力。借助于计算机、通信等先进技术，开发研制一套自动化程度高、运行可靠、高效节电、使用维护方便的路灯无线远程监控设备正是本课题项目要解决的问题FLL。针对以上实际情况，本论文设计的城市路灯无线远程监控防盗系统，采用GPRS、GPS、GIS、ZIGBEE等多项新技术，能够完美地实现路灯无线远程跟踪、远程调控；并随着灯光负载的用电高峰期或低峰期的变化而变化，在不影响路灯照明的情况下，有效地对各类光源进行节电控制，从而极大的提高管理人员的工作效率，使整个城市路灯照明节电率高达15一30。安装此系统后有以下几方面的特点智能路灯监控防盗系统设计1开关灯时间多样控制根据该地区的地理位置经度、纬度，自动计算日出、日落时间，通过现场参数补偿，以此作为该地区路灯的开关灯时间表，实现路灯自动控制；同时可支持人工手动输入时间表的手动控制；并能在阴雨、沙尘暴等特殊天气状况下，通过光源采集器的辅助控制，实现光线不足时，自动开关灯。2监控路灯实时状态中央控制室能定期自动巡测，或随机地遥测各路段路灯的运行状态，例如各配电控制柜进线电压、各回路三相电流、有功功率、用电量、接触器的开关状态、欠压、过压、短路、断路、环境温度、电力载波通信设备运行状况等。通过对这些数据的分析得到路灯线路状态、亮灯率、故障原因等有用的数据资料。3远程抄表将各个路灯线路所用的电量上传监控中心，改变以往人工抄表带来的开销大、不方便控制等诸多问题。4防盗路灯电缆智能报警系统，可有效地防止路灯的电力线缆被剪断、盗窃、破坏。5报警方式当监控节电设备终端发生报警时，中央控制室计算机能自动实现语音、文字报警，并具有短消息方式将故障直接传送至管理人员手机上的功能。6手机摇控系统可接收外出管理人员手机遥控信号，实现路灯开关控制。12国内外路灯监控防盗系统的现状路灯远程监控防盗系统是一个典型的分布式监督控制和数据采集系统【21，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技系统，利用计算机借助一定的通信通道，可以对全市路灯、景观灯等照明设施的箱式变电站、变电柜、控制柜、线路电缆状态等进行实施监控的测控系统，集中实现监测和控制。在国外，已经普遍利用计算机控制道路照明，如日本、法国、德国和瑞士等国，通过电脑来制定一个自动化程序，使路灯的启闭与日出、日落密切配合，节省能源，此外国外已经成功的将电力载波技术应用于电缆防盗。2第一章绪论而我国的路灯监控系统的发展还处于发展阶段，多数城市路灯设施的开、关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测、记录和统计。而管理部门多数采用“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。另外由于我国电网分布复杂，环境干扰严重，电力载波防盗技术很难在国内照明电缆防盗中推广。随着城市建设的不断发展，对路灯系统从数量到质量上的要求都在提高，常规的监控方式既耗费大量的人力、物力又不能达到准确和全面，已落后于城市发展的需要。采用先进技术提高路灯自动化控制与管理水平，已成为城市路灯系统建设的当务之急。13本课题项目要实现的功能131监控中心实现的功能针对以上现状和要求本课题项目要设计的智能路灯监控防盗系统以下简称RTU主要功能有1遥控自动遥控监控中心PC可自动按照经纬度算法自动算出当地日出日落时间。并以此时间作为开关灯时间下传到各个RTU；手动遥控用户可通过PC手动设置开关灯时间。同时可通过执行立即开关灯来处理紧急事件。2遥测自动巡检监控中心PC对RTU进行定时数据采集巡检时间可设。采集各点的电压、电流、温度、用电量。手动巡检用户通过鼠标点击查询各点的状态、并将数据显示。3遥信监控中心PC可查询RTU的时钟、存储的开关灯全夜灯、半夜灯时间以及接触器开关状态。4报警功能中心能将所有RTU的报警信息进行综合处理，并通过短信方式传达给管3智能路灯监控防盗系统设计理人员，同时可实现语音报警。多种报警功能可由管理人员开启或者关闭。