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)勢的基礎上，結(jié)合網(wǎng)絡時間同步和網(wǎng)絡文件傳輸服務，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)絡文件服務，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)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，由城市級管理層、網(wǎng)絡通信層、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上，增加了MQTT通信服務，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)絡時間同步服務和文件傳輸服務，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、文件傳輸服務、時間同步服務和數(shù)據(jù)分析、存儲服務；

（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)絡的重要組成部分。

2 云平臺接入與MQTT通信主題設計

2.1 云平臺接入方案設計

云平臺作為網(wǎng)絡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铡?/p>

云平臺采用資源定位的方式設計，結(jié)合數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對用戶和燈具設備資源的存儲和管理。采用Rest風格的Web服務對用戶注冊、數(shù)據(jù)管理等業(yè)務進行接口封裝，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服務器（MQTT服務器），提供MQTT消息代理服務。FTP服務器采用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代理服務器的接入口令，驗證通過后連接到MQTT代理服務器[4]。

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

2.2 MQTT通信主題設計

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)絡時間同步和MQTT通信實現(xiàn)的，網(wǎng)絡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)絡時間同步

本設計中采用簡單網(wǎng)絡時間協(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)絡時間同步。

SNTP協(xié)議支持單播、多播和廣播工作模式，本設計中選用單播模式。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服務器建立UDP連接，利用客戶端發(fā)送請求時的時間戳T1，服務器接收到請求時的時間戳T2，服務器發(fā)送回復時的時間戳T3，客戶端接收到回復的時間戳T4。計算客戶端與服務器之間的時間偏差值：（（T2-T1）+（T3-T4））/2，網(wǎng)絡延時時間：（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 （）將文件上傳到服務器，文件上傳結(jié)束后，關(guān)閉文件傳輸?shù)耐ǖ?，調(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（）獲取服務器上的文件目錄，選中要下載的文件，調(diào)用CreatFtpWebRequest（）從服務器上下載文件[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、文件傳輸服務，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用價值。

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