齊麗強(qiáng)+黃清龍

摘 要：隨著風(fēng)能和太陽能等新能源技術(shù)的快速發(fā)展，作為早期應(yīng)用的新能源路燈也得到了愈加廣泛的推廣。針對目前風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈趨向智能化發(fā)展的趨勢以及系統(tǒng)可靠性低、工作壽命短、維護(hù)成本高等實際問題，文中提出了一種智能的基于GPRS通信并使用Delphi開發(fā)的風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)將路燈控制器終端與PC機(jī)或手機(jī)平臺監(jiān)控終端互聯(lián)，路燈控制器中的實時數(shù)據(jù)通過ZigBee節(jié)點經(jīng)由數(shù)據(jù)集中器傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，云端服務(wù)器處理完數(shù)據(jù)后分發(fā)到相應(yīng)的監(jiān)控終端，同時，亦可通過各終端實現(xiàn)對各風(fēng)光互補(bǔ)路燈的遠(yuǎn)程控制。實踐證明，所設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信安全可靠，運行穩(wěn)定，具有良好的工程應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)推廣價值。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補(bǔ)路燈；遠(yuǎn)程監(jiān)控；GPRS；Delphi

中圖分類號：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)力量的不斷壯大，國內(nèi)對能源的需求也越來越大，石油和煤炭等化石能源未來將會愈發(fā)緊缺。同時，化石能源的大量使用導(dǎo)致環(huán)境污染，國內(nèi)霧霾天氣頻發(fā)。為了盡快解決此類問題，大力倡導(dǎo)可再生能源的開發(fā)利用不僅是當(dāng)前急需解決的問題，更是具有長遠(yuǎn)需求的工程。太陽能與風(fēng)能同是目前發(fā)展最成熟的可再生能源，我國幅員遼闊，風(fēng)能和太陽能潛力巨大，對其進(jìn)行大力開發(fā)并應(yīng)用在新能源領(lǐng)域有著廣闊的前景。

風(fēng)光互補(bǔ)路燈是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的典型應(yīng)用，自2009年開始試點應(yīng)用。相比太陽能路燈，風(fēng)光互補(bǔ)路燈中，風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電能夠彌補(bǔ)彼此單獨發(fā)電量不足的缺憾，具有良好的資源互補(bǔ)性、供電安全性和穩(wěn)定性。相比傳統(tǒng)市電路燈，風(fēng)光互補(bǔ)LED（Light Emitting Diode，LED）路燈的建設(shè)與發(fā)展在為政府節(jié)約大量經(jīng)費的同時，也為城市節(jié)能減排作出了巨大貢獻(xiàn)。

盡管風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈系統(tǒng)在一些地方得到了大力推廣，但由于技術(shù)及維護(hù)等問題導(dǎo)致項目頻頻失敗，夜間亮燈時間逐步縮短，使用壽命大打折扣等現(xiàn)象屢見不鮮。因此，如何保證路燈的安全、穩(wěn)定、可靠運行成為新的課題。針對市電路燈系統(tǒng)，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]分別通過GPRS（General Packet Radio Service，GPRS）和電力線載波的方式搭建了智能監(jiān)控系統(tǒng)，對路燈的節(jié)能減排以及智能控制都起到了良好的輔助作用。文獻(xiàn)[3]則將無線通信技術(shù)應(yīng)用在太陽能和市電互補(bǔ)路燈中，并在路燈智能控制方面做了進(jìn)一步研究。本文針對目前使用較為廣泛的風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈系統(tǒng)，基于Delphi最新的并不斷成熟的多平臺開發(fā)和DataSnap技術(shù)，使用GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)、ZigBee物聯(lián)網(wǎng)和阿里云技術(shù)，設(shè)計了一種智能風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈多平臺遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在保證系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的同時，延長了系統(tǒng)的工作壽命，大大減少了項目投資建設(shè)和運營費用，有利于風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣。