FI管理管理员可以在各自权限范围内对系统进行管理、手动动态添加删除道路信息、修改密码。132监控RTU实现的功能RTU是以16位单片机为核心的智能嵌入式系统，能根据中心发送的相应指令进行动作、主要能实现参数设定以及数据查询功能。1ID设定每个RTU所在的配电箱有唯一的身份识别ID，本系统ID采用6位数字组成。一个监控中心可最大管理LO万个末端2中心IP地址、域名地址设定RTU支持域名和固定IP两种方式访问，域名地址和IP地址可通过按键输入设定。3系统时间设定RTU支持离线系统时间设定。当出现网络异常、维护人员可在现场通过按键校准系统时间。4继电器开关灯时间及模式设定RTU可控制4个的继电器。每个继电器开关灯模式全夜灯、半夜灯、以及开关灯时间均可通过现场按键进行配置。5自检功能RTU能对系统内部的各个模块进行检测，并将检测异常信息显示在液晶屏幕上。6查询功能管理人员可通过按键操作查询现场电压、电流、温度、接触器状态等参数。7控制功能RTU可根据设置好的开关灯时间控制继电器开、关，同时可通过按键实现对单个接触器控制开、关。8通讯报警功能RTU能通过无线方式与监控中心进行通讯、响应中心的指令、同时能将现4第一章绪论场报警信息如电压电流过高、过低、异常开关灯、电缆被盗、柜门非法开启等反馈到中心。14本课题主要工作及论文结构141本课题主要工作1前提准备及需求分析作者参加了长汀县路灯监控防盗系统项目的投标、调研、设计、调试等工作。2总体设计根据客户及目前市场需求确定智能路灯监控防盗系统的整体设计方案，并对RTU硬件部分进行分析设计。3RTU的硬件选型及独立模块设计根据确定的方案完成RTU的电路图以及PCB图设计，同时针对各个分立模块进行选型设计。4监控中心软件设计参与监控软件的功能设计以及RTU与监控软件之间的通信协议以及格式的设计。5综合调试参与硬件软件联调，完成系统研制。142论文结构本文第一章首先简要概述了课题的背景、国内外路灯照明监控防盗系统的现状和发展；第二章在分析各种远程通讯方式以及防盗技术的优劣，结合公共照明远程监控系统应具有的功能和设计原则，确定了监控防盗设备的总体设计方案；第三章详细阐述智能路灯监控防盗设备的模块设计；第四章分析了智能路灯监控防盗设备软件的整体架构及具体实现方法；第五章对监控中心软件的配置方案及实现的功能进行了初步的研究；第六章介绍所设计的智能路灯监控防盗的实现；第七章对全文进行了总结。智能路灯监控防盗系统设计第二章智能路灯监控防盗系统设计方案21智能路灯监控防盗系统设计方案211系统设计所遵循的原则1经济性要求由于测控系统是为实际工程需要所设计的，所以必须考虑经济性指标。为了获得较高的性价比，设计时不应该盲目追求复杂高级的方案，在满足性能指标的前提下，应尽可能采用简单的方案，从而节省工程的实际开支。2可靠性要求可靠性是监控系统的重要指标，也是设备技术水平的主要体现，系统及监控终端在设计上增加了各种防范措施和纠错方案，具有良好的电磁兼容性和异常情况下的后备处理能力，确保系统和设备能经受高低温、电磁干扰、冲击耐压、静电辐射、振动等恶劣环境的考验，确保开关灯正常操作。3操作和维护要求测控系统必须具备很强的可操作性，应该使工作人员能够简单方便的进行现场操作和中心监控操作。从维护要求上说，系统必须具备一定的故障诊断能力。4实时性要求系统以无线通信网络为传输信道，各监控终端时刻保持在线，确保监控中心命令能够迅速及时下达执行，监控终端的数据、状态及各种异常报警信息能够立即传送至监控中心，为管理人员迅速反应提供技术保障。212系统的总体设计架构城市路灯远程监控系统是一个典型分散式测控、集中式管理的系统，可对城市内的所有路灯设施进行监视、控制和管理。城市路灯远程监控系统主要由四部分构成一是直接用于控制城市路灯设施的监控设备以下简称IHU；二是用于电缆防盗的的电缆智能防盗系统；三是用于远程无线通信处理任务的GPRS接口模块；四是位于管理处的监控中心监控软件，实现对整个城市路灯网的远程监控、管理等功能。系统整体如图212所示。