隨著高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，道路照明越來越重要。作為高速公路照明的路燈在其長時(shí)間的工作下，不可避免的會有故障的發(fā)生。如何將故障路燈的故障情況、具體位置及時(shí)報(bào)送給高速公路路燈維護(hù)部門，以便相關(guān)人員及時(shí)處理問題，是高速公路路燈維護(hù)部門期待解決的主要問題。目前，高速公路路燈維護(hù)部門對路燈工作狀態(tài)的監(jiān)測方式主要通過人工巡查、遠(yuǎn)程監(jiān)測（遠(yuǎn)程監(jiān)測又分為有線遠(yuǎn)程監(jiān)測和無線遠(yuǎn)程監(jiān)測）。人工巡查的方式耗費(fèi)大量的人力物力并且具有一定時(shí)間上的滯后；有線遠(yuǎn)程監(jiān)測可以有效解決路燈維護(hù)上時(shí)間的滯后性，但是設(shè)備的安裝維護(hù)比較困難并且建設(shè)周期長，財(cái)力物力投入比較大不適合大面積推廣；而采用GPRS無線通訊模塊的無線路燈工作狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備可以避免線路的鋪設(shè)、維護(hù)的缺點(diǎn)，并且其組網(wǎng)簡單、安裝方便，信息采集傳輸及時(shí)。該監(jiān)測設(shè)備可以全天候?qū)β窡舻墓ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行監(jiān)測，采集的路燈工作狀態(tài)信息可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)的發(fā)送到高速公路路燈維護(hù)中心，路燈維護(hù)中心的服務(wù)器可以對監(jiān)測設(shè)備發(fā)送來的信息進(jìn)行處理，并將故障路燈的信息通過顯示器顯示，以便路燈維護(hù)人員及時(shí)掌握故障路燈的信息，便于及時(shí)處理路燈故障。

 

1 路燈工作狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備的功能

 

為了真實(shí)有效地采集記錄路燈的工作狀態(tài)，以便維護(hù)人員對故障路燈及時(shí)地維護(hù)，同時(shí)可以有效地對路燈質(zhì)量狀況進(jìn)行分析，路燈工作狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備的主要功能如下：

 

（1）數(shù)據(jù)采集功能

 

該設(shè)備可以實(shí)時(shí)對安裝點(diǎn)的路燈工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)包括路燈工作時(shí)的工作電壓、工作電流。以額定輸入為50W的太陽能路燈為例，其正常工作時(shí)由蓄電池提供DC24V±10%的輸入電壓，輸入電流范圍為2A±10%，當(dāng)設(shè)備監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù)為此范圍數(shù)值時(shí)，表明路燈工作狀態(tài)正常。當(dāng)電壓監(jiān)測數(shù)值在正常范圍內(nèi)，而電流值為零，此時(shí)路燈處于斷路狀態(tài)，監(jiān)測設(shè)備向路燈監(jiān)測中心發(fā)出路燈斷路故障報(bào)警；當(dāng)電壓監(jiān)測數(shù)值在正常范圍內(nèi)，而電流值大于路燈工作時(shí)的最大電流值，并且輸入功率大于路燈的額定輸入功率，此時(shí)路燈處于過載狀態(tài)，監(jiān)測設(shè)備向路燈監(jiān)測中心發(fā)出路燈過載故障報(bào)警。

 

（2）數(shù)據(jù)存儲功能

 

設(shè)備可以對采集到的路燈工作狀態(tài)信息按時(shí)間先后進(jìn)行存儲記錄，以便路燈維護(hù)人員對故障路燈的工作數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出故障路燈的故障原因。

 

（3）數(shù)據(jù)傳輸功能

 

設(shè)備可以將采集到的路燈工作狀態(tài)信息通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)的發(fā)送到路燈監(jiān)測中心的服務(wù)器上，以便工作人員對路燈的工作狀態(tài)及時(shí)了解，對故障路燈進(jìn)行維護(hù)。

