GPRS/GSM智能监控系统在路灯节能上的应用

一、概述

　　随着时代的发展，城市现代化建设步伐不断加快，对城市道路照明及城市亮化工程需求也更大，而能源的供需矛盾也越来越突出，节电节能、绿色照明的要求越来越迫切，越来越高。 现在再采用那些传统的手控、钟控城市照明系统的方法已不能满足要求。如何充分利用高科技手段解决上述矛盾也就成为当前照明控制领域一个新的和紧要的课题。城市道路照明自动化控制和智能化管理作为城市现代化的标志之一，它所带来的经济和社会效益是十分显著的，它的推广和实施也将是市政工程建设中的一项重要内容。

　　照明自动监控与管理系统能够灵活开/关灯，随时了解运行参数，及时发现故障，将传统的人工“巡灯”制度改为“值班”制度，极大地提高照明系统的管理效率。系统能将采集到的数据自动进行存储、统计，并能随时进行查询和打印，极大地提高管理水平，同时还能通过全夜灯、半夜灯和智能调压等手段，降低能耗，提高设备使用寿命，获得良好的经济效益。GSM/GPRS无线透明传输终端与路灯智能监控器和管理系统，采用先进的计算机通信技术和数字信号处理(DSP)技术，通过交流采样的方法，完成现场的电流、电压以及功率、功率因素等参数的采样、运算、存储、显示，并根据预置参数或调度端的命令自行完成数据的传送，并实现对路灯、景观灯的远程监控，从而实时掌握照明系统运行状况，快速发现路灯故障、盗窃等并能主动报警，确保照明系统的可靠运行，提高路灯运行质量。

　　二、系统框图

 

　　三、路灯监控系统GSM/GPRS的无线DDN应用，为城市路灯监控中心提供随时掌握路灯的工作状态和故障情况，并可随心所欲的打开或关闭路灯的功能。

　　路灯监控系统主要是在线路终端配置了GSM/GPRS传输模块，根据实际情况的不同，GPRS模块的安装位置不同。

　　方案一、是一个GSM/GPRS通信模块通过低压电力线管理连接在统一配电变压器网络内的多个监控器，从而实现一个GSM/GPRS通信模块负责多个路灯或照明设备的监控和管理数据的传输；

　　方案二、是每个路灯都装有一个监控器和GSM/GPRS模块，可以做到监控与管理每一个路灯。通过监控器，系统能自动监测到跳闸、断路、电压异常、供电故障、开关灯控制异常等突发事件，并通过GSM/GPRS通信模块及时将告警数据上传到监控中心，以供监控中心值班人员及时了解情况，做出处理。　　对于路灯管理部门来说，基于无线DDN（GSM/GPRS承载方式）的路灯监控系统只需在原有路灯线路上增加GSM/GPRS模块（由GSM/GPRS模块将路灯的实时信息发送给监控中心，并接受来自监控中心发来的调度指令）；并且在监控中心增加GSM/GPRS接口功能同时以专线方式将监控中心与GSM/GPRS核心网连接即可。该系统主要特点如下：A、经济性：建设成本少，路灯监控中心与路灯之间是通过GSM/GPRS网络进行连接，可以大大节省布线的成本，前期投资少、见效快，后期升级、维护成本低，易于规划。B、实时性：由于GSM以短消息方式与GPRS具有永远在线的特点，能够实时的将路灯的变化信息传送给监控中心，便于工作人员及时监控路灯的状态并进行调度安排。C、灵活性：由于减少了固定的传输线路，路灯的位置设定比较灵活；另一方面由于GSM/GPRS传输模块的安装位置的不同，GSM/GPRS模块可以负责单个、几个或者一路路灯的数据传输，统筹安排比较灵活。