6第二章智能路灯监控防盗系统A22关键技术的设计图2L2系统总体絮构图22LGPRS通讯设计目前公共照明无线远程监控系统比较常用的GPRS纽网方式是监控中心采用固定IP方式接入互连网。采用固定M方式，租赁费用较高，不利于中小城市的应用与推广口L。此外，6PRS网络在数据传输方面存在一定误码率，加之时常出现的网络中断，会造成通信数据的丢失。为此，本文采用GPRS域名访问方式设计实现公共照明设备的无线远程通信，节省了系统运行费用同时设计一套带有CRC码检验的GPRS通信协议，保证了通信数据的准确性。6PRS域名访问方式实现无线通信的过程如图221所示。图22L域名访问架构图图中无线远程监控设备通过GPRS网络连接DNS服务器并将中心的域名发送给7基占点占智能路灯监控防盗系统设计DNS服务器，DNS服务器对中心域名解析，解析成功后无线远程监控设备便可与中心建立连接。域名访问的实现需要利用DNS解析服务器提供服务，本文采用花生壳域名解析客户端来完成域名解析任务。首先，中心的服务器申请一个域名并且将域名绑定到花生壳域名解析客户端；接着，公共照明无线远程监控只需知道中心所开启的域名，通过相应的AT指令对GPRS模块进行操作，即可实现GPRS域名方式访问，当域名访问成功后，DNS服务器将不起作用，这样整个GPRS域名访问已经完成，接下来进行的GPRS通信与域名无关。222电缆防盗设计目前，国内已有一些生产厂家生产了相应的照明电缆报警系统，试图解决该问题。这些产品都采用了电力载波通讯或者检测电缆特性的方法来进行偷盗检测。但是，由于照明电缆存在如下特性，这些技术或者误报率高，或者不可靠【41。1照明线路晚上亮灯后通电、白天灭灯后断电，要求全天候防盗报警。2路灯电缆的每个光源上都并联几十微法的补偿电容，传统的电力载波信号强度随距离成指数规律下降，导致电力载波通讯非常不可靠；3高压钠灯寿命终了前会出现“自熄“现象一直忽亮忽灭，间隔数分钟，导致电缆电流不稳定4照明电缆埋在地下，长期工作后受雨水、潮湿的影响导致漏电5照明设备自身的故障常导致局部灭灯，电流变化大，难以根据电流分辨出是电缆被盗还是灭灯。针对以上问题，本文采用更为科学可靠的检测技术以及采用ZIGBEE无线通信报警手段设计出电缆防盗设备，具体实现方法见下文。23本章小结在本章中，首先确定了本系统的设计原则，对路灯远程测控系统进行了具体的需求分析和要实现的功能，完成了系统的整体设计；然后通过对国内现有产品通讯方式的比较分析，证明GPRS无线通讯技术非常适合运用在远程测控系统中，此外分析了目前电力载波技术设计的电缆防盗系统的缺陷，提出了采用ZIGBEE网络完成无线报警系统设计。3第三章智能路灯监控防盗设备的硬件设计第三章智能路灯监控防盗设备的硬件设计31设备硬件总体构成路灯监控节电设备终端主要包括强电主回路、开关电源、人机接口、通信模块、节电控制模块、数据采集单元等部分。强电主回路指终端电控柜体内的电气控制电路，由熔断器、主接触器、自动空气断路器、调压变压器、保护控制电路等组成，用于实现路灯的开关灯控制、节电优化控制和故障保护等功能。电源电路包括模拟电路电源及数字电路电源，两部分电路互相隔离以避免干扰。人机接口功能较简单，用于手动控制路灯的开关、设定路灯节电状态，显示有关检测模拟量的数值等。通信模块实现设备终端的联网功能。节电控制模块利用节能线圈对路灯供电系统的电能质量进行最佳的优化处理，在不影响原有路灯设备正常使用及效果的前提下，自动输出一个合理的功率，从而达到节约电能和延长灯具使用寿命的双重功效。设备内部核心控制电路示意图如图31所示图31智能路灯监控防盗设备核心控制电路图中，主要包括9个模块GPRS通讯模块、电参数采集模块、时钟模块、温度采集模块、显示模块包括液晶、指示灯、按键、继电器控制模块、开关9智能路灯监控防盗系统设计量状态检测模块、电缆防盗模块、远程抄表模块。监控节电设备终端主要工作过程通过电压互感器、电流互感器实时采集路灯的工作电压和电流，自动对其进行定时开关，定时进入节电状态，选择降压幅度，自动判断线路负载的性质并采取相应措施，实现监控终端的过载保护等32核心控制器的选择测控系统中一般采用单片机或工业控制计算机来实现高速信息处理、数字化控制及网络通讯等功能。