劉紫燕，羅　超，楊　揚(yáng)，楊通杰，羅厚德，胡紅博（貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)*

劉紫燕，羅超，楊揚(yáng)，楊通杰，羅厚德，胡紅博
（貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

傳統(tǒng)的路燈管理和維護(hù)采用人工巡查的方式，效率低下，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。城市智能路燈控制系統(tǒng)借助無(wú)線傳感器和GPRS，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈實(shí)時(shí)控制和檢測(cè)。系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，以PC為客戶端，通過(guò)GPRS無(wú)線通信方式接入服務(wù)器終端，實(shí)現(xiàn)基站與客戶終端的連接。PC客戶端通過(guò)處理數(shù)據(jù)來(lái)提醒用戶基站存在的異常和手動(dòng)控制基站。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)運(yùn)行正確，穩(wěn)定可靠。

智能路燈；基站；服務(wù)器；PC終端；GPRS

0　引言

城市路燈系統(tǒng)是現(xiàn)代城市建設(shè)中重要的組成部分，它服務(wù)于交通安全和人們的出行、休閑及生活，美化了城市容貌。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)城市的路燈控制系統(tǒng)采用“全夜燈恒照度”的模式，其能源利用率低、資源浪費(fèi)大。路燈分布在城市道路的每個(gè)角落，自然或者人為的損壞時(shí)常發(fā)生，由于其分布廣泛，給路燈的管理、維護(hù)工作帶來(lái)極大的困難。路燈管理部門多采用上路巡查的辦法來(lái)發(fā)現(xiàn)故障、排除故障，不僅反應(yīng)遲緩，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢，很難滿足高“亮燈率”的管理要求，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)代化道路照明的需要［1-3］。

本文設(shè)計(jì)的智能路燈控制系統(tǒng)將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，整個(gè)智能路燈控制系統(tǒng)由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、計(jì)算機(jī)控制中心等部分組成。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)路燈運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集和路燈的亮度控制，而移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)在基站和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間傳輸［4-5］。計(jì)算機(jī)控制中心監(jiān)控全部路燈的運(yùn)行，對(duì)整個(gè)區(qū)域的光能進(jìn)行合理優(yōu)化，以減少電能消耗。

1　智能路燈控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于WSN的智能路燈控制系統(tǒng)由路燈控制節(jié)點(diǎn)、路燈協(xié)調(diào)器、遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)各部分連接圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

路燈控制節(jié)點(diǎn)安裝在每個(gè)路燈上，其與路燈協(xié)調(diào)器通過(guò)無(wú)線傳輸方式連接，多個(gè)路燈協(xié)調(diào)器及其所管轄的路燈控制節(jié)點(diǎn)組成了整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。整個(gè)智能路燈控制系統(tǒng)通過(guò)部署在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的傳感器采集路燈運(yùn)行過(guò)程中的光照強(qiáng)度、周圍溫度等狀態(tài)信息，并通過(guò)nRF905芯片的無(wú)線傳輸方式將路燈運(yùn)行狀態(tài)信息傳送至路燈協(xié)調(diào)器，路燈協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)對(duì)信息進(jìn)行分類、計(jì)算、轉(zhuǎn)化等初步分析。路燈協(xié)調(diào)器與GPRS模塊直接相連，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)將路燈運(yùn)行狀態(tài)信息儲(chǔ)存至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)的操作人員只需登錄Internet運(yùn)行路燈控制程序即可了解路燈運(yùn)行過(guò)程中的相關(guān)信息，同時(shí)將對(duì)路燈進(jìn)行相關(guān)操作的控制信息發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而控制運(yùn)行中的每一盞路燈。

1.1GPRS通信方式

GPRS是基于GSM的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加的一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，可為用戶提供端到端的、廣域無(wú)線IP連接。GPRS是一項(xiàng)無(wú)線高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)，用戶通過(guò) GPRS可在移動(dòng)狀態(tài)下使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

