李正杰

【摘 要】隨著智慧城市的建設(shè)和發(fā)展，智慧路燈作為智慧城市建設(shè)中不可或缺的組成部分，在城市建設(shè)中發(fā)揮著越來越大的作用。智慧路燈作為智慧城市的數(shù)據(jù)采集器，承載著照明設(shè)備、傳感器設(shè)備、視頻設(shè)備等多種功能設(shè)備，但是這些設(shè)備之間又相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)不能夠互聯(lián)互通，需要有一個(gè)設(shè)備將這些功能部件黏合成一個(gè)整體，因此智慧路燈網(wǎng)關(guān)應(yīng)運(yùn)而生，它作為智慧路燈系統(tǒng)的中樞，通過多種總線協(xié)議將各個(gè)功能部件的數(shù)據(jù)匯聚在網(wǎng)關(guān)內(nèi)，再通過統(tǒng)一的接口傳輸給服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了智慧路燈功能的整體化。

【關(guān)鍵詞】智慧路燈網(wǎng)關(guān);傳感器;以太網(wǎng);4G;智慧城市

【中圖分類號(hào)】TU113.66 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）07-0070-03

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代城市在發(fā)展的過程中提出了越來越多數(shù)字化、信息化的需求，智慧城市的概念深入人心。智慧城市的建設(shè)需要大量城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐，沒有這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐智慧城市的概念就是空中樓閣，因此如何獲取這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)成為建設(shè)智慧城市的關(guān)鍵問題之一。目前，很多智慧城市的建設(shè)中都使用路燈作為載體來為智慧城市的建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，原因有兩點(diǎn)：一是路燈作為城市的公共基礎(chǔ)設(shè)施分布在城市的各個(gè)角落，分布范圍廣，可以涵蓋城市的范圍。二是路燈本身具備良好的承載能力，燈桿上可以部署多種傳感設(shè)備。但是路燈上部署的充電樁、攝像頭、報(bào)警器、氣象站等設(shè)備分別屬于不同的廠家，這些設(shè)備之間數(shù)據(jù)不能互通、接口也各不相同，不能形成一個(gè)整體，因此在管理這些設(shè)備時(shí)，管理者往往需要操作多個(gè)管理平臺(tái)，效率低，增加了管理成本。對(duì)此，智慧路燈網(wǎng)關(guān)可以解決這個(gè)問題，智慧路燈網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)拓?fù)渲惺且粋€(gè)中間件，位于服務(wù)器平臺(tái)與傳感器之間，對(duì)上提供統(tǒng)一的管理接口，管理者只需要訪問網(wǎng)關(guān)設(shè)備就可以管理到各個(gè)傳感器，對(duì)下搜集和整理各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)按統(tǒng)一格式傳遞給服務(wù)器，啟動(dòng)承上啟下的作用（如圖1所示）。

智慧路燈網(wǎng)關(guān)的主控芯片使用的是“德州儀器”的AM3352芯片，使用的是Cortex-A8內(nèi)核，主頻為600 MHz，基于Linux系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。智慧路燈網(wǎng)關(guān)在功能上分為通信模塊、協(xié)議處理模塊、存儲(chǔ)模塊、外圍設(shè)備管理模塊4個(gè)部分。

1 通信模塊

通信模塊具備3個(gè)主要的功能，第一個(gè)主要功能是對(duì)通信接口進(jìn)行管理，網(wǎng)關(guān)設(shè)備在硬件上提供了兩種不同的方式接入互聯(lián)網(wǎng)，一是通過RJ45接口使用有線網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，二是通過4G模塊撥號(hào)上網(wǎng)，以無線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。通信模塊對(duì)這兩種通信接口的管理方式如下：網(wǎng)關(guān)的Linux系統(tǒng)啟動(dòng)完成初始化后，有線接口因?yàn)槭橇闩渲迷O(shè)備，所以首先配置為網(wǎng)關(guān)設(shè)備的默認(rèn)通信接口，緊接著通信模塊會(huì)檢查L(zhǎng)inux系統(tǒng)中是否注冊(cè)了4G模塊，以及是否插入了4G數(shù)據(jù)流量卡，如果兩個(gè)條件同時(shí)滿足通信模塊則啟動(dòng)撥號(hào)流程，撥號(hào)成功后將4G模塊設(shè)置為系統(tǒng)默認(rèn)的通信網(wǎng)卡，所有與外界的數(shù)據(jù)交互都通過4G網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。在網(wǎng)關(guān)設(shè)備運(yùn)行的過程中，通信模塊還需要時(shí)刻監(jiān)控4G模塊的工作情況，因?yàn)?G模塊會(huì)因?yàn)橐恍┣闆r而導(dǎo)致掉線，例如通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量差、欠費(fèi)等。當(dāng)出現(xiàn)掉線的情況時(shí)，通信模塊應(yīng)當(dāng)及時(shí)重新?lián)芴?hào)，以保證網(wǎng)關(guān)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通暢（如圖2所示）。