由于工业控制计算机启停时间长，系统的可靠性不如采用专用芯片实现的单片机系统，因此在可靠性要求很高的场合，多采用单片机作为测控系统的主控制器。同时，在测控系统中，作为主控制器的单片机对测控系统的品质指标提高具有举足轻重的作用，因此选择性能优良的单片机是提高控制系统性能指标的关键。为此本文依据以下多方面因素选择控制器。321核心控制器选型依据1性能根据设计任务的复杂程度来决定选择什么样的单片机2存储器研发阶段，推荐使用FLASH单片机，它有电写入、电擦除的优点，使得修改程序很方便，可以提高开发速度对于初具规模的产品可选用OTP单片机，可省去掩膜时间，加快产品的上市时间选用时程序存储器的容量只要够用就行了，不然会增加成本如果要保存数据的话，选用EEPROM，或者支持IAP的单片机3运行速度单片机的运行速度首先看时钟频率，指令集，几个时钟为一个机器周期在选用单片机时要根据需要选择速度，不要片面追求高速度，单片机的稳定性、抗干扰性等参数基本上是跟速度成反比的，另外速度快功耗也大。4I0口I0口的数量和功能是选用单片机时首先要考虑的问题之一，根据实际需要确定数量，I0多余不仅芯片的体积增大，也增加了成本。驱动能力，驱动电流大的单片机可以简化外围电路10第三章智能路灯监控防盗设备的硬件设计5定时计数器多数单片机提供23个定时计数器，有些定时计数器还具有输入捕获、输出比较和PWM脉冲宽度调制功能，利用这些模块不仅可以简化软件设计，而且能少占用CPU的资源。现在还有不少单片机提供了看门狗定时器WDT，当单片机“死机“后可以自动复位。选用时可根据自己的需要和编程要求进行选择，不要片面追求功能多，用不上的功能就等于金钱的浪费。6串行接口单片机常见的串行接口有标准UART接口、增强型UART接口、12C总线接口、CAN总线接口、SPI接口、USB接口等。大部分单片机都提供了UART接口，也有部分单片机没有串行接口。7模拟电路功能现在不少单片机内部提供了AD转换器、PWM输出和电压比较器，也有少量的单片机提供了DA转换器。单片机集成片内AD转换器的同时，还集成了采样保持电路，使用户容易建立精密的数据采集系统。PWM模块可用来产生不同频率和占空比的脉冲信号。可方便实现DA输出功能。P1JIM输出模块也可以用来实现直流电机的调速等功能。单片机内部集成的电压比较器可以实现多种功能，例如作阈值检测，实现低成本的AD转换器等。8工作电压、功耗单片机的工作电压最低可以达到18V，最高为6V，常见的是3V和5V单片机的功耗参数主要是指正常模式、空闲模式、掉电模式下的工作电流，用电池供电的系统要选用电流小的产品，同时要考虑是否要用到单片机的掉电模式，如果要用的话必须选择有相应功能的单片机。9封装形式单片机常见的封装形式有DIP双列直插式封装、PLCCPLCC要对应插座、QFP四侧引脚扁平封装、SOP双列小外形贴片封装等。00抗千扰性能、保密性选用单片机要选择抗干扰性能好的，特别是用在干扰比较大的工业环境中的尤应如此。单片机加密后的保密性能也要好，这样可保证你的知识产权不容易被侵犯。智能路灯监控防盗系统设计11其他方面在单片机的性能上还有很多要考虑的因素，比如中断源的数量和优先级、工作温度范围、有没有低电压检测功能、单片机内部有无时钟振荡器、有无上电复位功能等等。322MSP430的特点TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同的模块组成。由于我们所需的硬件乘法器和AD转换模块都是片内集成，使得设计简单，布线方便，能提高其可靠性，而且在稳定性和抗干扰能力上都有极大提高。这样，经过软件的精心设计可以完成全部功能，实现精确的、始终一致的选择性匹配保护，使配电系统的可靠性大大提古【51。