齊麗強+黃清龍

摘 要：隨著風能和太陽能等新能源技術的快速發(fā)展，作為早期應用的新能源路燈也得到了愈加廣泛的推廣。針對目前風光互補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)的風光互補LED路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過GPRS無線通信網絡將路燈控制器終端與PC機或手機平臺監(jiān)控終端互聯，路燈控制器中的實時數據通過ZigBee節(jié)點經由數據集中器傳輸到云端服務器，云端服務器處理完數據后分發(fā)到相應的監(jiān)控終端，同時，亦可通過各終端實現對各風光互補路燈的遠程控制。實踐證明，所設計系統(tǒng)數據通信安全可靠，運行穩(wěn)定，具有良好的工程應用價值和經濟推廣價值。

關鍵詞：風光互補路燈；遠程監(jiān)控；GPRS；Delphi

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

0 引 言

隨著我國經濟力量的不斷壯大，國內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致環(huán)境污染，國內霧霾天氣頻發(fā)。為了盡快解決此類問題，大力倡導可再生能源的開發(fā)利用不僅是當前急需解決的問題，更是具有長遠需求的工程。太陽能與風能同是目前發(fā)展最成熟的可再生能源，我國幅員遼闊，風能和太陽能潛力巨大，對其進行大力開發(fā)并應用在新能源領域有著廣闊的前景。

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

盡管風光互補LED路燈系統(tǒng)在一些地方得到了大力推廣，但由于技術及維護等問題導致項目頻頻失敗，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[1]和文獻[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[3]則將無線通信技術應用在太陽能和市電互補路燈中，并在路燈智能控制方面做了進一步研究。本文針對目前使用較為廣泛的風光互補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，使用GPRS無線通信網絡、ZigBee物聯網和阿里云技術，設計了一種智能風光互補LED路燈多平臺遠程監(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和運營費用，有利于風光互補LED路燈系統(tǒng)的進一步推廣。

1 路燈監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

風光互補LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示。

系統(tǒng)由道路現場的風光互補LED路燈、ZigBee無線通信節(jié)點、集中器網關、遠程監(jiān)控平臺以及云端通訊服務器和數據庫服務器構成。每個風光互補路燈都設有一個風光互補路燈控制器和對應的無線通信節(jié)點。所有路燈節(jié)點和集中器網關內的無線通信模塊構成了一個無線自組網數據通信網絡。每盞風光互補路燈的數據都可以通過對應路燈內的無線通信節(jié)點發(fā)送至對應路段的集中器網關，并通過GPRS通信上傳到云端服務器，并最終由其傳送到遠程的PC機和手機監(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等平臺的應用程序。本系統(tǒng)的PC機和手機監(jiān)控平臺以及云端服務器程序都基于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。通訊服務器主要負責數據鏈路的維護以及數據交互的可靠與穩(wěn)定，基于DataSnap技術的不斷發(fā)展，數據庫服務器采用DataSnap+Access搭建。DataSnap解決了Access本地小型數據庫跨網絡通信的問題，后期還會根據系統(tǒng)需求不斷推廣替換成中大型數據庫。通過服務器遠程終端便可實時監(jiān)控路燈的運行狀態(tài)，也可以查詢備份在數據庫內的歷史數據，并對底層風光互補LED路燈的參數進行遠程設置。

2 無線數據傳輸設計

在整個系統(tǒng)中，數據的無線可靠傳輸是系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行的關鍵，ZigBee無線通信節(jié)點、相應的數據集中器以及云端服務器便是數據傳輸設計的核心所在。

2.1 ZigBee無線通信節(jié)點

在風光互補LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)底層組成的風光互補LED路燈中，除設置有風光互補LED路燈控制器之外，還對應設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)點的主要功能是負責將路燈數據發(fā)回所屬的集中器網關，并最終通過集中器將數據發(fā)送回遠程監(jiān)控中心，接收平臺通過集中器發(fā)給對應控制器的命令。

ZigBee技術是近幾年興起的一種短距離無線通信技術，其工作于免費的ISM頻段（2.4 GHz），主要用于低成本、低功耗、低復雜度、低數據速率、近距離、高可靠性的多設備聯網應用。ZigBee技術具備強大的自組網能力，支持三種主要的自組網無線網絡類型，即星型結構、網狀結構和鏈狀結構。根據開發(fā)對象的特點和ZigBee的傳輸特性，設計了基于鏈狀結構的風光互補路燈ZigBee節(jié)點網絡，并取得了很好的效果。