 

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

 

系統(tǒng)以高性能、低功耗單片機(jī)MSP430F1232為核心控制器，集成GPRS模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲器模塊以及電源管理模塊。單片機(jī)負(fù)責(zé)接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)對采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、存儲，最后通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到高速公路路燈維護(hù)中心的服務(wù)器上；數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集路燈的工作狀態(tài)信息，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)；GPRS模塊負(fù)責(zé)路燈工作狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備與路燈維護(hù)中心的數(shù)據(jù)通信，通過GPRS模塊路燈工作狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備可以將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息發(fā)送到路燈監(jiān)測中心；電源管理模塊負(fù)責(zé)為設(shè)備提供正常工作時(shí)穩(wěn)定的工作電壓。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

 

 

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 單片機(jī)單元

 

MCU采用德州儀器（TI）的MSP430F147單片機(jī)[1]，它是一種超低功耗微控器，采用16位的體系結(jié)構(gòu)，16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了最大化的代碼效率。內(nèi)部包括1個(gè)內(nèi)置16位的定時(shí)器、一個(gè)快速10位A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)通用串行同步異步通訊接口和22個(gè)I/O端口。它的主要特性為：低電源電壓輸入范圍：DC1.8~3.6V；超低功耗：2.5uA@ 4kHz,2.2V；具有5種節(jié)電模式；喚醒時(shí)間小于6us；10位200Ksps的A/D轉(zhuǎn)換器，自帶采樣保持；一路串行通訊接口可用于異步通信模式或者同步通信模式；2個(gè)8位并行端口，1個(gè)6位并行端口；片內(nèi)包含8KB的FLASH ROM和256B RAM；1個(gè)通用的16位定時(shí)器，并具有片內(nèi)溫度傳感器。

 

2.2 GPRS模塊

 

2.2.1 GPRS概述

 

GPRS(General Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務(wù))是一種基于GSM（Global System for Mobile Communications，全球移動通信）系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接 [2]。GPRS的數(shù)據(jù)傳輸具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：采用的是分組交換技術(shù)的通信方式；按流量計(jì)費(fèi)；傳輸速率高；永遠(yuǎn)在線；GPRS網(wǎng)絡(luò)接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接；GPRS支持基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應(yīng)用，可以和IP網(wǎng)、X.25網(wǎng)互聯(lián)互通；GPRS 的設(shè)計(jì)使得它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸。它支持四種不同的QoS級別。GPRS能在0.5 ---1秒之內(nèi)恢復(fù)數(shù)據(jù)的重新傳輸。

 

GPRS無線通信技術(shù)應(yīng)用在路燈工作狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備中，可以實(shí)現(xiàn)路燈工作時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)信息向監(jiān)測中心的實(shí)時(shí)發(fā)送，與有線數(shù)據(jù)采集設(shè)備相比較具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、延時(shí)小、在線時(shí)間長、運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)。使用該設(shè)備時(shí)只需在通訊運(yùn)營商處辦理開通GPRS功能的IC卡即可，同時(shí)該GPRS功能在無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不產(chǎn)生任何費(fèi)用，所以具有實(shí)時(shí)在線的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)場實(shí)際安裝時(shí)只需將電源輸入線直接接到蓄電池的輸出端，設(shè)備便可以正常工作。同時(shí)設(shè)備的ID號與安裝位置一一對應(yīng)記錄保存在監(jiān)測中心的服務(wù)器中，這樣便可以在監(jiān)測中心的服務(wù)器上直接監(jiān)測所有安裝此設(shè)備路燈的工作狀態(tài)。

 

2.2.2 GPRS模塊介紹

 