本系統(tǒng)采用GPRS無(wú)線通信方式。各個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處采集的信息通過(guò)無(wú)線方式（nRF905芯片）傳輸?shù)铰窡魠f(xié)調(diào)器，在路燈協(xié)調(diào)器的微處理器中進(jìn)行分析、計(jì)算、轉(zhuǎn)化等信息處理，處理后的信息傳送至GPRS模塊等待發(fā)送出去，并利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將處理后的信息傳輸至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器并存儲(chǔ)，其過(guò)程如圖2所示。

圖2　協(xié)調(diào)器和GPRS的連接

1.2路燈控制節(jié)點(diǎn)

路燈控制節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)重要組成部分，安裝在每個(gè)路燈上，其不僅能接受來(lái)自控制中心的命令對(duì)該節(jié)點(diǎn)路燈進(jìn)行控制和檢測(cè)，還能通過(guò)溫度和光傳感組成的傳感器電路采集外界自然環(huán)境狀態(tài)信息，經(jīng)STC52（MCU）處理傳感器電路采集的信息，進(jìn)而由自適應(yīng)調(diào)光電路實(shí)現(xiàn)路燈的自動(dòng)控制。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　路燈控制節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

2　軟件設(shè)計(jì)

該智能路燈控制系統(tǒng)以PC為客戶端，在軟件開發(fā)中使用Net Framework 4.0搭建應(yīng)用開發(fā)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，使用 VS2010和 C#語(yǔ)言開發(fā)應(yīng)用程序，其框架圖如圖4所示，主要包含PC服務(wù)終端模塊和PC客戶端模塊兩個(gè)部分。

PC服務(wù)終端模塊主要功能是為基站和客戶終端建立聯(lián)系，以及提供一些能夠自動(dòng)處理的功能。它包含數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)模塊，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和識(shí)別；數(shù)據(jù)處理模塊處理終端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求和邏輯請(qǐng)求，對(duì)遠(yuǎn)程基站進(jìn)行控制，這些控制信息將由用戶界面交互得到，同時(shí)還具備數(shù)據(jù)異常處理功能。

圖4　智能路燈控制系統(tǒng)開發(fā)框架

PC客戶端的主要功能有數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理和界面交互。其中數(shù)據(jù)處理是終端的核心，用戶通過(guò)界面交互了解到基站的相關(guān)信息，從而手動(dòng)控制基站。此外，終端軟件本身具備通過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)提醒用戶基站存在的異常（比如路燈損壞等）的功能。

2.1PC服務(wù)終端軟件設(shè)計(jì)

PC服務(wù)終端的基本原理是：建立一個(gè)專用的接收連接主服務(wù)，在接收到連接后建立一個(gè)專用的處理數(shù)據(jù)邏輯的數(shù)據(jù)處理服務(wù)，這個(gè)處理服務(wù)將接收和處理來(lái)自客戶終端的獲取和控制請(qǐng)求［6］。該部分的實(shí)現(xiàn)主要由以下函數(shù)構(gòu)成：

public void Run（）//處理客戶端請(qǐng)求

public Socket Accept（）//建立數(shù)據(jù)服務(wù)功能

On Start Server（）//提供開關(guān)服務(wù)器服務(wù)接口

流程圖如圖5所示。

圖5　服務(wù)端程序流程圖

主要工作流程如下：

（1）服務(wù)端程序啟動(dòng)，并開啟數(shù)據(jù)監(jiān)聽程序。系統(tǒng)采用TCP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，所以對(duì)運(yùn)行監(jiān)聽程序的服務(wù)器要求有對(duì)外獨(dú)立的可供訪問(wèn)的IP地址，本系統(tǒng)的對(duì)外IP是210.40.16.55，開放端口為7777。由于監(jiān)聽程序?qū)⑻幱谝恢毖h(huán)監(jiān)聽狀態(tài)，如果該監(jiān)聽程序在界面UI線程中運(yùn)行，將會(huì)導(dǎo)致UI反應(yīng)遲鈍，故將監(jiān)聽程序放到一個(gè)新的線程中運(yùn)行。