1低电压、超低功耗MSP430系列单片机，在1836电压、1MHZ的时钟条件下运行，耗电电流在O1400ITA之间因不同的工作模式而不同；具有16个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便；用中断请求将CPU唤醒只要6PS，可编制处实时性特别高的源代码可将CPU置于省电模式，以用中断方式唤醒程序。2强大的处理能力MSP430系列单片机，为16位RISC结构，具有丰富的寻址方式7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法；有较高的处理速度，在8MHZ晶体驱动下，指令周期为1259S。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。3系统工作稳定上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。4丰富的片内外设MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。他们分别是表322中列出的外围模块的不同组合12第三章智能路灯监控防盗设备的硬件设计表322MSP430外围模块看门狗WDT定时器ATIMERA定时器BTIMER_B比较器串口0、LUSARTO、1硬件乘法器液晶驱动器LO位12位ADC14位ADCADCL4端口0P0端口L6P1P6基本定时器BASICTIMER5方便高效的开发环境目前MSP430系列有4种类型器件OPT型、FLASH型、EPROM型和ROM型。这些器件的开发手段不同。对于FLASH型有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C语言。6工业级的产品MSP430系列均为工业级的，运行环境温度位一4085摄氏度。经过一系列比较，最终确定选择MSP430F149，因为片上有集成12位AD转化器ADCL2，1个硬件乘法器，60KB256字节FLASH，2KBRAM，16位定时器TIMERA3和16位定时器TIMERB7，支持JTAG编程。33系统电源复位电路设计电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位，但却往往被忽略61。设计电源系统的过程实质是一个权衡的过程，必须考虑如下因素1输出的电压、电流、功率；2输入的电压、电流3安全因素；4输出纹波；5电磁兼容和电磁干扰；6体积限制；13智能路灯监控防盗系统设计7功耗限制；8成本限制。331要求分析由系统设计可以看出主要能耗在液晶触模块，经过实际测量得出液晶的背光和控制信号的电流消耗为80MA，液晶背光的电压为12V，液晶控制信号的电压为5V。而对于系统的其他模块均为低能耗，要求能提供40MA。由此，可以看出选用输出电压为12V，最大输出电流为2A的开关电源完全能够满足系统的输入电压和电流需求。其中系统中需要12V电压的模块有系统电源输入、液晶触摸屏的背光电源、模拟量输出的运放供电电压、开关量输入输出控制的电磁继电器供电电压。而GPRS模块由一个自带的变压直流电源为其提供工作电源，因此不需考虑此部分的电源需求。由此可以看出电源模块的设计集中在末级电源电路的设计。下面分析一下电源模块的输出电压和电流要求，系统中需要设计的电源部分就是把开关电源提供的12V电压转化为其他部分需要的5V、33V电压。其中这些电压部分的电流要求不大，液晶屏的控制信号需要的5V电压的电流最大为80MA，33V给GPRS模块以及单片机供电电流峰值达到15A。经过分析设计出如下的电源输出方案如下表33I所示表331电源输出设计方案输入电压12V输出电压5V33V输入电流2A输出电流15A15A332末级电源电路设计因为系统5V、33V和18V对这三组电压的要求比较高，且其功耗不是很大，系统对功耗的要求也不是很高，反倒对噪声很敏感。按照上表的设计分析，采用是比较理想的选择。对于5V采用LM2575系列开关稳压集成芯片，它内部集成了固定振荡器，只需极少数的外围器件就能构成高效的稳压电路【71。而对于33V采用低压差线性电源LDOLMLLL7。