林海平，胡文飛，張雅潔

（1.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，杭州 310018；2.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.電氣電子工程系；b.信息技術(shù)系，浙江 溫州 325035）

0引 言

隨著低發(fā)射功率無線局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)、3G/4G通信技術(shù)和以太網(wǎng)通信技術(shù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用手機(jī)、聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)遠(yuǎn)程控制終端設(shè)備已成為現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的核心[1]。隨著我國智慧城市建設(shè)的加快，運(yùn)用3G/4G技術(shù)、手機(jī)互聯(lián)通信技術(shù)、遠(yuǎn)程實(shí)時在線控制技術(shù)的遠(yuǎn)程智能路燈系統(tǒng)必將成為城市照明路燈發(fā)展的大趨勢[2-3]。本文運(yùn)用以上技術(shù)對城市路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市智能路燈照明系統(tǒng)。

1遠(yuǎn)程智能路燈控制系統(tǒng)

圖1 遠(yuǎn)程智能路燈控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程智能路燈控制系統(tǒng)[4-5]如圖1所示，包括智能節(jié)點(diǎn)控制器、智能網(wǎng)關(guān)控制器、3G/4G移動通信模塊、公共的3G/4G通信和以太網(wǎng)通信模塊、遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心和手機(jī)監(jiān)測模塊。無線局域網(wǎng)采用以太網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)通信，公共的3G/4G通信采用國內(nèi)三大移動通信公司的已有移動基站進(jìn)行通信。智能節(jié)點(diǎn)控制器、智能網(wǎng)關(guān)控制器、遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心和手機(jī)監(jiān)測模塊為開發(fā)的具體設(shè)備和軟件。其具體的通信鏈路為：上行鏈路為智能節(jié)點(diǎn)控制器把采集到的路燈健康數(shù)據(jù)通過無線局域網(wǎng)（100個路燈為一個局域網(wǎng)）上傳給智能網(wǎng)關(guān)控制器，智能網(wǎng)關(guān)控制器通過移動通信網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞給遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心，手機(jī)APP應(yīng)用軟件可與遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心通信查詢宏觀路燈網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)；下行鏈路為從遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心到智能節(jié)點(diǎn)控制器的通信，可控制單個路燈的具體工作狀態(tài)。

2基于3G/4G技術(shù)和以太網(wǎng)通信技術(shù)的遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)通信鏈路的建立

（1）3G/4G移動通信模塊通過公共的3G/4G通信和以太網(wǎng)通信模塊，以TCP/IP通信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)處理中心，遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)處理中心通過以太網(wǎng)接收來自3G/4G移動通信模塊的數(shù)據(jù)，并存儲分類處理。

（2）遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)處理中心通過公共的3G/4G通信和以太網(wǎng)通信模塊，以TCP/IP通信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸給3G/4G移動通信模塊，3G/4G移動通信模塊通過3G/4G移動網(wǎng)絡(luò)無線接收來自遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)，并通過無線局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給每個目標(biāo)路燈。遠(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)鏈路如圖2所示。

（3）手機(jī)監(jiān)測軟件通過公共的3G/4G通信和以太網(wǎng)通信模塊，以TCP/IP通信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)處理中心，遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)處理中心通過以太網(wǎng)接收來自手機(jī)監(jiān)測軟件的數(shù)據(jù)，并存儲分類處理。

圖2 遠(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)鏈路

（4）遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)處理中心通過公共的3G/4G通信和以太網(wǎng)通信模塊，以TCP/IP通信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸給手機(jī)監(jiān)測軟件，手機(jī)監(jiān)測軟件通過3G/4G移動網(wǎng)絡(luò)無線接收來自遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析判讀。

2.2 硬件設(shè)計

基于3G/4G技術(shù)和以太網(wǎng)通信技術(shù)的遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計包括智能網(wǎng)關(guān)控制器和智能節(jié)點(diǎn)控制器。

（1）智能網(wǎng)關(guān)控制器。集成3G/4G通信、RF通信、GPS授時定位等多個模塊，采用高性能低功耗MCU進(jìn)行統(tǒng)一控制管理，能自主與上位機(jī)建立TCP連接，并實(shí)時查詢和上傳路燈的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。同時采用自主研發(fā)的通信協(xié)議可實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)查詢，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。智能網(wǎng)關(guān)控制器硬件框架如圖3所示。