通信模塊的第二個(gè)主要功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備與服務(wù)器之間的鏈路連接。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間采用MQTT協(xié)議進(jìn)行通信，MQTT協(xié)議是一種由IBM公司提出的，基于發(fā)布/訂閱模型的通信協(xié)議。MQTT協(xié)議的設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)，可以提供實(shí)時(shí)可靠的通信服務(wù)，并且針對(duì)資源有限的嵌入式設(shè)備及高延時(shí)、低吞吐量的網(wǎng)絡(luò)狀況做了優(yōu)化，因此非常適合于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，事實(shí)上目前很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、平臺(tái)都使用MQTT作為接入?yún)f(xié)議，比如阿里巴巴的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，百度的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、機(jī)智云，中國(guó)移動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)onenet等。此外，MQTT協(xié)議在Linux平臺(tái)下有很多開源的中間件，通過交叉編譯后就可以使用這些中間件，而不需要再做MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)，這樣在系統(tǒng)開發(fā)中可以把更多的時(shí)間和資源投入到業(yè)務(wù)處理中，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間和資源。在網(wǎng)關(guān)設(shè)備的開發(fā)中，我們使用Mosquitto庫作為MQTT協(xié)議的中間件。在運(yùn)行的過程中，我們會(huì)對(duì)4種MQTT事件提供回調(diào)函數(shù)以進(jìn)行相應(yīng)的事件處理。一是連接成功事件，當(dāng)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器的MQTT服務(wù)程序成功連接后會(huì)觸發(fā)連接成功回調(diào)函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中，程序首先會(huì)將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)置為連接，然后再訂閱相關(guān)的MQTT話題以接收服務(wù)器下發(fā)的指令。二是斷開連接事件，當(dāng)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間的狀態(tài)由連接變?yōu)閿嚅_時(shí)會(huì)觸發(fā)斷開連接回調(diào)函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中，程序首先會(huì)將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)置為斷開，然后再發(fā)出連接請(qǐng)求。三是連接請(qǐng)求失敗事件，當(dāng)網(wǎng)關(guān)發(fā)出連接請(qǐng)求后，請(qǐng)求返回超時(shí)或者被服務(wù)器拒絕后會(huì)觸發(fā)連接請(qǐng)求失敗回調(diào)函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中，程序會(huì)再次進(jìn)行連接請(qǐng)求。四是收到訂閱數(shù)據(jù)事件，當(dāng)網(wǎng)關(guān)從訂閱的話題中收到數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)觸發(fā)收到訂閱數(shù)據(jù)回調(diào)函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中，程序會(huì)將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)議處理模塊進(jìn)行處理，并將協(xié)議處理模塊的處理結(jié)果返回給服務(wù)器。

通信模塊的第三個(gè)主要功能是提供接口給其他的功能模塊，以實(shí)現(xiàn)其他功能模塊與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。通信模塊對(duì)Mosquitto庫的原生API進(jìn)行封裝，將MQTT協(xié)議的一些細(xì)節(jié)進(jìn)行屏蔽，使得其他模塊在使用接口進(jìn)行通信時(shí)只需要關(guān)心數(shù)據(jù)本身，提高了效率。

