基于GPRS的城市照明电缆防盗报警系统

广州正力通用电气有限公司 刘志祖

一、前言

随着时代的发展，城市照明已不仅仅是城建中所必需的公用基础设施，而且直接反映了城市的建设水平和城市风貌。城市现代化建设步伐的不断加快，对城市道路照明及亮化工程需求日益增加，使人们对城市照明的监控管理提出了更高的要求。目前我国城市照明电缆普遍存在着人为的偷盗和施工中的损坏，从而导致照明设施无法正常运行，给夜间行人、行车安全带来很大的隐患，也给社会带来一系列的治安问题；同时城市照明电缆在整个路灯所的固定资产中占着比较大的比例，偷盗和损坏都会带来较大的经济损失。在城市照明行业，每年因为照明线缆的偷盗和损坏以及因此带来的停电造成巨大的经济损失和严重的安全隐患。对于城市照明电缆遭破坏后通过通讯手段及时报警，并对于人为故意破坏及时抓获，对于施工中的无意损坏及时发现并依法索赔，同时及时的将线路修复，都在各个方面可以不断的减少此类事情的再发生，从而将目前的损失和今后的损失降到最小。因此，借助于先进的计算机、通信等技术，开发研制一套智能化的城市照明电缆防盗报警系统的需求变得越来越迫切。

二、照明电缆防盗监测的技术要求和原理

1.可行的照明电缆防盗监测原理探讨

目前市场上已有几种不同原理的城市照明电缆防盗报警设备，但是基本上不能实现大范围的推广，主要原因是其原理的局限性和运行环境的复杂性。下面列举几种原理和使用情况：

(1)电力载波通讯

目前电力载波通讯的稳定性随着技术的提升有大幅度的提高，干扰能力有了改善。使用该原理，当晚上照明设施启动时，照明监控终端采用电力载波通讯方式与照明电缆尾端的防盗监测单元进行通讯，若通讯不通时，则认为照明电缆断线从而报警。该原理的局限性：

1)不适合公用变压器的照明电缆线路。由于居民用电和工厂用电都在其中，就会使得照明电缆线路上杂波信号比较强，当强于载波信号时就会产生误报警。

2)无法适用于长距离的照明电缆线路。由于电力载波的有效通讯距离为500米左右，长距离的照明电缆上灯具较多，对电力载波信号产生极大的干扰。

3)无法实现24小时全天候监测。由于电力载波通讯需要在供电电缆上实现，当白天照明设施停止工作时，照明电缆线路无电力传输，使得电力载波信号失去载体。

(2)照明电缆线路末端加装监测和通讯设备

使用该原理，是将照明电缆防盗监测装置安装在照明电缆的尾端，该装置通过照明电缆供电，并配置可充电后备电源。当晚上照明设施启动时，防盗监测装置通过照明电缆供电，当照明电缆有损坏时，防盗监测装置失去供电，此时使用后备电源工作，将报警信息发出，实现照明电缆防盗报警功能。该原理局限性：

1)无法实现24小时全天候监测。当白天照明设施停止工作时，照明线路无法供给防盗监测装置电能，防盗监测装置无法工作；同时防盗监测终端无法区分照明电缆停电是因为电缆的损坏还是白天停止工作。

2)前期投入成本大。采用该原理，每条照明电缆尾端的防盗监测设备都需要配备通讯系统，成本大。

2.照明电缆防盗监测的技术要求

对于照明电缆防盗的技术，目前也有人作过研究和开发，但由于技术路线及关键技术设想的问题，均没有成功的产品普及，主要原因是照明设施数量庞大，又十分分散，且运行条件十分恶劣，所接负荷情况千差万别，并常常变动。根据城市照明设施的运行特点并结合对以上可行原理的分析，我们提出以下理想的照明电缆防盗监测技术要求：

(1)照明电缆线路尾端的防盗监控设备是无源的，不采用电池。

(2)无距离的限制，只要在照明电缆线路所到之处均可监视。

(3)实现24小时全天候电缆防盗监测，即在开灯和关灯状态下均可。

(4)安全可靠、方便、抗恶劣条件、适用面广、反映快捷、不误动作、成本低等条件。

2.3 漏电流技术

本文探讨一种可满足理想照明电缆防盗监测技术要求的技术，即采用漏电流的方式。图一所示为照明电缆电流示意图。根据基尔霍夫电流定律(KCL)，我们可以得出以下公式：

公式一：Iin=Iout+I漏电流+I偏置电流

Iin：输入电流；

Iout：输出电流；

In：照明电缆上第n个灯具工作产生的电流；

I漏电流：照明电缆上所存在的漏电流，设备首次安装时需要检测为已知量；

I偏置电流：人为产生的漏电流，为已知量。

根据以上原理，在照明电缆尾端安装一个偏置电流发生器产生一个已知的偏置电流，同时在照明电缆的首端检测Iin和Iout。照明电缆正常时，检测结果满足以上公式；照明电缆损坏时，I偏置电流消失，检测结果不满足以上公式。

使用漏电流的技术原理，照明电缆在开灯时使用照明设备的工作电源，关灯时需在照明电缆上提供36V电源，这样监测尾端就能够实现无源设计，同时实现开灯和关灯情况下的24小时监测，另外该应用与照明电缆的长短无关，是可行和理想的照明电缆防盗监测技术。

三、基于GPRS的城市照明电缆防盗报警系统的组成

城市照明电缆防盗报警系统结构如图二所示。它由前台监控设备、通讯网络、后台监控系统三部分组成：

1.前台监控设备

城市照明电缆防盗报警系统的前台监控设备分为安装在照明控制箱内的主控终端和安装在照明电缆尾部的监测尾端。监测尾端通过主控终端的供电产生一个偏置电流，主控终端通过监测该偏置电流来判定照明电缆是否正常。正常工作时，主控终端主要功能为执行后台监控系统命令，无指令时按预约控制决策，自动向后台监控系统报告各类测量参数、各类故障和危机情况。