GPRS模塊采用西門子公司的MC52i模塊，它是數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備與路燈監(jiān)測中心建立通信的重要部分。通過GPRS模塊可以將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到路燈監(jiān)測中心的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備與監(jiān)測中心的通信。MC52i模塊特性和技術(shù)參數(shù)如下：（1）符合GSM phase 2/2+。（2）使用標(biāo)準(zhǔn)AT指令控制。（3）MC52i以AT指令方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，每次傳輸都會有相應(yīng)的結(jié)果狀態(tài)（“OK”或者“ERROR”）返回。（4）內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，通過AT指令接口提供給用戶，可以支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的透明和非透明傳輸。透明傳輸是指數(shù)據(jù)的封裝都由TCP/IP協(xié)議自動完成。（5）支持GSM語音、數(shù)據(jù)、傳真、短消息及GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)韧ㄓ嵐δ?。?）體積小，性價(jià)比高，適于大規(guī)模生產(chǎn)。

 

2.2.3 GPRS模塊接口電路的設(shè)計(jì)

 

MC52i模塊與MSP430F1232通過串口以及信號控制引腳相連，電路連接圖如圖2所示。

 

 

圖2 MC52i 連接原理圖

 

MC52i的26～30引腳為電源電壓的輸入端，輸入電壓范圍為3.3～4.8V，峰值負(fù)載電流為2A。MC52i模塊的TXD0與RXD0分別為其數(shù)據(jù)接收端口和數(shù)據(jù)輸出端口，分別連接到單片機(jī)串口（UART0）的TXD0與RXD0。MC52i的1～6引腳為外接SIM卡提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，其中CCGND和CCVCC為SIM卡提供工作電壓；CCCLK信號為SIM卡提供時(shí)鐘脈沖信號；CCIO為串行數(shù)據(jù)輸入輸出接口；CCRST信號為SIM卡復(fù)位信號；CCIN引腳主要用來監(jiān)測SIM卡是否插入SIM卡卡座中。SIM引腳功能見表1所示。

表1 SIM引腳功能

 

MC52i的IGT引腳為開機(jī)信號控制端，當(dāng)MC52i的輸入電源電壓達(dá)到4.0V后，單片機(jī)P1.0控制外圍電路將該引腳拉低到低電平并且維持時(shí)間大于100ms，MC52i模塊才可以正常開機(jī)運(yùn)行。為防止電流回灌到MC52i模塊，外圍電路使用集電極無上拉電阻的三極管作為驅(qū)動電路。

MC52i模塊與單片機(jī)之間主要通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它們之間的通信波特率可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定，可以設(shè)置的通信波特率有1 200bit/s，2 400bit/s，4 800bit/s，9 600bit/s，19 200bit/s，38 400bit/s，57 600bit/s，115 200bit/s等。單片機(jī)通過AT指令控制MC52i模塊附著GPRS網(wǎng)絡(luò)并且與路燈監(jiān)測中心服務(wù)器建立連接，MC52i模塊與服務(wù)器建立連接完成后，數(shù)據(jù)采集設(shè)備就可以實(shí)時(shí)向路燈監(jiān)測中心發(fā)送采集到的路燈信息。

 

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

 

數(shù)據(jù)采集模塊集路燈工作電流傳感器[3]、路燈工作電壓傳感器于一體。數(shù)據(jù)采集模塊上的傳感器將采集到的電壓、電流信號以模擬信號的形式傳送到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換接口，數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換由單片機(jī)來完成。

 

設(shè)備采用精密電阻作為電流傳感器來采集路燈的工作時(shí)的電流。當(dāng)路燈工作時(shí)電流流過精密電阻器，此時(shí)在電阻器上產(chǎn)生壓降，此電壓傳送到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換接口，通過A/D轉(zhuǎn)換得到路燈的工作電流。電壓傳感器就是通過精密電阻把蓄電池輸出到路燈的電源電壓經(jīng)過分壓后將信號傳送到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換接口，完成工作電壓數(shù)據(jù)的采集。

 

2.4 電源模塊

 

