隨著高速公路建設的快速發展，道路照明越來越重要。作為高速公路照明的路燈在其長時間的工作下，不可避免的會有故障的發生。如何將故障路燈的故障情況、具體位置及時報送給高速公路路燈維護部門，以便相關人員及時處理問題，是高速公路路燈維護部門期待解決的主要問題。目前，高速公路路燈維護部門對路燈工作狀態的監測方式主要通過人工巡查、遠程監測（遠程監測又分為有線遠程監測和無線遠程監測）。人工巡查的方式耗費大量的人力物力并且具有一定時間上的滯后；有線遠程監測可以有效解決路燈維護上時間的滯后性，但是設備的安裝維護比較困難并且建設周期長，財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監測設備可以避免線路的鋪設、維護的缺點，并且其組網簡單、安裝方便，信息采集傳輸及時。該監測設備可以全天候對路燈的工作狀態進行監測，采集的路燈工作狀態信息可以通過GPRS網絡實時的發送到高速公路路燈維護中心，路燈維護中心的服務器可以對監測設備發送來的信息進行處理，并將故障路燈的信息通過顯示器顯示，以便路燈維護人員及時掌握故障路燈的信息，便于及時處理路燈故障。

 

1 路燈工作狀態監測設備的功能

 

為了真實有效地采集記錄路燈的工作狀態，以便維護人員對故障路燈及時地維護，同時可以有效地對路燈質量狀況進行分析，路燈工作狀態監測設備的主要功能如下：

 

（1）數據采集功能

 

該設備可以實時對安裝點的路燈工作狀態進行數據采集。采集的數據包括路燈工作時的工作電壓、工作電流。以額定輸入為50W的太陽能路燈為例，其正常工作時由蓄電池提供DC24V±10%的輸入電壓，輸入電流范圍為2A±10%，當設備監測采集到的數據為此范圍數值時，表明路燈工作狀態正常。當電壓監測數值在正常范圍內，而電流值為零，此時路燈處于斷路狀態，監測設備向路燈監測中心發出路燈斷路故障報警；當電壓監測數值在正常范圍內，而電流值大于路燈工作時的最大電流值，并且輸入功率大于路燈的額定輸入功率，此時路燈處于過載狀態，監測設備向路燈監測中心發出路燈過載故障報警。

 

（2）數據存儲功能

 

設備可以對采集到的路燈工作狀態信息按時間先后進行存儲記錄，以便路燈維護人員對故障路燈的工作數據進行分析，找出故障路燈的故障原因。

 

（3）數據傳輸功能

 

設備可以將采集到的路燈工作狀態信息通過GPRS無線網絡實時的發送到路燈監測中心的服務器上，以便工作人員對路燈的工作狀態及時了解，對故障路燈進行維護。

 

2系統硬件設計

 

系統以高性能、低功耗單片機MSP430F1232為核心控制器，集成GPRS模塊、數據采集模塊、數據存儲器模塊以及電源管理模塊。單片機負責接收來自數據采集模塊的實時數據信息，同時對采集到的數據信息進行分析、存儲，最后通過GPRS無線網絡將采集到的數據信息發送到高速公路路燈維護中心的服務器上；數據采集模塊負責采集路燈的工作狀態信息，并將數據傳輸給單片機；GPRS模塊負責路燈工作狀態監測設備與路燈維護中心的數據通信，通過GPRS模塊路燈工作狀態監測設備可以將采集到的實時數據信息發送到路燈監測中心；電源管理模塊負責為設備提供正常工作時穩定的工作電壓。系統的結構框圖如圖1所示。

 

 

圖1 系統結構框圖

2.1 單片機單元

 

MCU采用德州儀器（TI）的MSP430F147單片機[1]，它是一種超低功耗微控器，采用16位的體系結構，16位的CPU集成寄存器和常數發生器，實現了最大化的代碼效率。內部包括1個內置16位的定時器、一個快速10位A/D轉換器，一個通用串行同步異步通訊接口和22個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種節電模式；喚醒時間小于6us；10位200Ksps的A/D轉換器，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8位并行端口，1個6位并行端口；片內包含8KB的FLASH ROM和256B RAM；1個通用的16位定時器，并具有片內溫度傳感器。

 

2.2 GPRS模塊

 

2.2.1 GPRS概述

 

GPRS(General Packet Radio Service，通用無線分組業務)是一種基于GSM（Global System for Mobile Communications，全球移動通信）系統的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接 [2]。GPRS的數據傳輸具有以下幾個特點：采用的是分組交換技術的通信方式；按流量計費；傳輸速率高；永遠在線；GPRS網絡接入速度快，提供了與現有數據網的無縫連接；GPRS支持基于標準數據通信協議的應用，可以和IP網、X.25網互聯互通；GPRS 的設計使得它既能支持間歇的爆發式數據傳輸，又能支持偶爾的大量數據的傳輸。它支持四種不同的QoS級別。GPRS能在0.5 ---1秒之內恢復數據的重新傳輸。

 

GPRS無線通信技術應用在路燈工作狀態監測設備中，可以實現路燈工作時狀態數據信息向監測中心的實時發送，與有線數據采集設備相比較具有數據傳輸速率高、延時小、在線時間長、運營維護費用低等特點。使用該設備時只需在通訊運營商處辦理開通GPRS功能的IC卡即可，同時該GPRS功能在無數據傳輸時不產生任何費用，所以具有實時在線的優點。現場實際安裝時只需將電源輸入線直接接到蓄電池的輸出端，設備便可以正常工作。同時設備的ID號與安裝位置一一對應記錄保存在監測中心的服務器中，這樣便可以在監測中心的服務器上直接監測所有安裝此設備路燈的工作狀態。