（2）當(dāng)監(jiān)聽程序接收到連接后，為改連接開啟一個(gè)數(shù)據(jù)處理服務(wù)。連接來(lái)源有三種：基站、PC客戶端以及手機(jī)終端。之后建立一個(gè)數(shù)據(jù)處理服務(wù)程序，并將其放到一個(gè)新的線程中去運(yùn)行。

（3）在數(shù)據(jù)處理服務(wù)開啟后，它將一直處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，并預(yù)處理數(shù)據(jù)接收，直到數(shù)據(jù)接收完畢。該部分的功能主要是數(shù)據(jù)接收功能。本文制定的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議包括基站與服務(wù)端的協(xié)議、PC客戶終端與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、手機(jī)客戶終端與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

（4）將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器保存需有數(shù)據(jù)的類型以及真正需要交互的數(shù)據(jù)。

（5）根據(jù)轉(zhuǎn)換器得到處理類型，不同處理類型作相應(yīng)的處理并發(fā)回客戶終端。如果發(fā)送成功，程序?qū)⒗^續(xù)回到步驟（3），如果發(fā)送過(guò)程出現(xiàn)異?；蜻B接斷開等情況時(shí)，數(shù)據(jù)處理接聽程序?qū)⒔Y(jié)束。

2.2 PC客戶端軟件設(shè)計(jì)

PC客戶端的工作原理是：建立一個(gè)數(shù)據(jù)處理監(jiān)聽程序不停地監(jiān)聽由界面交互產(chǎn)生的數(shù)據(jù)處理命令，并根據(jù)處理命令與服務(wù)器進(jìn)行交互，提交相應(yīng)的命令和控制［7-8］。該部分的實(shí)現(xiàn)主要由以下函數(shù)構(gòu)成：

Private voidWindow_Loaded（object sender，RoutedEventArgs e）//初始化UI界面

Private void btn_Click（object sender，Routed Event Args e）//建立界面與服務(wù)器交互

VoidTimer_Elapsed（object sender，System.Timers.Elapsed Event Args e）//定時(shí)向服務(wù)請(qǐng)求更新數(shù)據(jù)

Void run（）//與終端保持?jǐn)?shù)據(jù)接收，處理數(shù)據(jù)請(qǐng)求Void command（string cmd，object data）//命令組織發(fā)送接口

Void CloseAll（bool isturnon）//控制所有燈泡信息開關(guān)

主要工作流程為：

（1）程序開啟，連接服務(wù)器。通過(guò)固定的服務(wù)器 IP：210.40.16.55，端口7777連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器。

（2）連接成功，建立數(shù)據(jù)處理程序，與服務(wù)器進(jìn)行交互，定時(shí)系統(tǒng)開啟。其中包括數(shù)據(jù)的接收預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理程序開啟、定時(shí)命令提交系統(tǒng)三個(gè)部分。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸是基于TCP協(xié)議，通過(guò)預(yù)處理可以得到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。定時(shí)命令提交系統(tǒng)中會(huì)定時(shí)向系統(tǒng)服務(wù)器提交由交互界面產(chǎn)生的控制命令。

（3）響應(yīng)或提交處理命令。該部分是客戶終端的核心部分，針對(duì)不同的數(shù)據(jù)處理請(qǐng)求相應(yīng)的操作。用戶界面交互產(chǎn)生對(duì)服務(wù)器的控制信息，控制信息發(fā)送給服務(wù)器并得到響應(yīng)后獲取到SET請(qǐng)求，再解析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中基站信息，檢查基站更新數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)異常信息，界面交互提醒用戶，最后更新到本地?cái)?shù)據(jù)緩存，界面刷新，從而達(dá)到同步顯示的目的。用戶可以根據(jù)同步顯示的信息或系統(tǒng)提醒的異常信息向客戶終端提交相應(yīng)的用戶處理請(qǐng)求，這些請(qǐng)求最終轉(zhuǎn)換成基站信息，然后通過(guò)CONTROL請(qǐng)求發(fā)送給服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)客戶終端對(duì)遠(yuǎn)程基站的實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制。PC客戶端程序流程圖如圖6所示。

