MMS照明无线监控

基于MMS的城市照明无线监控系统
（南京工业职业技术学院  张玲）

摘 要：针对城市照明综合监控系统中照明灯覆盖面广、种类繁杂、控制要求多种多样、信息量差别大、维护需及时等特点，本文研究基于MMS协议的城市照明无线监控系统，开发基于同一种接入与控制协议的无线数据传输控制平台，通过统一的接入与控制协议来实现对城市照明系统的数字化控制，为城市照明综合监控提供完整的解决方案。
关键词：城市照明；无线监控；MMS协议

1  引言
　　随着信息化、数字化、网络化技术的发展，“数字城市”已成为当今全球城市信息化建设的热点。城市照明数字化是数字城市的重要组成部分，它是以新能源技术、照明技术、计算机控制技术、多媒体技术和通信技术为基础，运用遥感、遥测、通信网络等对城市的照明设施及照明效果进行动态监测与管理，并为“数字城市”管理系统提供辅助决策服务。
　　无线网通信技术是城市数字照明系统中的关键技术，目前3G通信网络、现场通信总线、短距离无线通信网（如ZigBee）等通信技术已发展成熟，完全能应用于照明系统的数据传输。城市照明综合监控系统所涉及的照明灯覆盖面广、种类繁杂、控制要求多种多样，各照明区域或不同类型灯具所包含的信息量差别很大。本文所阐述的城市照明无线监控系统，研究基于同一种接入与控制协议（MMS）的无线数据传输控制平台，通过统一的接入与控制协议来实现对城市照明的数字化控制，为城市亮化照明控制提供完整的解决方案，同时在满足城市亮化美化效果的前提下，尽可能地降低能耗、低碳环保，符合国家的能源政策。

2  系统体系结构
　　城市照明无线监控系统可分为3个层次，分别是：（1）设置于全市和各区县的统一的计算机监控系统WCS；（2）设置于各大楼、广场、道路的区域控制器NCS；（3）设置于照明配电箱内的现场控制器LC。系统结构如图1所示。

　（1）计算机监控系统WCS。协调整个城市景观照明和路灯照明的运行及其综合管理，对所有子照明系统进行控制和运行状态监控。系统包括控制计算机、跨平台操作系统、城市亮化照明控制软件、设备信息管理系统、能耗管理系统、维护管理系统等。系统融合3G通信网络，在城市监控中心与各区域监控分中心计算机之间形成一个统一的监控平台。各区域控制器NCS系统首先通过3G网络将照明监控数据上传到各自的区域监控分中心，再通过3G网络将各分中心的数据上传到总监控中心。
　　（2）区域照明控制器NCS。作为城市照明监控系统的重要组成部分，NCS负责采集现场设备的信息，处理后通过3G网络上传给本地监控中心，而本地控制中心的控制命令也通过3G网络发送给区域控制器NCS，再由区域控制器直接控制相应设备或控制命令转发给现场控制器LC。因此区域控制器应具有可靠性高、接口丰富、灵活方便、可扩展等特点。城市照明系统中的照明灯控制方式多种多样，有的是分合控制，有的是明暗控制，有的是色彩控制，其中所包含的信息量差别很大。区域控制器与照明现场控制器之间的通信协议，既要能满足彩色景观灯大信息量的要求，又要能满足灯具数量庞大的控制需求。因此参考MMS协议（MNS 是基于XML描述语言的制造报文规范、适用于多设备互联），并在此基础上做适当修改调整以满足城市大范围亮化照明控制的需求。
　（3）现场照明控制器LC。采用高速率的单片机（PowerPC）和嵌入式操作系统（Linux），内置嵌入式光纤100M以太网络控制器，支持TCP/IP、UDP、HTTP等网络协议，并可与无线GPRS/APN结合，组成远程无线终端。每个亮化照明现场控制单元能提供简单的回路电源分合控制，也可连接各类灯具的数字通信接口以及传统的DMX512输出接口。
　　基于MMS的城市照明无线监控系统既支持网络远程控制（用于整个城市亮化照明），又可以是集中控制（用于区域亮化照明控制），并可以存储一些控制场景，根据不同季节或主题表现效果的需要，自动播放预先编好的程序。同时系统具有开放接口，通过以太网可以与其他系统联网，从而提高城市亮化照明系统的智能化控制水平。

3  系统通信协议与虚拟化建模

　　城市综合照明监控系统中会接入各种各样的设备，还有不断涌现的新设备。这些设备为我们的城市照明提供了丰富的表现手段和技术保障，但要让如此众多的设备依照一定的标准融入到一个系统中，并在控制计算机的统一调度之下协同工作却绝非易事。
　　在本系统中所有接入设备均采用RJ45以太网接口标准，支持10M/100Mbps高速以太网接口，在通信协议上则采用基于XML描述语言的制造报文规范MMS标准。
　MMS是由国际标准化组织ISO第184技术委员会—“工业自动化系统与集成”TC184制订的一套用于开发和维护工业自动化系统的独立国际标准报文规范。MMS是通过对真实设备及其功能进行建模的方法，实现网络环境下计算机应用程序或智能电子设备(Intelligent Electronic Devices，IED)之间数据和监控信息的实时交换。国际标准化组织出台MMS是为了规范工业领域具有通信能力的智能传感器、智能电子设备IED、智能控制设备的通信行为，让出自不同厂商的设备之间具有互操作性，使系统集成变得简单、方便。
　　对智能照明设备虚拟化建模VMD(Virtual Manufacturing Device)是本系统最重要的一个技术核心。MMS定义了MMS服务器应用过程的外部可见功能，此功能是由VMD的描述实体来建模的。VMD存在于MMS服务器应用过程中，构成信息处理任务部分，对一组资源进行监控，并与一个实设备IED在功能上相关。一个应用过程(AP)可以包含零个或多个VMD，如图2所示。

