高速公路路灯工作状态监测设备的设计

　　引言

　　随着高速公路建设的快速发展，道路照明越来越重要。作为高速公路照明的路灯在其长时间的工作下，不可避免的会有故障的发生。如何将故障路灯的故障情况、具体位置及时报送给高速公路路灯维护部门，以便相关人员及时处理问题，是高速公路路灯维护部门期待解决的主要问题。目前，高速公路路灯维护部门对路灯工作状态的监测方式主要通过人工巡查、远程监测(远程监测又分为有线远程监测和无线远程监测)。人工巡查的方式耗费大量的人力物力并且具有一定时间上的滞后;有线远程监测可以有效解决路灯维护上时间的滞后性，但是设备的安装维护比较困难并且建设周期长，财力物力投入比较大不适合大面积推广;而采用GPRS无线通讯模块的无线路灯工作状态监测设备可以避免线路的铺设、维护的缺点，并且其组网简单、安装方便，信息采集传输及时。该监测设备可以全天候对路灯的工作状态进行监测，采集的路灯工作状态信息可以通过GPRS网络实时的发送到高速公路路灯维护中心，路灯维护中心的服务器可以对监测设备发送来的信息进行处理，并将故障路灯的信息通过显示器显示，以便路灯维护人员及时掌握故障路灯的信息，便于及时处理路灯故障。

　　1 路灯工作状态监测设备的功能

　　为了真实有效地采集记录路灯的工作状态，以便维护人员对故障路灯及时地维护，同时可以有效地对路灯质量状况进行分析，路灯工作状态监测设备的主要功能如下：

　　(1)数据采集功能

　　该设备可以实时对安装点的路灯工作状态进行数据采集。采集的数据包括路灯工作时的工作电压、工作电流。以额定输入为50W的太阳能路灯为例，其正常工作时由蓄电池提供DC24V±10%的输入电压，输入电流范围为2A±10%，当设备监测采集到的数据为此范围数值时，表明路灯工作状态正常。当电压监测数值在正常范围内，而电流值为零，此时路灯处于断路状态，监测设备向路灯监测中心发出路灯断路故障报警;当电压监测数值在正常范围内，而电流值大于路灯工作时的最大电流值，并且输入功率大于路灯的额定输入功率，此时路灯处于过载状态，监测设备向路灯监测中心发出路灯过载故障报警。

　　(2)数据存储功能

　　设备可以对采集到的路灯工作状态信息按时间先后进行存储记录，以便路灯维护人员对故障路灯的工作数据进行分析，找出故障路灯的故障原因。

　　(3)数据传输功能

　　设备可以将采集到的路灯工作状态信息通过GPRS无线网络实时的发送到路灯监测中心的服务器上，以便工作人员对路灯的工作状态及时了解，对故障路灯进行维护。

　　2系统硬件设计

　　系统以高性能、低功耗单片机MSP430F1232为核心控制器，集成GPRS模块、数据采集模块、数据存储器模块以及电源管理模块。单片机负责接收来自数据采集模块的实时数据信息，同时对采集到的数据信息进行分析、存储，最后通过GPRS无线网络将采集到的数据信息发送到高速公路路灯维护中心的服务器上;数据采集模块负责采集路灯的工作状态信息，并将数据传输给单片机;GPRS模块负责路灯工作状态监测设备与路灯维护中心的数据通信，通过GPRS模块路灯工作状态监测设备可以将采集到的实时数据信息发送到路灯监测中心;电源管理模块负责为设备提供正常工作时稳定的工作电压。

　　2.1 单片机单元

　　MCU采用德州仪器(TI)的MSP430F147单片机[1]，它是一种超低功耗微控器，采用16位的体系结构，16位的CPU集成寄存器和常数发生器，实现了最大化的代码效率。内部包括1个内置16位的定时器、一个快速10位A/D转换器，一个通用串行同步异步通讯接口和22个I/O端口。它的主要特性为：低电源电压输入范围：DC1.8~3.6V;超低功耗：2.5uA@ 4kHz,2.2V;具有5种节电模式;唤醒时间小于6us;10位200Ksps的A/D转换器，自带采样保持;一路串行通讯接口可用于异步通信模式或者同步通信模式;2个8位并行端口，1个6位并行端口;片内包含8KB的FLASH ROM和256B RAM;1个通用的16位定时器，并具有片内温度传感器。