2.通讯网络

图一 照明电缆线路电流示意图

图二 城市照明电缆防盗报警系统结构

图三 城市照明电缆防盗报警系统硬件结构图

图四 GPRS/GSM通讯模块外围电路结构图

通讯网络是后台监控中心和前台监控设备之间沟通的桥梁，也是防盗报警系统信息传输的通道，因此要求通讯网络及时性和稳定性，同时经济实惠等要求。早期有线公用电话交换网由于使用价格高、稳定性差等原因已被淘汰；双工无线数字通讯(无线数字电台)在2G和3G无线通讯技术出现以前因为其建设成本低、后期使用维护费用低、有一定稳定性和及时性等原因使用较为广泛，但是其双工通讯是建立在轮询的工作方式上，因此在对多个设备通讯时有很大的延时。随着2G和3G无线通讯技术逐渐成熟，用运营商的网络覆盖率提高，其低廉的使用费用、快速的组网速度、并发的通讯方式等原因使得双工无线数字通讯技术逐渐被替代。本监控系统采用的GPRS网络即为成熟的2G网络，它与3G网络相比，其数据传输速率更符合照明监控行业的小数据量传输，且3G网络目前处于建设期，其网络覆盖率没有2G网络广泛。照明电缆防盗监控终端利用GPRS网络与后台监控系统通讯时，同时可利用GSM网络，将电缆短线报警以短信息的方式直接发送到管理人员手机，实现报警的及时性。

3.后台监控系统

后台监控系统主要由硬件设备和城市照明电缆防盗系统软件组成。其中硬件设备包括服务器、监控计算机、显示系统、UPS电源等等设备，用于支撑软件系统的运行。城市照明电缆防盗系统软件又包括通讯服务软件和监控客户端，其中，通讯服务软件是通讯的软件桥梁，主要功能包括侦听和管理前台监控设备和监控客户端的连接和通讯、指令的转发、数据的处理等功能；监控客户端主要提供与前台监控设备的人机交互界面、相关运行参数的设置、前台监控设备的实时状态显示、报警信息的及时主动提示、报警信息的转发、自动化运行处理等功能，使得城市照明管理能够自动化、智能化，提高管理者的管理水品。

四、照明电缆防盗报警系统硬件设计

1.硬件系统组成

照明电缆防盗报警系统的硬件部分分为主控终端和照明电缆的监测尾端。其硬件系统组成如图三所示。主控终端由MCU、时钟模块、电源管理模块、通讯模块、存储模块、电缆防盗监测模块组成；监测尾端由MCU、电源管理模块、偏置电流产生模块组成。主控终端安装在照明开关箱内，通过照明电缆给安装在照明电缆尾端的监测尾端供电，监测尾端产生一个偏置电流。当照明电缆损坏时，主控终端监测到偏置电流消失，通过GPRS/GSM通讯模块发送电缆断线报警。

2.硬件系统部分模块结构和功能

(1)MCU模块

MCU(微控制单元)是硬件设备的处理核心。本文的硬件系统MCU模块采用了TI公司的MSP430单片机。它运行功耗低，处理能力强，且拥有看门狗(WDT)、定时器、比较器、串口、硬件乘法器、ADC、FLASH等多种内外设接口资源，具有实用成本低、开发效率高、工作稳定等特点。

(2)电源管理模块

电源是硬件设备正常运行的基础，电源质量的影响系统稳定运行及抗电磁干扰能力。为保证硬件设备在停电后的运行，主控终端一般会配置后备电池。电源管理模块主要为硬件设备的各元器件提供稳定的工作电源和对后备电池进行充放电管理。

(3)时钟模块

本系统时钟模块采用DALLAS公司的DS1302时钟芯片，该芯片是高性能、低功耗、附带31字节静态RAM，采用SP1三线接口与CPU进行同步通。它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。该模块增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。

(4)GPRS/GSM通讯模块

GPRS/GSM通讯模块采用明基公司的M23模块，技术成熟，性能可靠，它内嵌了TCP／IP协议栈，支持GSM／GPRS通信，而且其具有射频天线、本地SIM卡连接、TTL串口等接口。本系统设计只使用了M23的数据传输和短消息功能，其语音通话功能不使用，因此其与MCU之间的通讯只需通过TTL电平与MCU(MPS430)的UART0接口连接；M23的工作电压为4.2V，启动电流达到2A，且对电压和电流的稳定性要求高，因此电源的外围电路采用LM2576电源芯片供电，保证通讯模块的工作稳定性。

五、总结

本文主要应用漏电流技术，实现了城市照明电缆防盗报警尾端设备的无源化设计，在开灯和关灯状态下的24小时全天候电缆防盗监测，且使用不受电缆距离限制等满足照明电缆条件恶劣、环境多样的使用要求。城市照明电缆防盗防盗报警系统使用了传感技术、电子技术、GPRS/GSM无线通讯技术、计算机及网络技术，实现了照明电缆防盗的自动化监控和管理。通过实时的照明电缆监测和快速和正确的报警，使维护人员快速响应，及时阻止电缆的被盗和依法对施工造成的损坏进行索赔，减少财产损失，降低因电缆被盗造成的社会影响，提高照明管理者的管理水平。

[1]王晓荣,余颖.电工电子技术基础[M].武汉理工大学出版社,2010.

[2]M23 GSM/GPRS Wireless Module[K].BENQ,2005.