張玉杰 張海濤 劉麗

摘 要：針對目前國內(nèi)城市景觀照明系統(tǒng)中存在的以單體建筑照明為主、管理分散，難以實現(xiàn)大型景觀照明系統(tǒng)的同步控制以及花樣遠程更新的不足，提出了一種基于云平臺的城市景觀照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多層控制模式，利用MQTT發(fā)布訂閱的優(yōu)勢，將不同區(qū)域的景區(qū)照明系統(tǒng)接入云平臺進行組網(wǎng)，并結(jié)合MQTT通信和網(wǎng)絡(luò)時間同步特性，實現(xiàn)了系統(tǒng)的同步控制和故障監(jiān)測，采用FTP協(xié)議實現(xiàn)了花樣文件的遠程更新。該系統(tǒng)能夠滿足景觀照明系統(tǒng)統(tǒng)一管理的需求，為城市級景觀照明系統(tǒng)提供了可借鑒的方案。

關(guān)鍵詞：城市景觀照明系統(tǒng)；組網(wǎng)；MQTT；SNTP；FTP

中圖分類號：TP273；TN915 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-04

0 引 言

隨著城市化規(guī)模的擴大和品質(zhì)要求的提升，景觀照明范圍和燈具數(shù)量逐漸增加，因此將景觀照明進行有效控制、統(tǒng)一管理尤為重要[1]。目前城市景觀照明存在的問題有：國內(nèi)景觀照明應(yīng)用多以單體建筑照明系統(tǒng)為主，缺乏城市級景觀照明的同步控制和統(tǒng)一管理；由于分散管理等原因，對于景觀照明系統(tǒng)中的故障設(shè)備，無法得到及時有效的維護和處理；為了展現(xiàn)城市整體形象和局部區(qū)域特色，常需要對幾個街區(qū)或區(qū)域的景觀照明進行同時或聯(lián)動展示，并且景觀照明的花樣可以根據(jù)不同的需要隨時修改和更新[2]。

為滿足城市級景觀照明系統(tǒng)統(tǒng)一管理、故障信息實時獲取、聯(lián)動控制以及遠程花樣更新的需求，需要設(shè)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、同步控制、可擴展性強的景觀照明控制系統(tǒng)。消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議的發(fā)布訂閱模型是一種實現(xiàn)了一對多、多對多的松耦合異步通信模式，突破了C/S架構(gòu)請求/應(yīng)答通信機制存在的同步、緊耦合、點對點等局限，可滿足系統(tǒng)的通信需求。

本文針對景觀照明系統(tǒng)的需求，提出了基于云平臺的景觀照明系統(tǒng)，在充分利用MQTT發(fā)布訂閱模型優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)時間同步和網(wǎng)絡(luò)文件傳輸服務(wù)，實現(xiàn)了景觀照明系統(tǒng)的遠程控制與管理，系統(tǒng)照明花樣、圖案等文件的遠程更新，同步控制區(qū)域協(xié)調(diào)展示等功能，為城市級景觀照明控制和管理提出了可借鑒的方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

結(jié)合目前城市景觀照明系統(tǒng)的發(fā)展需求，本文設(shè)計的景觀照明系統(tǒng)具有如下運作模式和特點：

（1）各景區(qū)單體照明系統(tǒng)既受控于本系統(tǒng)的監(jiān)控中心，還將受控于城市級景觀照明系統(tǒng)；

（2）城市級景觀照明系統(tǒng)利用MQTT發(fā)布訂閱模型傳輸控制信息，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)時間同步，確保城市景觀照明系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)控制；

（3）城市級景觀照明系統(tǒng)增加了網(wǎng)絡(luò)文件服務(wù)，通過城市級景觀照明監(jiān)控中心實現(xiàn)大型景觀照明花樣的遠程更新，減少了原有人工拷貝手動更新花樣列表的工作量；

（4）城市景觀照明系統(tǒng)利用MQTT發(fā)布訂閱模型的優(yōu)勢，實現(xiàn)了故障信息向景區(qū)負責人員、城市級管理員、廠商維護人員等多方的實時推送，確保故障設(shè)備的及時發(fā)現(xiàn)和維護。

城市景觀照明系統(tǒng)采用多層控制模式，其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，由城市級管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層、景區(qū)層、景點層等組成。

該城市級景觀照明系統(tǒng)在保留景區(qū)照明系統(tǒng)監(jiān)控中心原有功能的基礎(chǔ)上，增加了MQTT通信服務(wù)，通過云平臺實現(xiàn)了城市級景觀照明系統(tǒng)的快速組網(wǎng)，并增加了網(wǎng)絡(luò)時間同步服務(wù)和文件傳輸服務(wù)，從而實現(xiàn)了城市級景觀照明系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)控制、花樣遠程更新以及故障監(jiān)測。