1 路燈監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)由道路現(xiàn)場的風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈、ZigBee無線通信節(jié)點、集中器網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺以及云端通訊服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器構(gòu)成。每個風(fēng)光互補(bǔ)路燈都設(shè)有一個風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器和對應(yīng)的無線通信節(jié)點。所有路燈節(jié)點和集中器網(wǎng)關(guān)內(nèi)的無線通信模塊構(gòu)成了一個無線自組網(wǎng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。每盞風(fēng)光互補(bǔ)路燈的數(shù)據(jù)都可以通過對應(yīng)路燈內(nèi)的無線通信節(jié)點發(fā)送至對應(yīng)路段的集中器網(wǎng)關(guān)，并通過GPRS通信上傳到云端服務(wù)器，并最終由其傳送到遠(yuǎn)程的PC機(jī)和手機(jī)監(jiān)控平臺。

隨著近幾年Delphi的不斷更新與發(fā)展，其依然處于主流軟件開發(fā)工具的地位，同時也已具備快速開發(fā)Windows、iOS、Android等平臺的應(yīng)用程序。本系統(tǒng)的PC機(jī)和手機(jī)監(jiān)控平臺以及云端服務(wù)器程序都基于Delphi開發(fā)完成，在提高程序開發(fā)效率的同時，也極大地滿足了各部分之間兼容性的要求。通訊服務(wù)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈路的維護(hù)以及數(shù)據(jù)交互的可靠與穩(wěn)定，基于DataSnap技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用DataSnap+Access搭建。DataSnap解決了Access本地小型數(shù)據(jù)庫跨網(wǎng)絡(luò)通信的問題，后期還會根據(jù)系統(tǒng)需求不斷推廣替換成中大型數(shù)據(jù)庫。通過服務(wù)器遠(yuǎn)程終端便可實時監(jiān)控路燈的運行狀態(tài)，也可以查詢備份在數(shù)據(jù)庫內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，并對底層風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈的參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置。

2 無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

在整個系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的無線可靠傳輸是系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，ZigBee無線通信節(jié)點、相應(yīng)的數(shù)據(jù)集中器以及云端服務(wù)器便是數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計的核心所在。

2.1 ZigBee無線通信節(jié)點

在風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)底層組成的風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈中，除設(shè)置有風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈控制器之外，還對應(yīng)設(shè)置一個無線通信模塊，我們稱之為無線通信節(jié)點。無線通信節(jié)點的主要功能是負(fù)責(zé)將路燈數(shù)據(jù)發(fā)回所屬的集中器網(wǎng)關(guān)，并最終通過集中器將數(shù)據(jù)發(fā)送回遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，接收平臺通過集中器發(fā)給對應(yīng)控制器的命令。

ZigBee技術(shù)是近幾年興起的一種短距離無線通信技術(shù)，其工作于免費的ISM頻段（2.4 GHz），主要用于低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、近距離、高可靠性的多設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。ZigBee技術(shù)具備強(qiáng)大的自組網(wǎng)能力，支持三種主要的自組網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和鏈狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)開發(fā)對象的特點和ZigBee的傳輸特性，設(shè)計了基于鏈狀結(jié)構(gòu)的風(fēng)光互補(bǔ)路燈ZigBee節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，并取得了很好的效果。

2.2 數(shù)據(jù)集中器

通常所監(jiān)控路段的路燈都遠(yuǎn)離監(jiān)控中心，甚至是跨區(qū)域監(jiān)控，因此數(shù)據(jù)集中器尤為重要。近距離上，由于ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)的靈活可靠性，只需保證有任意一個與風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制器相連的ZigBee節(jié)點可將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)集中器即可；遠(yuǎn)距離上，數(shù)據(jù)集中器通過內(nèi)部的無線通信模塊將路燈數(shù)據(jù)接收后，由內(nèi)部的GPRS模塊通過公共GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。從服務(wù)器傳送過來的數(shù)據(jù)亦通過上述鏈路逆向回傳。endprint