　　四、使用该系统的优点或优势

1、提高亮灯率

　　系统投运后可以随时发现路灯运行中出现的问题，随时处理，提高亮灯率。

2、节约能源，减少电费支出

　　在系统投入使用后，可在深夜行人稀少和交通量减少的情况下，执行“隔一亮一”或“隔二亮一”的照明方式，既给夜间出行的行人带来主便又能节约大量的电费支出。在实现单控后，由于隔盏关灯进行控制一般是通过敷设双线电缆实现的，现在最少还能节约50%的电缆成本及其施工费用。这对现有系统的改造十分方便，无须敷设额外线缆。

3、延长灯具寿命

　　采用路灯智能控制终端智能调压方式节能运行后，可保持每盏灯电压相对稳定，尤其是在后半夜电压升高的情况下。据测试，正常电压（220V）情况下，钠灯电压为100V，电压升高后（230V-240V），钠灯电压可升至120V-150V；正常电压环境下降压节能运行后，钠灯电压一般为85V，电压升高环境下，钠灯电压可保持在100V左右。从理论和实际使用环境，采用调压控制节能可以延长路灯使用寿命。因此，调节电压方式具有双重节能的效果。

4、节约人力、物力，提高管理水平

　　由于可实时监控每盏路灯、每个路段及亮化工程点工作状态，计算机可以及时对故障进行汇总，写入数据库，以便次日进行维修；利用动态实时模拟显示屏，监视全市路灯，值班员在中央控制室就可以概览路灯现场运行情况，从而减少巡灯的维护成本和减轻巡检人员工作强度，大大提高工作效率。另外，在恶劣天气时，根据各路灯控制智能终端采集的数据情况加以分析，采取相应紧急措施，避免重大交通事故的发生。

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解决方案

 

                     

           

          

                         

                    

                    

                    

                    

    

                                

 

 

 

 

 

第一部分

  

概述

 

随着工业自动化的发展，在原有的人工手动抄表中已经发展到远程智能抄表，通过现有的网络智能化的从远端把需要的数据采集到一起，那么，在很多必须无人值守的设备或监测点，不适合搭建有线通讯网络。若采用光纤或电台的方式实现无线通讯，不仅设备投入耗资巨大，而且不适应移动的需要。

随着新一代移动通讯业务的产生和全面投入，无线移动数据通讯的应用也越来越广泛。安全的数据传输和永远在线特点，配合按流量收费的资费方式，使GPRS通讯在工业控制、环境保护、道路交通、商务金融、移动办公、零售服务等行业中的应用具有无可比拟的性价比优势。采用GPRS无线通讯网络的移动IP通讯，既可独立作为数传通道，也可作为已经架设光纤、数传电台等方式的辅助手段。

GPRS远程抄表系统是深圳市纽克斯能效技术有限公司和系统集成商合作开发的基于GPRS技术的用电管理自动抄表系统。它由电度表、 GPRS IP MODEM、采集器及中心服务器组成。采集器实时采集用户的用电数据，通过GPRS网络把数据汇集到服务器。具有采集数据快速准确，能快速生成用电统计分析,交费单据等特点，与传统的人工抄表、电话线抄表相比，极大地提高了效率。

本系统除了准确、实时抄表外，还提供了设备管理功能，如告警：开箱告警、停电告警、逆相告警、超温告警、过载告警等；控制：对欠费用户进行拉闸等。并提供停电数据保护功能，在停电48--72小时内仍可抄表和监控。本系统结合联通公司的短信平台，在告警时，可根据具体内容发短信给相关的管理人员。

本系统提供丰富的接口，可与电业系统的MIS系统链接或进行二次开发。

抄表软件系统数据库为SQL Serve数据库，运行于WIN98/2000/XP、NT的操作系统，易于使用。软件所能管理的用户数量没有限制。

 

 

 

第二部分 

项目分析

 

本系统由电度表，采集器，GPRS IP MODEM传输终端，带系统软件的主站组成。手持终端是本系统的补充，在系统出现意外时进行人工抄表。

 

2.1系统组成

2.1.1

  电能表： A）三相有功无功多功能表，有功0.5级、无功2级，具有RS485通讯接口，电力部DL/T645通讯规约。或者使用：B）三相有功复费率表，有功1级，具有RS-485通讯接口，电力部DL/T645通讯规约。