（1）城市級管理層作為整個城市景觀照明系統(tǒng)的監(jiān)管中心，完成實現(xiàn)對整個照明系統(tǒng)的遠程控制、管理和維護；

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層作為景觀照明系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲中心以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉屑~，可提供MQTT通信服務(wù)、文件傳輸服務(wù)、時間同步服務(wù)和數(shù)據(jù)分析、存儲服務(wù)；

（3）景區(qū)層以下作為景區(qū)照明系統(tǒng)的監(jiān)控中心，向上通過網(wǎng)絡(luò)通信層與城市及照明管理層連接，是整個城市照明系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

2 云平臺接入與MQTT通信主題設(shè)計

2.1 云平臺接入方案設(shè)計

云平臺作為網(wǎng)絡(luò)通信層的重要組成部分，是城市級管理層和景區(qū)層的通信橋梁。根據(jù)系統(tǒng)功能需求分析，云平臺可提供用戶信息管理、數(shù)據(jù)存儲、MQTT通信及文件傳輸?shù)确?wù)。

云平臺采用資源定位的方式設(shè)計，結(jié)合數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對用戶和燈具設(shè)備資源的存儲和管理。采用Rest風格的Web服務(wù)對用戶注冊、數(shù)據(jù)管理等業(yè)務(wù)進行接口封裝，通過URL描述終端，以HTTP常用操作POST、GET、DELETE、PUT等方法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫資源的CURD（增刪改查）等功能[3]。通過部署Apache Apollo服務(wù)器（MQTT服務(wù)器），提供MQTT消息代理服務(wù)。FTP服務(wù)器采用Server-U軟件進行配置。

監(jiān)控中心（城市級監(jiān)控中心和景區(qū)監(jiān)控中心）的云平臺接入包含以下幾個步驟：

（1）監(jiān)控中心信息注冊。通過用戶登錄界面進行監(jiān)控中心的信息注冊，完成監(jiān)控中心信息在云平臺數(shù)據(jù)庫中的創(chuàng)建。新的監(jiān)控中心在注冊時通過超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）訪問云平臺的接口，將監(jiān)控中心的用戶名和密碼發(fā)送到云端數(shù)據(jù)庫，完成注冊。

（2）MQTT通信服務(wù)接入。監(jiān)控中心注冊成功后，通過HTTP協(xié)議訪問云平臺的接口，獲取MQTT代理服務(wù)器的接入口令，驗證通過后連接到MQTT代理服務(wù)器[4]。

（3）文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol，F(xiàn)TP）傳輸服務(wù)接入。監(jiān)控中心在連接文件服務(wù)器之前，通過HTTP協(xié)議訪問云平臺的接口，獲取文件服務(wù)器授權(quán)的賬號和域名，連接FTP文件服務(wù)器[5]。

2.2 MQTT通信主題設(shè)計

MQTT通信作為實現(xiàn)城市級管理層與景區(qū)層監(jiān)控中心應(yīng)用數(shù)據(jù)交互的核心，基于消息主題號建立數(shù)據(jù)交互的通道。針對景觀照明系統(tǒng)運行模式的需求，將主題號分為私有主題號、組主題號和廣播主題號三種類型。主題號的定義見表1所列。

私有主題號以各景區(qū)監(jiān)控中心的用戶名UserName命名，以確保各景區(qū)節(jié)點主題號的唯一性。當景觀照明系統(tǒng)中的城市級監(jiān)控中心需要對單個景區(qū)進行遠程控制時，通過主題號“UserName＼in”發(fā)送控制命令；當子景區(qū)監(jiān)控中心需要進行命令回復或檢測到景區(qū)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，以主題號“UserName＼out”向城市級監(jiān)控中心發(fā)送回復信息或故障信息。

分組主題號用于實現(xiàn)景觀照明系統(tǒng)的編組控制。針對某些場景效果，可能需要若干個節(jié)點端共同配合實現(xiàn)一個花樣效果，在布置景觀照明系統(tǒng)時，將需要進行編組控制的子景區(qū)合并成一個分組，以組號Group_ID作為組主題號，分組中的所有景區(qū)監(jiān)控中心訂閱該組主題號，城市級監(jiān)控中心通過組主題號發(fā)布控制命令，實現(xiàn)對照明系統(tǒng)中景區(qū)的編組控制。