LMLLL7有很低的静态电流，在满负载时其压差仅为11V。当电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。具体的电路如图3321，3322所示。14第三章智能路灯监控防盗设备的硬件设计ULVDD50124。1FE匕U廿ACKV州2LLFU_，、UULRUI3复NHNA25754C1C挈NLND23104470EFBY4N胼F0N毙19；、104ND1470LIFFI6可V0033卜一铂I|I图33，2233V数字电源和模拟电源当然，作为一个现场工作的终端设备，需要一定的交互功能，指示系统的工作状态，电源指示是必不可少的。因此，可以从上面的电源设计看出设计了5V、33V的供电指示灯，而且三种指示灯的颜色分别为白色、蓝色。为了减少数字噪声对模拟电路的影响，在印制板布线时数字电路和模拟电路最好分开，能不互相交叉就最好了，电源线和地线在各自的主滤波电容输出点单点分离，在就近的地方连接。这些原则和方法，不仅适合于电源系统设计，对任何混合信号系统设计都是有好处的333系统复位电路微控制器在上电时状态并不确定，造成微控制器不能正确工作。为解决这个问题，所有微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为某个确15智能路灯监控防盗系统设计定的状态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。一些微控制器自己在上电时会产生复位信号，但大多数微控制器需要外部输入这个信号因为复位信号会使微控制器初始化为某个确定的状态，所以这个信号的稳定性和可靠性对微控制器的正常工作有重大的影响。简单的阻容复位电路价格低廉，但不能保证任何情况下产生稳定的复位信号，所以一般场合需要使用专门的复位芯片。如果系统不需要手动复位，可以选择MAX809；如果系统需要手动复位，可以选择SP708SCN。复位芯片的复位门槛的选择至关重要，一般应当选择微控制器的IO口供电电压的范围标准。针对MSP430来说就是这个范围3OV36V，所以其复位门槛应当选择为293V。SP708SCN支持开关式”LCMOS手动复位输入，复位脉冲宽度为200MS，确保微控制器能够可靠复位。并能同时输出高电平和低电平复位信号，满足不同复位电平的微控制器的要求。芯片内嵌电源干扰抑制电路，防止由于电源的波动而产生不希望的复位信号81。具体电路如图333所示。T一图333系统复位电路设置34串口通讯模块扩展341G凇125S扩展设计监控设备中有3个模块需要与主控模块进行异步串行通信，包括GPRS通讯模块、远程抄表和电缆防盗模块。而MSP430F149只有2个异步串行接口，异步串行口0分配给GPRS通讯模块，只剩一个异步串行口1给远程抄表和电缆防盗，所以对异步串行口1进行了串口扩展。系统选用了成都国腾微电子有16第三章智能路灯监控防盗设备的硬件设计限公司高性能串口扩展芯片GM8125S。GM81215S具有将1个全双工串口扩展为5个全双工串口的功能。5个子串口的波特率可调，最高可达38400BPS。该芯片的外部控制少，应用灵活，编程简单，适用于大多数有串口扩展需求的系统，而不需修改外部电路和晶振频率【91。GM8125S有2种方式控制串口扩展模式单通道工作模式和多通道工作模式，即可以指定一个子串口和母串口以相同的波特率单一的工作，也可以让所有子串口在母串口波特率基础上分频同时工作。该系统中选用GM8125的单通道工作模式。母串口连接MSP430F149的异步串口口1，子串口1连接电缆防盗模块，子串口2连接远程抄表。这样母串口与子串口就可以保持一致的波特率进行通信，只要在通信前对工作串口的地址线进行选择即可。MCU的P4OP47作为GM8125S的片选信号和地址信号。具体的串口扩展部分的电路原理图如图341所示。矍薰囊譬5畦F薰篚2图341GM8125S扩展电路原理图公口342远程抄表长期以来，我国生产的交流电度表均为感应式电表进行数据采集机械电度表，几十年来不得不采用人工抄读的原始方式。