　　2.2 GPRS模块

　　2.2.1 GPRS概述

　　GPRS(General Packet Radio Service，通用无线分组业务)是一种基于GSM(Global System for Mobile Communications，全球移动通信)系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接 [2]。GPRS的数据传输具有以下几个特点：采用的是分组交换技术的通信方式;按流量计费;传输速率高;永远在线;GPRS网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接;GPRS支持基于标准数据通信协议的应用，可以和IP网、X.25网互联互通;GPRS 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据的传输。它支持四种不同的QoS级别。GPRS能在0.5 ---1秒之内恢复数据的重新传输。

　　GPRS无线通信技术应用在路灯工作状态监测设备中，可以实现路灯工作时状态数据信息向监测中心的实时发送，与有线数据采集设备相比较具有数据传输速率高、延时小、在线时间长、运营维护费用低等特点。使用该设备时只需在通讯运营商处办理开通GPRS功能的IC卡即可，同时该GPRS功能在无数据传输时不产生任何费用，所以具有实时在线的优点。现场实际安装时只需将电源输入线直接接到蓄电池的输出端，设备便可以正常工作。同时设备的ID号与安装位置一一对应记录保存在监测中心的服务器中，这样便可以在监测中心的服务器上直接监测所有安装此设备路灯的工作状态。

　　2.2.2 GPRS模块介绍

　　GPRS模块采用西门子公司的MC52i模块，它是数据采集终端设备与路灯监测中心建立通信的重要部分。通过GPRS模块可以将数据采集模块采集到的数据信息实时发送到路灯监测中心的服务器，实现数据采集终端设备与监测中心的通信。MC52i模块特性和技术参数如下：(1)符合GSM phase 2/2+。(2)使用标准AT指令控制。(3)MC52i以AT指令方式实现数据传输，每次传输都会有相应的结果状态(“OK”或者“ERROR”)返回。(4)内嵌TCP/IP协议，通过AT指令接口提供给用户，可以支持数据业务的透明和非透明传输。透明传输是指数据的封装都由TCP/IP协议自动完成。(5)支持GSM语音、数据、传真、短消息及GPRS数据传输等通讯功能。(7)体积小，性价比高，适于大规模生产。

　　2.3 数据采集模块

　　数据采集模块集路灯工作电流传感器[3]、路灯工作电压传感器于一体。数据采集模块上的传感器将采集到的电压、电流信号以模拟信号的形式传送到单片机的A/D转换接口，数据的A/D转换由单片机来完成。

　　设备采用精密电阻作为电流传感器来采集路灯的工作时的电流。当路灯工作时电流流过精密电阻器，此时在电阻器上产生压降，此电压传送到单片机的A/D转换接口，通过A/D转换得到路灯的工作电流。电压传感器就是通过精密电阻把蓄电池输出到路灯的电源电压经过分压后将信号传送到单片机的A/D转换接口，完成工作电压数据的采集。

　　2.4 电源模块

　　设备内部元器件的工作电压为DC3.3V电压，路灯蓄电池电压通过LM2576高性能电压变换器将DC24V电压调节成系统可用的工作电压。LM2576技术参数如下：具有宽电压输入范围(DC7～40V);该芯片可以输出固定电压或者可调电压;最大输出电流0.5A;外围电路简单，只需外接4个电子元器件;内置固定频率(52kHz)振荡器;转换效率高;具有过热及过负载保护功能。

　　3系统软件设计

　　为方便系统维护与升级，系统软件设计采用模块化程序结构，主要有主程序、数据采集定时中断程序、数据存储程序以及GPRS通信程序等组成。

　　3.1 主程序

　　主程序负责对设备的各个工作模块进行初始化、初始化完成后开中断程序，然后主程序便进入中断等待状态，等待中断的发生。

　　3.2 数据采集程序

　　路灯进入工作状态时，设备对路灯的工作状态信息的采集便开始进行，设计中通过定时器中断的方式来实现数据采集程序运行。当定时器达到预定值时程序便会产生中断，系统便进入数据采集中断程序。进入数据采集程序后，系统将对需要采集数据的A/D转换通道进行选择，相应的A/D转换通道便进入数据采集状态，数据采集完成后，A/D转换器会通知单片机进行数据读取，单片机读取数据完毕，对读取得到的数据与设定的路灯工作状态的数据进行比较以确定路灯的工作状况，然后将工作状况结果进行存储，同时通过GPRS将工作状况结果发送到路灯监测中心.

　　4结论

　　以单片机技术、GPRS技术、传感器技术设计的高速公路路灯工作状态监测设备，具有数据采集精度高、响应速度快等特点。系统硬件以及软件均采用模块化设计，方便使用单位对系统的升级与维护。经过实际运行测试，数据采集与传送准确可靠，为多点无线远程路灯工作状态的监测提供了一款全新的数据采集设备。该设备具有良好的推广价值和应用前景。