廣播主題號用于實現(xiàn)對景觀照明系統(tǒng)的整體控制。系統(tǒng)中所有的景區(qū)監(jiān)控中心統(tǒng)一訂閱“broadcast”廣播主題號，當景觀照明系統(tǒng)中需要進行整體定時開、關(guān)燈操作或整體聯(lián)動時，城市級監(jiān)控中心通過廣播主題號發(fā)布控制命令，實現(xiàn)對整個景觀照明系統(tǒng)的整體控制。

3 系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)

3.1 同步控制功能實現(xiàn)

系統(tǒng)的同步控制是基于網(wǎng)絡(luò)時間同步和MQTT通信實現(xiàn)的，網(wǎng)絡(luò)時間同步可確保各節(jié)點端監(jiān)控中心時間保持一致，保證不同區(qū)域的景觀照明系統(tǒng)同時響應(yīng)總控端的控制命令。MQTT通信可確保城市級監(jiān)控中心到各景區(qū)監(jiān)控中心一對多控制命令的下發(fā)。

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)時間同步

本設(shè)計中采用簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（Simple Network Time Protocol，SNTP）結(jié)合PC機內(nèi)置的RTC時鐘實現(xiàn)各景區(qū)監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)時間同步。

SNTP協(xié)議支持單播、多播和廣播工作模式，本設(shè)計中選用單播模式。當各景區(qū)監(jiān)控中心收到城市級監(jiān)控中心廣播的對時命令時，SNTP客戶端與NTP服務(wù)器建立UDP連接，利用客戶端發(fā)送請求時的時間戳T1，服務(wù)器接收到請求時的時間戳T2，服務(wù)器發(fā)送回復時的時間戳T3，客戶端接收到回復的時間戳T4。計算客戶端與服務(wù)器之間的時間偏差值：（（T2-T1）+（T3-T4））/2，網(wǎng)絡(luò)延時時間：（T2-T1）+（T4-T3）。根據(jù)偏差值校正本地的RTC時鐘[6]。部分實現(xiàn)代碼如下：

try

{

client = new UdpClient（）；

IPEndPoint ipEndPoint = _TimeServer.GetIPEndPoint（）；

client.Client.SendTimeout = _TimeOut * 1000；

client.Client.ReceiveTimeout = _TimeOut * 1000；

client.Connect（ipEndPoint）；

client.Send（Request， byteCount）；

byte[] received = client.Receive（ref ipEndPoint）；

if （received.Length >= byteCount && （（received[0] & modeMask） == modeServer））

…

}

3.1.2 MQTT通信實現(xiàn)

M2Mqtt是一個適用于.NET平臺以及WinRT平臺的MQTT客戶端開源項目。該MQTT客戶端庫使用C#語言開發(fā)，可連接任意MQTT代理服務(wù)器[7]。本系統(tǒng)中作為MQTT客戶端的總控端和節(jié)點端正是基于M2Mqtt庫開發(fā)的。

MQTT通信實現(xiàn)包含MQTT服務(wù)器連接、心跳管理、訂閱主題、取消訂閱、發(fā)布消息以及接收消息等完整的MQTT通信機制[8]。MQTT通信流程如圖2所示。

3.2 花樣遠程更新功能實現(xiàn)

FTP是一種基于C/S架構(gòu)的TCP/IP的應(yīng)用層協(xié)議之一，用于實現(xiàn)計算機之間的文件傳輸。景觀照明系統(tǒng)的花樣遠程更新采用FTP協(xié)議和MQTT通信實現(xiàn)，包括三個環(huán)節(jié)，即花樣文件上傳，花樣更新消息通知，花樣下載。

花樣文件上傳由城市級監(jiān)控中心作為FTP客戶端，利用FTP協(xié)議將花樣文件上傳至云端的FTP服務(wù)器[9]。上傳文件時，首先使用OpenFileDailog（）打開對話框，選擇需要上傳的花樣文件并獲取文件句柄，通過FileInfo（）獲取文件大小等具體信息，以分配緩存區(qū)。準備就緒后調(diào)用CreatFtpWebRequest （）將文件上傳到服務(wù)器，文件上傳結(jié)束后，關(guān)閉文件傳輸?shù)耐ǖ溃{(diào)用GetFileList（）獲取文件列表，繼而刷新文件列表。

花樣更新消息通過建立的MQTT通道傳輸消息，并根據(jù)景觀照明效果的需求，將花樣更新的通知消息按照各景區(qū)單播、組播或廣播主題號下發(fā)到對應(yīng)的景區(qū)監(jiān)控中心，消息內(nèi)容為已上傳花樣文件的相關(guān)信息。