　　图2中每个VMD表示一个虚拟智能设备，将照明灯具、电源设备、控制设备虚拟化为控制节点或测量节点。应用程序客户端通过MMS系统操作VMD设备，再通过VMD操作到实设备。图3所示为客户端AP与VMD虚拟照明灯通信示意图。

　MMS服务器中的VMD模型可以通过读取IED的配置文档(由XML语言描述)来获得IED的配置信息，建立VMD中具体服务和具体变量与IED提供的服务和变量(例如测量值、自检报告、故障事故报告、控制信号等)的映射关系。这一过程可以专门建立一个IED配置工具，采用配置描述语言XML来描述相关的IED配置和参数。SCL(分站区域描述语言)是通信标准的核心部分，主要是为了满足抽象通信服务与MMS映射服务的对接要求。具体描述和应用体现在以下四类文件当中：
　　(1)ICD文件。描述带有固定数目逻辑节点的欲配置的IED能力，即描述未绑定到具体应用过程中的IED产品的结构和功能。
　　(2)SSD文件。描述照明子系统功能和拓扑结构及通信设置。
　　(3)SCD文件。用来说明如何将各个IED整合成为一个功能完善的综合照明管理系统，是完整的配置过程。
　　(4)CID文件。描述系统中实例化IED设备信息，将SCD文件中与实例IED有关的信息分离出来，生成CID文件，发给相应的IED进行具体的配置。
　　参考MMS标准设计综合照明计算机监控通信网络和系统的标准，采用分层、面向对象建模等多种新技术，其底层直接映射到MMS上，为应用系统提供一致的通信界面。
　　将MMS的建模特性应用到软件系统的设计中，软件设计也采用分层模块化设计，将大大提高软件系统的可靠性、可维护性和可扩展性。
　　
4  系统软件设计

城市照明无线监控系统WCS主站软件采用分层模块化设计，基于Windows环境开发，其开发、运行的操作系统均为Windows操作系统，包括目前主流的Windows XP、Windows7、Windows 2008 SERVER等。数据库平台为SQL SERVER 2008，采用视窗化语言设计，支持B/S（浏览器/服务器）与C/S（客户机/服务器）相结合的组网结构，支持Internet远程查询和访问，采用可视化语言设计，界面友好。基于该平台开发的软件功能强大、界面友好，便于操作维护，还可以实现多任务运行。图4所示为系统软件体系示意图。

　　（1）软件系统特点
　　系统以GIS地理信息为显示背景图，在背景图上通过示意图显示每个终端的精确定位和终端属性，包括光源、灯杆等详细信息，为维护维修提供第一手准确资料。
　系统将路灯 (包括装饰灯、广告灯、亮化灯)等不同灯型灯具的监控和数据采集、处理融于一体，通过群控或组控实现不同灯型的控制。也可以根据不同时间及光照度进行控制。系统采取双机热备份，后备机可随时转换为前置机，并自动将数据存储到服务器，前置机运行时会将所有数据存储在本机并自动将数据备份在服务器上。随着今后网络的扩展，在网上新增的其他计算机均可以根据需求进行浏览、查询和打印。
　　（2）照明监控系统功能
　　利用强大的界面设计功能，设计人机交互界面，实现对城市照明的控制操作、数据处理、数据及状态显示、数据查询打印等管理功能，采用分层技术和错误处理编码框架使程序严密、可靠性高，并通过严格的单元测试和集成测试。
　　（3）地理信息系统(GIS)
　采用成熟的地理信息系统。通过GIS实现对各种路灯资料、相关市政设施资料与地图信息相结合，各种设施分层管理，并与路灯地理信息数据库紧密结合，既可以通过路灯地理信息数据库查询地图上的各种信息，也可以通过地图查询各种设施的属性，并且对市政设施进行详细的分析统计。
　　（4）WEB浏览查询系统
　　采用Asp.net技术，通过浏览器输入主站网址和密码就可以在任何一台可上网的电脑上多人同时访问监控主站的数据，进行远程浏览、查询。
　　本系统采用与监控系统数据库相同的结构和格式，两数据库完全兼容。能够完全访问监控系统数据库，提供和监控系统完备的数据接口，实现对城市照明监控系统的历史数据进行访问和分析。提供各种图形描述，包括曲线图、柱图等，为城市综合管理提供必要的数据和图形资料。
　　（5）远程维护、维修系统
　　采用网络技术实现远程操作指导，快速响应故障维护需求，能有效地缩短故障维修响应时间。
　　（6）短信报警系统
　　采用短信控件技术开发的短信报警系统进行全方位管理，监控主站WCS对各子站时刻保持监控，并且与值班人员的手机保持联系。一旦系统发生故障，监控计算机立即自动给值班人员手机发送短消息报警，这样即使值班人员手机关机，也会在打开手机的第一时间收到报警信息。

5  结束语
　　本文所阐述的城市照明无线监控系统可在全市范围内对全夜灯、半夜灯和景观灯实现网络化控制，根据需要统一调度路灯、景观灯的开/关，节约电能。系统具有自动报警和巡测、选测功能，调度人员可以在故障发生后的数秒内快速了解故障的地点和状态，及时进行修复。在实际应用中还将融合能源考核管理系统，为创建我们的美丽、绿色、环保、节能型城市起到有益的作用。文中所涉及的制造报文规范MMS在接入设备繁杂的城市照明监控系统中的应用将越来越广泛，并将推广到其他城市监控管理系统中，为城市综合管理系统中各种设备和信息相融合起到一定的示范作用。
　　
　　
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