   2.1.2

  采集器：采集器主要特征如下：采用

24

个I/O口，可带24户电度表，停电数据保护，带后备电源，停电后仍可抄表。

   2.1.3

  传输终端：

 

传输终端采用GPRS IP MODEM，实时永久在线，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈，透明传输，同时支持RS232和RS485，支持多种工作模式，支持虚拟数据专用网。

   2.1.4

  中心软件系统：基于

GPRS

数据库的抄表软件，用户数量无限制，安全可靠，运行和处理速度快 ，功能丰富完善。

 

2.2      系统总架构

 

              多个电表通过RS485通信接口把电表数据传到采集集中器上，采集集中器通过RS485通信接口和四信通信的IP modem连接，远程数据中心服务器可以使用APN专线或普通ADSL等作为网络接入。通过GPRS网络连接到远程数据中心服务器主机，建立透明数据通道后，采集终端产生的数据只要送到串口，GPRS就会把收到的数据原封不动地发送到数据中心服务器主机；同时服务器主机下发的命令通过通道传输到GPRS后，GPRS通过串口送到采集终端，从而实现了数据双向透明传输。系统拓扑图如下图所示：

2.3系统功能

（1）设置电能表的参数，读取各种计量和管理数据；

      （2）抄表数据的统计、查询、备份、报表、图表生成；

      （3）厂站管理；

      （4）自动抄表、定时上报、实时查询等；

（5）掉电数据保存；

（6）瞬时量数据的综合处理；

（7）系统数据备份、存档和向外输出数据；

（8）历史数据事件记录功能；

（9）实时报警；

      （10）根据线路上的表计关系计算线路损耗；

      （11）可提供多路模拟量、开关量输入，实现开箱告警、停电告警、逆相告警、超温告警、过压告警、过流告警、过载告警、倾斜或移动报警等其他功能；

（12）远程控制断电功能；

（13）采集的参数丰富，如：a.当前、上月、正向有功、反向有功、无功四象限的总及尖、峰、平、谷四费率电量；b.正向、反向、有功、无功的最大需量及最大需量发生时间；c有功功率、无功功率、三相电压、三相电流、功率因数；d失压累计次数、失压累计时间、集抄器停电起止时间等；e单位时间负荷曲线、三相电流曲线、三相电压曲线、有功功率曲线、无功功率曲线、功率因数曲线。

第三部分 项目架构实施

 

3.1 传输模块与采集终端连接

 

GPRS无线传输模块同时支持RS232/485接口，可通过RS232/485与终端通讯。本系统采用的是485的接口方式。GPRS和采集器的接线线序如下：

 

3.2 数据中心网络接入方式分析

 

1.     APN专线接入

 

         中心采用APN专线， 所有点都采用内网固定IP，客户中心通过一条2M

APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。

为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN，防止其他非法用户的进入。

用户在内部建立RADIUS服务器，作为内部用户接入的远程认证服务器（或在APN路由器内，启用路由器本地认证功能）。只有通过认证的用户才允许接入，用以保证用户内部安全。

用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过认证的用户分配用户内部地址。

移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。

 

中心采用APN专线接入的方式，在实时性，安全性和稳定性表现优异，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下之最佳组网方式。

2.     ADSL拨号连接（动态公网IP地址）

        中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网动态IP+DNS解析服务的。客户先与DNS服务商联系开通动态域名，IP MODEM先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到中心公网动态IP，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。

3.     通过固定公网IP连接

        中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网固定IP服务的。此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP的。IP MODEM直接向中心发起连接。虽然申请固定IP费用比较贵，但其运行可靠稳定，组网方式简易方便，深受广大用户的青睐，一般推荐此种方案。

 

       3.3 无线数据传输方式

 