 

2.2.2 GPRS模塊介紹

 

GPRS模塊采用西門子公司的MC52i模塊，它是數據采集終端設備與路燈監測中心建立通信的重要部分。通過GPRS模塊可以將數據采集模塊采集到的數據信息實時發送到路燈監測中心的服務器，實現數據采集終端設備與監測中心的通信。MC52i模塊特性和技術參數如下：（1）符合GSM phase 2/2+。（2）使用標準AT指令控制。（3）MC52i以AT指令方式實現數據傳輸，每次傳輸都會有相應的結果狀態（“OK”或者“ERROR”）返回。（4）內嵌TCP/IP協議，通過AT指令接口提供給用戶，可以支持數據業務的透明和非透明傳輸。透明傳輸是指數據的封裝都由TCP/IP協議自動完成。（5）支持GSM語音、數據、傳真、短消息及GPRS數據傳輸等通訊功能。（7）體積小，性價比高，適于大規模生產。

 

2.2.3 GPRS模塊接口電路的設計

 

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，峰值負載電流為2A。MC52i模塊的TXD0與RXD0分別為其數據接收端口和數據輸出端口，分別連接到單片機串口（UART0）的TXD0與RXD0。MC52i的1～6引腳為外接SIM卡提供了標準的接口，其中CCGND和CCVCC為SIM卡提供工作電壓；CCCLK信號為SIM卡提供時鐘脈沖信號；CCIO為串行數據輸入輸出接口；CCRST信號為SIM卡復位信號；CCIN引腳主要用來監測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引腳為開機信號控制端，當MC52i的輸入電源電壓達到4.0V后，單片機P1.0控制外圍電路將該引腳拉低到低電平并且維持時間大于100ms，MC52i模塊才可以正常開機運行。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動電路。

MC52i模塊與單片機之間主要通過串口進行數據傳輸，它們之間的通信波特率可根據實際需要進行設定，可以設置的通信波特率有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。單片機通過AT指令控制MC52i模塊附著GPRS網絡并且與路燈監測中心服務器建立連接，MC52i模塊與服務器建立連接完成后，數據采集設備就可以實時向路燈監測中心發送采集到的路燈信息。

 

2.3 數據采集模塊

 

數據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。數據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的A/D轉換接口，數據的A/D轉換由單片機來完成。

 

設備采用精密電阻作為電流傳感器來采集路燈的工作時的電流。當路燈工作時電流流過精密電阻器，此時在電阻器上產生壓降，此電壓傳送到單片機的A/D轉換接口，通過A/D轉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過分壓后將信號傳送到單片機的A/D轉換接口，完成工作電壓數據的采集。

 

2.4 電源模塊

 

設備內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電壓調節成系統可用的工作電壓。LM2576技術參數如下：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電壓；最大輸出電流0.5A；外圍電路簡單，只需外接4個電子元器件；內置固定頻率（52kHz）振蕩器；轉換效率高；具有過熱及過負載保護功能。

 

3系統軟件設計

 

為方便系統維護與升級，系統軟件設計采用模塊化程序結構，主要有主程序、數據采集定時中斷程序、數據存儲程序以及GPRS通信程序等組成。

 

3.1 主程序

 

主程序負責對設備的各個工作模塊進行初始化、初始化完成后開中斷程序，然后主程序便進入中斷等待狀態，等待中斷的發生。

 

3.2 數據采集程序

 

路燈進入工作狀態時，設備對路燈的工作狀態信息的采集便開始進行，設計中通過定時器中斷的方式來實現數據采集程序運行。當定時器達到預定值時程序便會產生中斷，系統便進入數據采集中斷程序。進入數據采集程序后，系統將對需要采集數據的A/D轉換通道進行選擇，相應的A/D轉換通道便進入數據采集狀態，數據采集完成后，A/D轉換器會通知單片機進行數據讀取，單片機讀取數據完畢，對讀取得到的數據與設定的路燈工作狀態的數據進行比較以確定路燈的工作狀況，然后將工作狀況結果進行存儲，同時通過GPRS將工作狀況結果發送到路燈監測中心。數據采集中斷程序流程圖如圖3所示。

圖3 數據采集程序流程圖

3.3 GPRS數據發送程序

路燈工作狀態監測設備可以將采集到的路燈的實時信息通過GPRS模塊發送到路燈監測維護中心的服務器上，以便路燈監測維護中心實時掌握路燈工作狀態的變化情況。單片機采集到路燈工作狀態信息后首先對數據進行分析處理，然后將需要發送到路燈監測維護中心的信息按定義的信息格式進行封裝后存儲到數據發送緩沖器內，以便發送數據時調用。路燈監測設備對路燈工作狀態信息封裝的數據格式如表4所示。信息代碼“2”代表路燈監測設備向監測中心發送的路燈工作狀態信息代碼，字節數為1；路燈工作電壓信息：20~27V，字節數為2；路燈工作電流信息：0~3.00A，字節數為2；路燈工作狀態信息：“1”路燈工作正常，“0”路燈工作異常；校驗和為各字節值進行異或，字節數為1；結束標志位“#”，字節數為1。

表4 路燈工作狀態信息格式

設備采用定時器中斷方式對數據進行發送，發送時間間隔為5s，當定時器定時5s溢出進入中斷后，執行數據發送中斷程序，程序讀取發送緩沖器內存儲的已經封裝完成的數據信息，通過GPRS模塊將封裝好的數據發送到路燈監測維護中心。數據發送程序流程圖如圖4所示。

 

 

圖4 數據發送程序流程圖

4結論