圖6　PC客戶端程序流程圖

3　系統(tǒng)測(cè)試

（1）服務(wù)端運(yùn)行結(jié)果

服務(wù)端運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看到整個(gè)連接的過(guò)程：

①啟動(dòng)服務(wù)器程序；

②服務(wù)端程序接收到PC終端連接；

③服務(wù)端程序接收到基站連接。

圖7　服務(wù)端程序接收到PC終端連接

接下來(lái)服務(wù)端程序就可以處理PC終端請(qǐng)求并發(fā)回基站。

（2）PC終端運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

當(dāng)路燈運(yùn)行故障時(shí)，PC客戶端錯(cuò)誤消息窗口給出錯(cuò)誤提醒，如圖8所示。從圖8可以看到，3號(hào)燈出現(xiàn)故障，系統(tǒng)初步判定是光敏電阻出現(xiàn)異常。

圖9顯示了PC客戶端工作的界面，系統(tǒng)建立連接并可以正常進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。路燈控制節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自控制中心的命令對(duì)該節(jié)點(diǎn)路燈進(jìn)行控制和檢測(cè)。如圖9所示，當(dāng)1、2號(hào)節(jié)點(diǎn)亮度不足時(shí)，終端發(fā)出指令調(diào)節(jié)1、2號(hào)節(jié)點(diǎn)的亮度，直至達(dá)到所需亮度。另外，可以很直觀地看到3號(hào)燈出現(xiàn)故障并報(bào)警，同時(shí)系統(tǒng)初步判定是光敏電阻處出現(xiàn)異常。

圖8　路燈出現(xiàn)故障報(bào)警

圖9　PC終端控制路燈界面

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的城市智能路燈控制系統(tǒng)將無(wú)線傳感器技術(shù)與GPRS無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合，由無(wú)數(shù)個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)、多個(gè)中心節(jié)點(diǎn)（基站）、服務(wù)器和手機(jī)/PC客戶端組成。各個(gè)部分通過(guò)通信介質(zhì)傳達(dá)控制命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制路燈。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)不僅可以對(duì)故障路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和定位，還可以通過(guò)移動(dòng)或PC終端實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈亮度的調(diào)節(jié)，大大提高了路燈管理水平和服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了合理照明、美化照明及安全照明的理念。

［1］項(xiàng)新建.城鎮(zhèn)路燈智能控制系統(tǒng)的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（6）：194-197.

［2］賀一鳴，王崇貴，劉進(jìn)宇.智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（1）：207-210.

［3］黎洪生，劉蘇斂，胡冰，等.基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的智能路燈節(jié)能系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2009，35（14）：190-192.

［4］宋成艷，李揚(yáng)，梅運(yùn)華.基于無(wú)線通信的城市路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（21）：19-20.

［5］張偉，王宏剛，程培溫.基于 GPRS的智能路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（9）：2104-2106.

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［7］張艷，趙衍娟，楊眉.基于 WSN技術(shù)的路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（1）：84-87.

［8］胡開明，李躍忠，盧偉華.智能路燈節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（9）：143-145.

Design and im plementation of intelligent street light control system

Liu Ziyan，Luo Chao，Yang Yang，Yang Tongjie，Luo Houde，Hu Hongbo
（College of Big Data and Information Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

The management and maintenance of the traditional street lamps use the manual inspections，which is inefficient and time-consuming.The intelligent street light control system achieves the real-time control and detection of the street lamps by wireless sensors and GPRS.The system uses C/S structure.The PC client gets access to the server through GPRS so that the connection between the base station and the client is established.The client reminds user the exception and controls base station by processing data.The experimental results show that the system runs correctly，steadily and reliably.

intelligent street light；base station；server；PC client；GPRS

TP273.5

A

1674-7720（2015）06-0019-04

2014-10-28）

劉紫燕（1977-），女，副教授，主要研究方向：無(wú)線通信，下一代通信系統(tǒng)。

貴州省軟科學(xué)研究項(xiàng)目（黔科合R 字［ 2014 ］ 2025 號(hào)）

羅超（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式通信、電力線載波通信。