2.3 云端服務(wù)器設(shè)計

隨著阿里云技術(shù)的不斷發(fā)展和推廣，從縮減企業(yè)開發(fā)成本和提高傳輸便利性角度考慮，使用云技術(shù)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)開發(fā)成為越來越多公司的選擇，本系統(tǒng)采用的通訊服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器都基于云端支持。從Delphi2009開始，DataSnap技術(shù)采用全新的多層架構(gòu)，不再基于微軟的COM，而擺脫COM就意味著擺脫了Windows的束縛。相較于以前，TCP/IP通信也變得簡單許多，全新的DataSnap只需一個中間件就可以開發(fā)普通的TCP/IP通信。

本系統(tǒng)的通訊服務(wù)器基于DataSnap技術(shù)進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)，其核心圍繞TDSServer控件、TDSServerClass控件和TDSTCPServerTransport控件展開。

TDSServer控件是DataSnap服務(wù)端程序的邏輯核心，用來啟動和停止服務(wù)。AutoStart屬性默認(rèn)設(shè)置為true，程序一旦運行就自動啟動服務(wù)。

TDSServerClass控件代表一個服務(wù)器類，服務(wù)端的方法由它來引出供客戶端遠(yuǎn)程調(diào)用。DataSnap Server可自動創(chuàng)建和銷毀一個服務(wù)器類的實例。該實例的生命周期受TDSServerClass的LifeCycle屬性控制。

TDSTCPServerTransport控件可實現(xiàn)一個多線程的TCP服務(wù)器，多線程監(jiān)聽客戶端連接。

而數(shù)據(jù)服務(wù)器則通過DataSnap+Access來完成。作為典型的三層C/S構(gòu)架，DataSnap解決了Access本地小型數(shù)據(jù)庫跨網(wǎng)絡(luò)通信的問題。而其關(guān)鍵便是TClientDataSet控件和TDatasetProvier控件。

TClientDataSet控件繼承自TDataSet，其最大的特點是不依賴BDE（Borland Database- Engine，BDE），但需要一個動態(tài)鏈接庫的支持，該動態(tài)鏈接庫為dbclient.dll。由于客戶端并不直接連接數(shù)據(jù)庫，因此客戶端無需TDatabase構(gòu)件。

TDatasetProvier控件是存在于應(yīng)用程序服務(wù)器上的一個組件，負(fù)責(zé)取出TdataSet中應(yīng)用程序所要求的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行封裝提供給客戶端程序。

3 多平臺監(jiān)控軟件設(shè)計

一直以來，Delphi都是Windows平臺開發(fā)軟件的主流選擇[4]，但隨著Web和移動終端開發(fā)需求的日益旺盛，Delphi逐漸被其他開發(fā)軟件超越。而2013年EMB發(fā)布了XE4，則開啟了Delphi直接開發(fā)蘋果App的篇章。同時，OrangeUI開始了緊鑼密鼓的研發(fā)，耗時四年。期間EMB也發(fā)布了XE5、XE6、XE7、XE8、D10 Seattle，直到D10.1 Berlin版，Delphi已經(jīng)可用一套代碼，同時開發(fā)穩(wěn)定的iOS和Android兩個平臺的App了。

此外，由于DataSetProvider需返回OleVariant格式的數(shù)據(jù)集，而PC機(jī)或手機(jī)客戶端也用Delphi開發(fā)，因此產(chǎn)生的效能是最高的。因此，本系統(tǒng)選擇D10 Seattle來開發(fā)基于Windows和Android系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端軟件。

3.1 基于Windows系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件設(shè)計

3.1.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件功能設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)傳輸功能

監(jiān)控平臺可以通過數(shù)據(jù)集中器接收現(xiàn)場路燈控制器通信節(jié)點上的數(shù)據(jù)，也可以在監(jiān)控平臺上通過通信服務(wù)器的逆過程下發(fā)數(shù)據(jù)給指定的路燈控制器通信節(jié)點。

（2）工程信息管理

可以在平臺單獨或者批量錄入風(fēng)光互補(bǔ)路燈基礎(chǔ)信息，包括項目、區(qū)域、路段、網(wǎng)關(guān)地址、路燈地址、經(jīng)緯度、路燈配置信息等。

（3）監(jiān)測功能

可以通過監(jiān)控平臺實時顯示路燈、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能板、蓄電池的狀態(tài)等信息。