由于人工抄表带来诸多问题，开销大，不方便控制，经常出现偷电现象。在社会走向信息化、网络化的今天，智能电表应运而生。本系统所设计的路灯监控设备不仅有监控的功能，还留出了RS485通讯接口，可以与具有RS485通讯接口的智能电表相连，将各个照明线路所用的电量上传到监控中心。通过相关调研，国内自九十年代初开始研制远程集中抄表系17智能路灯监控防盗系统设计统，由于中国的实际国情，长期一直没有相应的行业标准。远程集中抄表产品市场广阔，发展潜力很大，到现在各种产品种类繁多，形式复杂，缺少一个统一的规范。1997年电力工业部发布的DLT6451997三相电子式多功能电能表通讯规约，1999年发布DLT6981999低压电力用户集中抄表系统技术条件，这两个标准是电力行业执行的电表抄表通讯标准【101。2004年2月国家建设部发布了一个相关的行业标准CJT1882004户用计量仪表数据传输技术条件，规定了水、气、暖表等抄表通讯规范。由于标准制定的归口单位不同，各个行业实行的标准也不同。CJT1882004标准在考虑目前国内现有技术和现状的情况下，参照了欧洲类似的行业标准MBUS，制订了此行业的一些要求和规范。该标准规定了计量仪表数据传输的基本原则、接口形式及物理性能、数据链路、数据标识及数据安全和数据表达格式的要求，对技术的采用并没有提出太多限制。就目前国内的远程集中抄表技术来说，大多是采用国外此行业类似技术和芯片，或采用一些成熟的数据通讯技术，并根据国内需求定制和发展。相比于其他的几种通讯协议，如MBUS、电力载波、以太网甚至于无线通讯等，尽管RS485总线存在某些不足，但由于RS485标准制定时间早，应用广泛，特别在国内具有很强的影响力。目前许多厂家生产的设备大多提供RS485接口，并以此为标准。例如许多集中式水表采集器、集中式电表生产厂家的产品都内置RS485芯片，提供RS485信号输出接口。现在新开发的各种产品，厂家还是习惯于沿用这种标准。所以本系统设计的路灯监控终端预留了RS485通讯接口，具体电路图如图342所示。MSP430F149的P3口具有串口通信的第二功能，所以将MCU的P36P37，P67预留，作为远程抄表扩展用。485通信口采用二极管进行保护。舭KKK丰ND肌删2姒R妯一RKM斟UA7K潞I；篓墨|；I上20RDI4IVLL5KE75IR五RIMFR20LLL加LI归2A2I。7。1。“7HX4鼬RI3C315PFC3215PFULOK2IC3I15PF图342485电路原理图18第三章智能路灯监控防盗设备的硬件设计35电缆防盗电力电缆、供电路灯线路防盗，一直是电力系统工矿企业的难题，目前市面上还没有一款电缆防盗产品得到广泛推广使用。现今比较流行的电缆防盗技术主要有以下几种采用电力载波通信技术、电流检测技术、电阻电容检测方法等等L。但由于电力线缆所处的环境因素复杂、外界干扰强，采用以上几种技术原理的防盗产品在现场环境中时常失效，出现误报或则有警不报的情况，造成很大损失。针对该问题，本文设计了一套更为可靠的电缆防盗系统，系统由一个主端和N个末端构成。主端位于配电箱内，末端则安装在电缆线路的末端，该防盗系统主要工作原理课描述为白天时候，线路的主端发送一低压直流信号，末端依据接受到的信号为依据判断线路是否完好，在夜晚末端通过检测线路的50HZ交流电信号判断线路是否完好，末端在白天工作采用蓄电池供电，夜晚则利用220V交流电对蓄电池进行充电。末端和主端之间通过ZIGBEE无线网络进行信息交互。ZIGBEE】圃匿回图35电缆智能防盗系统的构成示意图如图35所示，电缆智能防盗报警系统是由一台电缆防盗中控模块和多个线路监控模块组成。其中，中控模块安装在配电柜内，通过RS232方式与路灯监控终端连接。此系统可将监控信息通过GPRS网络发到联网的信息中心统一管理，形成多变电站统一防盗监控。线路监控模块安装在任何一条线路的末端，防盗系统没有限制线路监控模块的数量，即一台电缆防盗中控模块可以监控多条线路电缆。