基于双RISC单片机的路灯远程终端的设计和实现

摘要：介绍了一种基于双RISC单片机的路灯远程终端（以下简称RTU），主要应用Mega16单片机和 BENQ M22 GSM模块实现路灯支路的遥测遥控功能。详细介绍了RTU的硬件和软件设计。试验结果表明：该系统运行可靠，操作方便，具有很高的推广价值。 关键词：双单片机 GSM模块 远程终端 1 引言 目前，城市照明己不局限于街道照明，而发展成为包含城市景观等装饰照明在内的综合性市政工程。传统的路灯控制采用定时器或光控装置实现路灯的开灯和关灯。这两种方法的主要缺点是：不能根据城市照明实际需求进行开关灯时间的及时调整。另外，路灯的日常维护和巡查工作也必须人工完成，费工费时。为改变这种落后的路灯管理方式，我们研制了一套基于GSM短消息（SMS）的路灯远程监控系统，它能实现路灯支路三相电压，三相电流等电参数的远程遥测，同时完成路灯支路的开灯、关灯、调光等遥控动作。 2 系统结构 远程监控系统一般采用有线和无线两大类。有线类一般采用数据专线或电力线载波，电力线载波较难跨越变压器，因此传输距离较近；而铺设数据专线，工程量大，投资相对较高，另外易受到城市建设的干扰，同时系统扩展性也较差。无线类一般采用数传电台和GSM两种，数传电台使用时用户需申请频点，另外需架设室外高增益天线，数传电台的优点是数据传输实时性高，缺点是当被监控点数量增多时，系统投资就会很高，并需要日常专业维护；GSM短信方案可充分利用国内现有的GSM网络，另外GSM网络抗干扰性好，短信资费低，因此特别适合信息量不大，数据传输实时性要求不很高的场合。 基于GSM短信的路灯远程监控系统由中央监控中心、多个远程终端（RTU）和多个灯单元控制器（LTU）组成，系统结构框架如图1所示。系统采用点对多点主从分布式通信网络，为了保证系统连续稳定的可靠运行，中央监控中心（主机）由多台并联冗余结构的工控机及GSM通信模块组成，通过与各个现场RTU的SMS双向交互，一方面，接收各个现场RTU上传的监测数据，并把它们存入本地数据库；另一方面，向各现场RTU发布各种控制命令，完成整个路灯系统的监测和控制。RTU与LTU之间通过电力线载波通信，两者通信时RTU又充当主机。 3 RTU硬件设计 RTU的主要任务有；①通过GSM短信与中央监控中心完成双向无线通信，②通过电力线与灯单元控制器完成载波通信；③自动完成路灯支路的开灯、关灯及调光，④自动完成被监控支路的电参数实时采集；⑤当监控参数越限时，及时向中央监控中心发出报警信号。 为了减少RTU电子元件数量，从而提高RTU的可靠性，现场RTU由2片功能强大的高性能RISC单片机Mega16[2，3]、明基M22 GSM模块[4]、三相电压电流输入电路、6路开关量输出电路、液晶显示器（LCD）和键盘等组成。RTU硬件电路如图2所示。采用2片RISC单片机的好处是可大大提高RTU的实时数据处理能力。 Mega16是由Atmel公司生产的性价比极高的RISC单片机，它有16KBFlash程序存贮器、1KBRAM、512B数据E2ROM、8路10位A／D、1个UART口、1个SPI口，另外该芯片还具有JATG接口，因此特别适合软件的现场调试和升级。该芯片的多数指令执行时间最高可达到65ns。 M22模块具有GSM通信所有功能，包括AUDIO、SMS、FAX、DATA、GPRS等，而本设计中仅用到SMS短信功能，短信的发送和接收由AT命令实现；M22模块用3.8 V供电，而Mega16单片机用5V电源，为此在两者之间需加一级电平转换电路；M22模块的RXD、TXD脚分别接单片机的TXD、RXD端，而单片机PA3脚接M22CTS端，用于控制M22短信处理，当PA3＝1时，M22模块把收到的短信暂时保存在M22的缓存内，当PA3=0时，单片机接收处理保存在M22内的短信。 DSl302芯片为RTU提供系统时钟，当GSM通信失败或网络阻塞时，RTU仍能根据系统时钟独立完成路灯支路的定时开灯、关灯和调光任务。2×3键盘和2×16行LCD显示器，主要用于现场设置RTU系统参数：如系统时间，开、关灯时间，中央监控中心GSM手机号码等。而Relayl-Relay6 6只信号继电器控制路灯支路的开灯和关灯。 电力载波通信模块主要由PL3105芯片完成，因限于片幅，这里不作详细介绍。 4 RTU软件设计 ICI和IC2程序流程图见图3、图4。 在RTU中，两单片机的作用有所不同，IC1起主机作用，而IC2充当从机，两者之间用SPI口进行高速双向数据通信。IC1主要完成键盘扫描、LCD显示、三相电压采集、GSM通信等；而IC2主要完成三相6路电流采集，输出6路路灯开关信号、电力线载波通信等。两种通信任务由不同的单片机完成，这样做可大幅度提高RTU的通信数据实时处理能力，减少通信延时。 5 试验结果 为了验证设计，我们对研制的系统做了长时间的测试，试验结果表明，该系统运行可靠，能够实现路灯远程遥测、遥控。由中心控制室工控机遥测到的各路灯支路数据如图5所示。 6 结论 该系统经多次试验和长期现场运行，可得出以下结论：①系统运行可靠，抗干扰能力强；②GSM网络阻塞时，RTU仍能独立完成路灯支路监控，③系统结构简单，操作使用方便；④RTU造价低，便于推广使用；⑤系统易升级，RTU从SMS到GPRS通信无需改变硬件；⑥系统运行成本低，并可节省大量的城市照明用电。