圖3 智能網(wǎng)關(guān)控制器硬件框架

MCU采用TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗的混合信號處理器，3G/4G電路采用西門子公司生產(chǎn)的3G/4G通信芯片，GPS采用UBLOX G7020-KT芯片，RF采用AX5043，以上硬件水平均達(dá)到工業(yè)級。該智能網(wǎng)關(guān)控制器可在-40℃～+85℃環(huán)境下正常工作。

（2）智能節(jié)點(diǎn)控制器。集成太陽能充電管理、RF通信、高精度功率檢測、PWM調(diào)光、車流人流檢測及環(huán)境光線檢測，其目的在于配備多種節(jié)能模式，結(jié)合智能網(wǎng)關(guān)控制器，實(shí)現(xiàn)可變靈活的路燈管理節(jié)能方式。智能節(jié)點(diǎn)控制器硬件框架如圖4所示。

MCU采用TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗的混合信號處理器，RF采用AX5043，電能檢測芯片采用CS5460A，車流人流及環(huán)境光檢測采用紅外熱釋電一體化模塊C-SR501，市電互補(bǔ)型太陽能充電電路采用自主設(shè)計的雙MOS管開關(guān)充電電路，PWM調(diào)光采用脈沖調(diào)制技術(shù)通過調(diào)節(jié)輸出電壓以調(diào)節(jié)LED路燈的亮度，以上硬件水平均達(dá)到工業(yè)級。該智能節(jié)點(diǎn)控制器可在工業(yè)環(huán)境下正常工作，防水等級IP67。

圖4 智能節(jié)點(diǎn)控制器硬件框架

3遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)處理中心的設(shè)計

3.1 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)設(shè)計

遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)如圖5所示。遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心綜合數(shù)據(jù)處理層通過數(shù)據(jù)鏈路通信層與終端應(yīng)用層進(jìn)行通信。終端應(yīng)用層包括局域節(jié)點(diǎn)和手機(jī)終端，其中局域節(jié)點(diǎn)包含100盞路燈；數(shù)據(jù)鏈路通信層基礎(chǔ)架構(gòu)的各個節(jié)點(diǎn)通過3G/4G與每盞路燈通信，同時通過INTERNET與遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心通信；綜合數(shù)據(jù)處理層的應(yīng)用有ERP管理、天文時鐘、系統(tǒng)維護(hù)、故障報警、權(quán)限控制的功能。

圖5 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)

（1）ERP管理。對納入該網(wǎng)絡(luò)的每盞路燈信息進(jìn)行分類、處理和記錄?？赏ㄟ^分類表查詢以下內(nèi)容：路燈的開閉時間、亮度狀態(tài)的配置、亮度顯示時間、地理位置信息、狀態(tài)配置信息、電壓電路信息等。

（2）天文時鐘。根據(jù)路燈局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)腉PS信息，顯示每個局域網(wǎng)的時間信息、地理經(jīng)緯度信息。

（3）系統(tǒng)維護(hù)。為路燈工作狀態(tài)進(jìn)行維護(hù)，根據(jù)路燈照明系統(tǒng)維護(hù)的要求，按照標(biāo)準(zhǔn)的審批流程，對路燈工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。

（4）故障報警。根據(jù)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心預(yù)置的判據(jù)，判斷每盞路燈工作狀態(tài)是否正常，若不正常會給出報警標(biāo)識。報警信息包括故障路燈的局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息、地理位置信息、電壓電流等，使系統(tǒng)管理人員可在第一時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障路燈的信息。

（5）權(quán)限控制。對手持終端的訪問人員的不同級別設(shè)置不同的訪問權(quán)限，如一般用戶可查看路燈簡單的信息；管理人員可訪問系統(tǒng)的大部分信息，獲取路燈工作的全面信息。

3.2 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心軟件開發(fā)

遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心軟件開發(fā)主要包括遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心軟件部分和手機(jī)監(jiān)測軟件APP，其具體交互操作流程如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心交互操作流程

上位機(jī)軟件架設(shè)在服務(wù)器端口，以服務(wù)器端口的一個固定IP和固定端口為地址，硬件電路可通過尋找固定IP和固定端口與服務(wù)器進(jìn)行連接，以達(dá)到硬件與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。上位機(jī)軟件設(shè)計主要建立.NET平臺，以Framework為框架，采用TCP連接，以IP網(wǎng)關(guān)映射方式實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)控制。上位機(jī)軟件采用C#語言進(jìn)行開發(fā)，后臺數(shù)據(jù)庫采用SQL server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)保存與更新。