2.2 數據集中器

通常所監(jiān)控路段的路燈都遠離監(jiān)控中心，甚至是跨區(qū)域監(jiān)控，因此數據集中器尤為重要。近距離上，由于ZigBee自組網技術的靈活可靠性，只需保證有任意一個與風光互補路燈控制器相連的ZigBee節(jié)點可將數據傳輸給數據集中器即可；遠距離上，數據集中器通過內部的無線通信模塊將路燈數據接收后，由內部的GPRS模塊通過公共GSM網絡發(fā)送到遠程服務器。從服務器傳送過來的數據亦通過上述鏈路逆向回傳。endprint

2.3 云端服務器設計

隨著阿里云技術的不斷發(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，使用云技術進行相關技術開發(fā)成為越來越多公司的選擇，本系統(tǒng)采用的通訊服務器和數據服務器都基于云端支持。從Delphi2009開始，DataSnap技術采用全新的多層架構，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)的通訊服務器基于DataSnap技術進行設計與開發(fā)，其核心圍繞TDSServer控件、TDSServerClass控件和TDSTCPServerTransport控件展開。

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

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

TDSTCPServerTransport控件可實現一個多線程的TCP服務器，多線程監(jiān)聽客戶端連接。

而數據服務器則通過DataSnap+Access來完成。作為典型的三層C/S構架，DataSnap解決了Access本地小型數據庫跨網絡通信的問題。而其關鍵便是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據庫，因此客戶端無需TDatabase構件。

TDatasetProvier控件是存在于應用程序服務器上的一個組件，負責取出TdataSet中應用程序所要求的數據，并進行封裝提供給客戶端程序。

3 多平臺監(jiān)控軟件設計

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格式的數據集，而PC機或手機客戶端也用Delphi開發(fā)，因此產生的效能是最高的。因此，本系統(tǒng)選擇D10 Seattle來開發(fā)基于Windows和Android系統(tǒng)的遠程監(jiān)控終端軟件。

3.1 基于Windows系統(tǒng)遠程監(jiān)控軟件設計

3.1.1 遠程監(jiān)控軟件功能設計

（1）數據傳輸功能

監(jiān)控平臺可以通過數據集中器接收現場路燈控制器通信節(jié)點上的數據，也可以在監(jiān)控平臺上通過通信服務器的逆過程下發(fā)數據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光互補路燈基礎信息，包括項目、區(qū)域、路段、網關地址、路燈地址、經緯度、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、風力發(fā)電機、太陽能板、蓄電池的狀態(tài)等信息。

（4）數據管理功能

對于所收集的底層路燈數據，遠程監(jiān)控中心可對數據進行編整和初步分析，存儲和歸檔處理，并對錯誤數據進行報警?？紤]到數據的安全需求，監(jiān)控中心必須具備對數據進行定期備份和還原的功能。

（5）控制功能

可以對整個風光互補LED路燈或者選定的某幾盞風光互補LED路燈進行開關控制、風機剎車和解剎車及對時等遠程功能控制。

（6）設置功能

可以設置風光互補LED路燈的照明策略（如開關燈周邊環(huán)境光線亮度、負載工作模式、亮燈時間、亮燈時長及亮燈功率等）?？蓪︼L光互補LED路燈蓄電池的充放電參數和風機運轉的參數進行設置。

（7）告警功能

風光互補LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)可根據不同的故障代碼生成相應的告警碼，應及時通過無線通信節(jié)點和數據集中器將故障代碼上傳到遠程監(jiān)控中心，監(jiān)控中心及時回應故障告警，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的責任人。

（8）數據存儲及統(tǒng)計功能

遠程監(jiān)控中心可保存過去一段時間的運行數據，并對運行數據進行統(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計參考，改善系統(tǒng)運行狀況。

3.1.2 遠程監(jiān)控軟件界面概要設計

按照風光互補路燈遠程監(jiān)控中心的要求，遠程監(jiān)控平臺軟件結構如圖2所示。主要包含首頁、項目管理、實時數據、遠程控制、路燈設置、歷史數據、告警處理、系統(tǒng)日志和系統(tǒng)設置，每個模塊之間可以相互切換。

3.2 基于Android系統(tǒng)遠程監(jiān)控軟件設計

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

4 結 語

通過上述分析與設計可以看出，智能風光互補LED路燈多平臺遠程監(jiān)控系統(tǒng)在實現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與維護費用。但如何最大化地利用云端大數據對系統(tǒng)運行狀況進行自調整以及對故障狀況進行自診斷依然是下一步需要深入研究的內容。

參考文獻

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