任何一条电缆被破坏，系统都能即时将现场的地点、名称、时间等传送到控制中心报警，管理人员可及时处理。351防盗模块关键技术及解决方案1由于电缆分布位置复杂、所处环境干扰强，如何使用经济可靠的通讯方19II；智能路灯监控肪盗系统设计式报警是十分重要的。解决方案使用ZIGBEE网络。2利用ZIGBEE网络，使用无线通讯方式实现设备主动报警功能，通常情况使用电池，由于电池的使用寿命短T直接导致设备的可靠性低，路灯电缆白天无电，如何解决末端设备的白天供电是一大难题。解决方案使用可靠供电电源。352ZIGBEE网络组网设计ZIGBEE采取了IEEE802154强有力的无线物理层所规定的全部优点省电、简单、成本又低的规格同时，增加了逻辑网络、网络安全和应用层可使用的频段有3个，分别是24GHZ的ISM频段、欧洲的868MHZ频段、以及美国的915MHZ频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个，在中国采用240频段，是免申请和免使用费的频率。ZIGBEE犀大的优点的支持自组网、网络自愈能力强、通信可靠，同一个网络容量可支持多大65535个设备加入I”I。ZIGBEE组网方式灵活网络拓扑结构主要有三种星型、网状网、族状。其中网状网功能最强大、复杂、可靠。其组织结构如图352所示，考虑到电缆分布现场复杂、干扰性强，本文设计的ZIGBEE组网采用网状网方式网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、白愈功能。中心安装在配电箱、节点安装在防盗末端。各个末端节点配置成中继路由模式，并且在线路上交叉安装中继路由确保通信可靠。只要其中一个正常就可实现通信可靠完成。图中表示了三种组网方式，网络主要由中心节点，中继路由和节点三种类型的设备组成，其中中心节点起管理分配数据传输路径作用中继路由起中间接力作用，节点设各面向最终控制端。削352ZIGBEE网络结构器一髯旋书第三章智能路灯监控防盗设备的硬件设计353防盗电源供电解决方案防盗系统的电源由前端和末端组成、一个前端可连接多个末端。前端主要作用是白天的时候实现给末端供电。在白天的时候，前端装置自动向防盗末端所在的电缆供应36V直流电源；在夜晚亮灯时候切断直流电转为设备正常的交流供电。为此末端的电源部分必须采用能支持宽压直流和交流输入的开关电源，同时在出现电缆割断时、末端采用内部电源发送报警信息，实际中我们末端内部电源采用超级电容放电实现，具体的方案涉及到商业机密本文不再详述。36GPRS通讯模块设计在本系统中，监控终端和监控中心的通信是非常重要的。监控终端和监控中心的通信是基于GPRS无线数据传输技术的，而GPRS模块则是实现GPRS通讯的关键部分，本系统中的GPRS模块选用的SIMCOM公司的SIM300C模块。361SIM300C模块简介SIM300C是SIMEOM公司的无线通讯模块，它内嵌了TCPIP协议栈，支持GSMGPRS通信，而且其具有射频天线、本地SIM卡连接、TTL串口等接口，采用工业级设计，工作温度范围20N80摄氏度。选择SIM300C作为GPRS通讯模块主要是考虑到它的适应环境的能力比较强；自带串口，便于与MSP430的串行通讯；具有状态指示标志，方便了调试；最后，它内嵌了TCPIP协议栈，大大简化了通讯难度，开发者不需要自己实现TCP的打包过程，便于软件系统的开发【131。362通讯模块硬件设计本系统中SIM300C和MSP430之间的通讯是通过各自的UART接口来完成的，SIM300C的RS232接口一共包括9根信号线，除了RXD和TXD是负责真正的数据传输工作之外，其他的信号均是用来完成硬件握手的信号。具体电路接口如图362所示。P34作为TIIN，P35作为RIOUT。图中，GPRS通信模块通过TTL电平与MSP430的UART0口相连，实现全双工的数据通信。GPRS通信模块采用33V供电，MSP430的P1O接到GPRS通信模块的DTR，DTR信号用来通知GPRS模块MSP430准备准备发送数据还是发送已经