設(shè)備內(nèi)部元器件的工作電壓為DC3.3V電壓，路燈蓄電池電壓通過LM2576高性能電壓變換器將DC24V電壓調(diào)節(jié)成系統(tǒng)可用的工作電壓。LM2576技術(shù)參數(shù)如下：具有寬電壓輸入范圍（DC7～40V）；該芯片可以輸出固定電壓或者可調(diào)電壓；最大輸出電流0.5A；外圍電路簡單，只需外接4個(gè)電子元器件；內(nèi)置固定頻率（52kHz）振蕩器；轉(zhuǎn)換效率高；具有過熱及過負(fù)載保護(hù)功能。

 

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

 

為方便系統(tǒng)維護(hù)與升級，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，主要有主程序、數(shù)據(jù)采集定時(shí)中斷程序、數(shù)據(jù)存儲程序以及GPRS通信程序等組成。

 

3.1 主程序

 

主程序負(fù)責(zé)對設(shè)備的各個(gè)工作模塊進(jìn)行初始化、初始化完成后開中斷程序，然后主程序便進(jìn)入中斷等待狀態(tài)，等待中斷的發(fā)生。

 

3.2 數(shù)據(jù)采集程序

 

路燈進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，設(shè)備對路燈的工作狀態(tài)信息的采集便開始進(jìn)行，設(shè)計(jì)中通過定時(shí)器中斷的方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序運(yùn)行。當(dāng)定時(shí)器達(dá)到預(yù)定值時(shí)程序便會產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)便進(jìn)入數(shù)據(jù)采集中斷程序。進(jìn)入數(shù)據(jù)采集程序后，系統(tǒng)將對需要采集數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行選擇，相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換通道便進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集完成后，A/D轉(zhuǎn)換器會通知單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)完畢，對讀取得到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的路燈工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以確定路燈的工作狀況，然后將工作狀況結(jié)果進(jìn)行存儲，同時(shí)通過GPRS將工作狀況結(jié)果發(fā)送到路燈監(jiān)測中心。數(shù)據(jù)采集中斷程序流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序流程圖

3.3 GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送程序

路燈工作狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備可以將采集到的路燈的實(shí)時(shí)信息通過GPRS模塊發(fā)送到路燈監(jiān)測維護(hù)中心的服務(wù)器上，以便路燈監(jiān)測維護(hù)中心實(shí)時(shí)掌握路燈工作狀態(tài)的變化情況。單片機(jī)采集到路燈工作狀態(tài)信息后首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后將需要發(fā)送到路燈監(jiān)測維護(hù)中心的信息按定義的信息格式進(jìn)行封裝后存儲到數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器內(nèi)，以便發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用。路燈監(jiān)測設(shè)備對路燈工作狀態(tài)信息封裝的數(shù)據(jù)格式如表4所示。信息代碼“2”代表路燈監(jiān)測設(shè)備向監(jiān)測中心發(fā)送的路燈工作狀態(tài)信息代碼，字節(jié)數(shù)為1；路燈工作電壓信息：20~27V，字節(jié)數(shù)為2；路燈工作電流信息：0~3.00A，字節(jié)數(shù)為2；路燈工作狀態(tài)信息：“1”路燈工作正常，“0”路燈工作異常；校驗(yàn)和為各字節(jié)值進(jìn)行異或，字節(jié)數(shù)為1；結(jié)束標(biāo)志位“#”，字節(jié)數(shù)為1。

表4 路燈工作狀態(tài)信息格式

設(shè)備采用定時(shí)器中斷方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送時(shí)間間隔為5s，當(dāng)定時(shí)器定時(shí)5s溢出進(jìn)入中斷后，執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送中斷程序，程序讀取發(fā)送緩沖器內(nèi)存儲的已經(jīng)封裝完成的數(shù)據(jù)信息，通過GPRS模塊將封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送到路燈監(jiān)測維護(hù)中心。數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖4所示。

 

 

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖

4結(jié)論