花樣下載由各景區(qū)監(jiān)控中心作為FTP客戶端訪問云端FTP服務(wù)器，完成花樣文件的下載。景區(qū)監(jiān)控中心根據(jù)接收的城市級監(jiān)控中心發(fā)送的花樣更新消息，提取相關(guān)花樣文件的信息，調(diào)用ShowFtpFileAndDirectory（）獲取服務(wù)器上的文件目錄，選中要下載的文件，調(diào)用CreatFtpWebRequest（）從服務(wù)器上下載文件[10]。

3.3 故障信息推送功能實現(xiàn)

景觀照明系統(tǒng)的故障信息推送功能基于MQTT通信實現(xiàn)。城市級管理層所有用戶需訂閱所有子景區(qū)監(jiān)控中心發(fā)布消息的單播主題號。子景區(qū)監(jiān)控中心周期性查詢子景區(qū)范圍內(nèi)各景點的燈具狀態(tài)，當檢測到燈具出現(xiàn)故障時，景區(qū)監(jiān)控中心以主題號“UserName＼out”發(fā)布故障信息，云平臺中的代理服務(wù)器完成故障信息向城市級管理層多個用戶的推送，能夠及時獲取設(shè)備的故障信息，方便及時維護和處理[11]。

4 系統(tǒng)測試

通過搭建測試平臺對城市景觀照明系統(tǒng)的功能進行測試，主要包括同步協(xié)調(diào)控制、花樣更新以及故障監(jiān)測等功能的實現(xiàn)。測試系統(tǒng)由1臺安裝有城市級監(jiān)控中心軟件的PC機、2臺安裝有子景區(qū)監(jiān)控中心軟件的PC機、2個包含控制器和調(diào)光驅(qū)動器的子燈具照明系統(tǒng)組成。城市照明管理系統(tǒng)的界面如圖3所示，花樣控制效果如圖4所示。

經(jīng)測試，該景觀照明系統(tǒng)可以實現(xiàn)城市級監(jiān)控中心對各景區(qū)監(jiān)控中心對應(yīng)燈具控制系統(tǒng)的同步控制、花樣遠程更新以及故障監(jiān)測，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到了預期的效果。

5 結(jié) 語

本文提出了基于云平臺的景觀照明系統(tǒng)，通過對各景區(qū)監(jiān)控中心的軟件進行升級，增加MQTT客戶端程序、FTP客戶端程序以及SNTP客戶端程序，將各景區(qū)監(jiān)控中心接入云平臺實現(xiàn)景觀照明系統(tǒng)的快速組網(wǎng)，借助云平臺提供的MQTT通信服務(wù)、文件傳輸服務(wù)，實現(xiàn)了城市景觀照明系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)控制、花樣更新以及故障監(jiān)測等功能。經(jīng)測試，該方法穩(wěn)定可靠，滿足了城市景觀照明系統(tǒng)統(tǒng)一管理、靈活控制的需求，具有較好的前景和實際應(yīng)用價值。

參考文獻

[1]劉廷章，王健，楊曉.基于Web的城市景觀照明遠程監(jiān)控技術(shù)研究[J].電氣應(yīng)用，2009，28（3）： 32-35.

[2]張玉杰，周潔，邱金妮.LED景觀照明系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子器件，2017，40（1）：262-266.

[3]周蘭鳳，孟馳，彭俊杰. 一種基于云環(huán)境的文件存儲策略的研究[J].計算機工程與科學，2016，38（2）：262-268.

[4]許金喜，張新有.Android平臺基于MQTT協(xié)議的推送機制[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2015，24（1）：185-190.

[5]王占軍，王偉，趙志剛.基于FTP協(xié)議的文件傳輸組件設(shè)計與實現(xiàn)[J].沈陽師范大學學報（自然科學版），2012，30（3）：375-377.

[6]胡巨，高新華.SNT對時方式在數(shù)字化變電站中應(yīng)用[J]. 電力自動化設(shè)備，2009，29（3）：143-145.

[7]溫彬民.一種基于自適應(yīng)心跳機制的MQTT通信協(xié)議的研究與應(yīng)用[D].廣州：華南理工大學，2015.

[8] Collina M， Corazza G E，Vacelli-Coralli A， Introducing the QEST broker： Scaling the IoT by bridging MQTT and REST[C].2012 IEEE 23rd International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications （PIMRC）， 2012：36-41.

[9] Cai Bin.Formalized Description and Analysis of FTP on Petri Net[C].2015 International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing （IIH-MSP）.IEEE， 2015：1135-1139.

[10]羅遷.嵌入式家庭信息中心研究與設(shè)計[D].北京：北京郵電大學，2015.

[11]彭可，馮準，鄭懷鵬，等.城市LED照明系統(tǒng)遠程監(jiān)控平臺設(shè)計與開發(fā)[J].計算機測量與控制， 2016，24（9）：103-106.