（4）數(shù)據(jù)管理功能

對于所收集的底層路燈數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可對數(shù)據(jù)進(jìn)行編整和初步分析，存儲和歸檔處理，并對錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行報警。考慮到數(shù)據(jù)的安全需求，監(jiān)控中心必須具備對數(shù)據(jù)進(jìn)行定期備份和還原的功能。

（5）控制功能

可以對整個風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈或者選定的某幾盞風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈進(jìn)行開關(guān)控制、風(fēng)機(jī)剎車和解剎車及對時等遠(yuǎn)程功能控制。

（6）設(shè)置功能

可以設(shè)置風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈的照明策略（如開關(guān)燈周邊環(huán)境光線亮度、負(fù)載工作模式、亮燈時間、亮燈時長及亮燈功率等）?？蓪︼L(fēng)光互補(bǔ)LED路燈蓄電池的充放電參數(shù)和風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

（7）告警功能

風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)不同的故障代碼生成相應(yīng)的告警碼，應(yīng)及時通過無線通信節(jié)點和數(shù)據(jù)集中器將故障代碼上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，監(jiān)控中心及時回應(yīng)故障告警，必要時監(jiān)控中心可通過短信或電話撥號的形式通知相應(yīng)的責(zé)任人。

（8）數(shù)據(jù)存儲及統(tǒng)計功能

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可保存過去一段時間的運行數(shù)據(jù)，并對運行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，生成報表，以方便分析系統(tǒng)運行是否正常，為今后同類型項目提供設(shè)計參考，改善系統(tǒng)運行狀況。

3.1.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件界面概要設(shè)計

按照風(fēng)光互補(bǔ)路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的要求，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包含首頁、項目管理、實時數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制、路燈設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)、告警處理、系統(tǒng)日志和系統(tǒng)設(shè)置，每個模塊之間可以相互切換。

3.2 基于Android系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件設(shè)計

在基本功能上，基于Android系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件與基于Windows系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件最大的差別在于設(shè)備的局限和操作的不便，前者側(cè)重于單燈的遠(yuǎn)程控制，包括數(shù)據(jù)傳輸功能、監(jiān)控功能、數(shù)據(jù)管理功能、控制功能、設(shè)置功能、告警功能、數(shù)據(jù)存儲及統(tǒng)計功能，由于是在相同軟件平臺上進(jìn)行開發(fā)的，具體界面設(shè)計便不再贅述。

4 結(jié) 語

通過上述分析與設(shè)計可以看出，智能風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈多平臺遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在實現(xiàn)多終端便捷操作的同時，能最大限度地發(fā)揮無線通信的快捷性，實時掌握路燈的運行狀況，保證路燈系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，延長系統(tǒng)工作壽命，大大減少路燈的建設(shè)與維護(hù)費用。但如何最大化地利用云端大數(shù)據(jù)對系統(tǒng)運行狀況進(jìn)行自調(diào)整以及對故障狀況進(jìn)行自診斷依然是下一步需要深入研究的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1]張卿杰，徐友，薛國慶.基于Web Service的無線路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)， 2015，38（11）：5-9.

[2]劉伊莎，黃勝明，毛周明.基于電力線載波的LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電測與儀表，2015，52（22）：113-118.

[3]朱向慶，廖桂明，崔廷佐，等.遠(yuǎn)程分布式無線智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2015，23（1）：83-85.

[4]許潔舟，林偉鵬，林盛雄，等.Delphi7 程序設(shè)計與實例[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[5]林方鍵，胥布工.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路燈節(jié)能控制系統(tǒng)[J].控制工程，2009，16（3）：324-326.

[6]段樹民，吳國增.一款太陽能路燈控制器的設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014，4（5）：76-77.

[7]徐利謀，黃長遠(yuǎn).基于GPRS和ZigBee的城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（6）：34-35.

[8]謝磊，鄒鵬舉.基于ZigBee與移動4G的風(fēng)光互補(bǔ)路燈監(jiān)控系統(tǒng)[J].科技視界，2015（30）：102-103.endprint