手機(jī)監(jiān)測軟件APP的功能主要對路燈進(jìn)行控制及顯示路燈信息。APP先與服務(wù)器端口的上位機(jī)進(jìn)行對接，當(dāng)對接成功時，APP會向服務(wù)器數(shù)據(jù)發(fā)出請求，服務(wù)器接收數(shù)據(jù)請求后，將相應(yīng)的路燈數(shù)據(jù)信息反饋給APP，APP接收數(shù)據(jù)信息后會將數(shù)據(jù)分門別類地顯示在相應(yīng)之處，以便系統(tǒng)管理人員進(jìn)行操作與觀察。此外，APP系統(tǒng)中還自帶地圖，可將已有的路燈地理位置信息顯示在地圖中，同時也會顯示當(dāng)前手機(jī)所處的地理位置，方便系統(tǒng)管理人員尋找路燈及確定自己與最近路燈之間的距離。

4遠(yuǎn)程智能路燈控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 遠(yuǎn)程智能路燈通信系統(tǒng)

基于3G/4G技術(shù)和以太網(wǎng)通信技術(shù)的遠(yuǎn)程路燈通信系統(tǒng)由20個智能節(jié)點(diǎn)控制器和智能網(wǎng)關(guān)控制器組成，如圖7所示。

4.2 遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)處理中心

圖7 遠(yuǎn)程智能路燈通信系統(tǒng)

遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)處理中心包括路燈狀態(tài)設(shè)置界面、路燈狀態(tài)監(jiān)測界面、路燈位置顯示界面、路燈綜合信息顯示界面和數(shù)據(jù)庫部分。路燈狀態(tài)設(shè)置界面（見圖8a），可設(shè)置整個網(wǎng)絡(luò)關(guān)燈、開燈，一半開燈；單個路燈開燈、關(guān)燈；整個網(wǎng)絡(luò)路燈照亮度設(shè)置，劃分為25%、50%、75%和100%四個檔。路燈狀態(tài)監(jiān)測界面（見圖8b），可實(shí)時顯示每個路燈的電壓、電流、組號、燈號、位置信息、時間標(biāo)識。路燈位置顯示界面（見圖8c），系統(tǒng)自帶地圖功能，可對當(dāng)前已錄入的路燈地理位置進(jìn)行顯示，也可進(jìn)行錄入新的路燈地理位置，其中主要采用百度地圖API實(shí)現(xiàn)該功能。綜合信息顯示界面（見圖8d），可與生產(chǎn)企業(yè)的云服務(wù)相關(guān)聯(lián)，通過購買服務(wù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)對用戶的在線支持和云數(shù)據(jù)存儲。

數(shù)據(jù)庫部分軟件系統(tǒng)中所產(chǎn)生的重要數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，為此在服務(wù)器中架設(shè)了SQL server數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中主要創(chuàng)建兩張類型表路燈地理位置和路燈信息（見表1～表2）。

圖8 遠(yuǎn)程智能數(shù)據(jù)處理中心界面

表1 路燈地理位置

4.3 手機(jī)監(jiān)測軟件APP

通過手機(jī)監(jiān)測軟件APP對路燈進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，通過聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心對每盞路燈工作狀態(tài)進(jìn)行配置、查詢，實(shí)時給出路燈工作狀態(tài)，對有故障的路燈給出報警信息和定位。

5結(jié) 論

2017年1—6月，對遠(yuǎn)程智能路燈控制系統(tǒng)進(jìn)行了為期半年的測試，測試分為室內(nèi)和室外兩種環(huán)境。測試結(jié)果表明，遠(yuǎn)程智能路燈控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可通過手機(jī)監(jiān)測軟件APP和遠(yuǎn)程智能監(jiān)控中心對路燈工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)置、實(shí)時管理、故障定位和預(yù)警；對清潔能源路燈進(jìn)行智能的供配電，擴(kuò)大清潔能源路燈的運(yùn)用場景；采用太陽能供電裝置，可節(jié)省市電量的1/3；大大提高路燈的維護(hù)實(shí)效，降低維護(hù)成本。遠(yuǎn)程智能路燈控制系統(tǒng)可用于對現(xiàn)有城市路燈照明系統(tǒng)的升級改造，也可用于新的路燈照明工程的實(shí)施。

表2 路燈信息