传输设备采用GPRS，其功能齐全，性能稳定，简单易用，它是一款工业级别的无线传输终端，已经广泛地应用在各种各样的工业，金融场合。

终端设备和传输设备连接好后，设置好各种通讯参数，工作模式后，在传输设备GPRS中填入数据中心的地址和应用程序的端口号。这样当终端设备数据传给传输设备GPRS，GPRS就会把数据透明地传输到中心。

终端设备支持多种中心模式（主备中心，多中心），多种激活模式（电话，短信，数据），多种工作模式（TCP，UDP，telnet等），方便用户组网和各种系统需求。心跳包机制，注册包机制，数据帧可控，重连机制等多种机制不仅保证设备实时在线，而且稳定可靠，同时方便客户根据现场的情况，来设置各种传输参数，进而达到最佳效果。 

 

       3.4 数据中心软件平台构建

 

   能耗监测系统的核心部分是系统软件，它遵循DL/T645部标通讯规约，并有扩展性。

具有GPRS无线模块的中心端软件建有多种方式，对于传入数据的方式的不同，我们提供不同的软件来帮助客户快速地实现中心端的数据接收和现场设备的管理。

目前提供三种方式的中心接口：

 

 

首先是对于组态软件，目前很多组态软件厂家已经集成了GPRS的驱动了，可以直接配置使用；其次对于原本是读串口的程序，为了兼容原来的系统而不做开发工作，我们提供一个虚拟串口软（TCP2COM）；最后是对于想开发自己独有的数据中心软件的客户，会提供一个动态链接库及测试版数据中心软件，不仅开放源码还全程协助客户进行自己数据中心软件和功能的开发。客户可能通过动态链接库快速开发一个灵活的，稳定的，功能齐全的终端管理和数据交互的中心软件。

        如下是该系统的中心站软件：第一个图式web界面的，第二个图是用VB开发的中心站。

在系统安全方面，本公司除了采用大型、多用户的SQL Serve数据库、系统对用户实现分级授权管理和提供防火墙功能及完善的数据备份功能外，对网络无线数据监控中心还提供了安全技术解决方案，以确保数据安全可靠。

 

三．设备的特点和参数

 

1.电能表

DTM820c

型三相四线电子式有功电子式工业级电能表，使用在供电部门、工厂、企业、商业、农业的动力、照明设备的有功电能计量。用于计量频率为50Hz的交流三相有功电能

,

并电量采用计度器显示，读数直观便于抄表,本仪表可扩展红外和

RS485

通讯功能，为三相电能测量提供先进、可靠的计量工具。本仪表符合标准DL/T 645-1997《多功能表通讯规约》和

GB/T 17215.321-2008

《1级和

2

级静止式交流有功电度表》。

2. GPRS通信模块

GPRS IPMODEM采用高性能嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。针对网络流量控制的用户，产品支持语音，短信，数据触发上线以及超时自动断线的功能。同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。已广泛应用于金融，水利，环保，电力，邮政，气象等行业。

它具有丰富的软件功能：

1.     智能防掉线，支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线。

2.     支持RSA，RC4加密算法

3.     支持虚拟数据专用网（APN）

4.     透明数据传输与协议转换，支持多种工作模式

5.     支持数据中心动态域名和IP地址访问

6.     支持双数据中心备份

7.     支持多数据中心

8.     支持短信、语音、数据等唤醒方式以及超时断开网络连接。

9.     支持短消息备份及告警。

10. 多重软硬件看门狗

11. 数据包传输状态报告。

12. 标准的AT命令界面

13. 可以用做普通拨号MODEM

14. 支持telnet功能。

15. 支持远程配置，远程控制

16. 通过串口软件升级

17. 同时支持LINUX和WINDOWS操作系统

 

四．总结

合同能源能耗监测系统采用GPRS传输终端，实现了实时在线，永远在线，稳定可靠的数据传输。在成熟的GPRS网络上构建无线数据网络，使在合同能源能耗监测系统实现无线数据传输的成本和技术大为降低。而且GPRS传输终端工业级设计，组网灵活，安全可靠，实时在线的特点很适合运用在能耗监测行业