2 協(xié)議處理模塊

協(xié)議處理模塊是網(wǎng)關(guān)設(shè)備的核心模塊之一，用于處理網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間的通信協(xié)議。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間的通信協(xié)議使用的是json格式，json是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式，獨(dú)立于任何編程語言，采用文本格式存儲(chǔ)和表示數(shù)據(jù)。采用json格式作為通信協(xié)議的載體有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：①json格式的表示形式簡(jiǎn)潔、可讀性強(qiáng)、邏輯層次清晰，類似于自然語言，便于開發(fā)人員閱讀和理解，具備自解釋的特質(zhì)。②json格式的擴(kuò)展性強(qiáng)，便于后期對(duì)協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展。③json格式作為一種在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域大量被應(yīng)用的格式，有很多開源編解碼庫，例如cJSON、fastjson、jansson、libjson等，這些開源庫有各自特點(diǎn)，比如cJSON是針對(duì)資源有限的嵌入式設(shè)備使用，資源占用少，可以使用在單片機(jī)平臺(tái)上，fastjson的解析速度快大多使用在服務(wù)器端。網(wǎng)關(guān)的json編解碼庫使用的是jansson。

協(xié)議處理模塊收取從通信模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)幀，首先對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行json格式的解碼，如果解析失敗則認(rèn)為數(shù)據(jù)非法，退出協(xié)議處理流程，重新等待從通信模塊發(fā)出下一幀數(shù)據(jù)，反之則從解析成功的json對(duì)象中提取如消息編碼、UUID碼、命令字等信息進(jìn)行處理。協(xié)議處理模塊執(zhí)行完指令操作后會(huì)將相應(yīng)的執(zhí)行結(jié)果組織成json對(duì)象，再通過json編解碼庫解碼成字符串，發(fā)送給通信模塊，最終通過通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端。

3 存儲(chǔ)模塊

嵌入式設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)通常會(huì)需要一些參數(shù)進(jìn)行初始化操作，同時(shí)在運(yùn)行的過程中也經(jīng)常需要保存一些數(shù)據(jù)來記錄設(shè)備工作的狀態(tài)、發(fā)生的事件等，這些參數(shù)和數(shù)據(jù)都需要能做到掉電不丟失，因此會(huì)使用到存儲(chǔ)模塊。

嵌入式設(shè)備在做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，可以采用文件保存的方式，也可以使用數(shù)據(jù)庫的方式保存。使用文件保存方式時(shí)，操作簡(jiǎn)單，但是可靠性不如數(shù)據(jù)庫，且數(shù)據(jù)的檢索、過濾、組織不如數(shù)據(jù)庫高效，適用于數(shù)據(jù)量不大、不多、不復(fù)雜的情況。

智慧燈桿系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)使用sqlite3數(shù)據(jù)庫保存運(yùn)行過程中需要使用到的參數(shù)，以及在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的臨時(shí)數(shù)據(jù)。sqlite3數(shù)據(jù)庫是一種開源的、針對(duì)嵌入式設(shè)備的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，具有資源占用少、無服務(wù)器、支持Linux/Unix/Windows等多種主流操作系統(tǒng)的特點(diǎn)。在很多知名的嵌入式軟件中都使用到sqlite3數(shù)據(jù)庫，例如微信等。相較于使用文件存儲(chǔ)參數(shù)和臨時(shí)數(shù)據(jù)的方式，使用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、刪除方便、可靠，數(shù)據(jù)檢索的功能強(qiáng)大、速度快等優(yōu)勢(shì)。sqlite3數(shù)據(jù)庫提供了C、java、python、PHP、Lua等多種語言的綁定，網(wǎng)關(guān)的程序開發(fā)使用的是C語言，因此選擇使用sqlite3的C語言綁定版本。存儲(chǔ)模塊作為一個(gè)通用基礎(chǔ)模塊會(huì)被通信模塊、協(xié)議處理模塊、外圍設(shè)備管理模塊調(diào)用。存儲(chǔ)模塊通過對(duì)sqlite3原生的API函數(shù)進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫增、刪、改、查的操作，并將屏蔽了sqlite3數(shù)據(jù)庫操作細(xì)節(jié)的接口提供給其他模塊使用，減少了其他模塊的工作量。

4 外圍設(shè)備管理模塊

智慧燈桿系統(tǒng)中部署有很多的傳感器外圍設(shè)備，例如微型環(huán)境氣象站用于采集環(huán)境的溫度、相對(duì)濕度、氣壓、PM2.5、風(fēng)向、紫外線、降雨量等氣象參數(shù)，智能電表模塊用于采集當(dāng)前供電電網(wǎng)的電壓、電流、瞬時(shí)功率、電量等信息。這些外圍設(shè)備的特點(diǎn)為功能比較單一，只能夠采集特定參數(shù)信息，不具備主動(dòng)將采集的信息上傳服務(wù)器的能力，在整體系統(tǒng)中只能作為從設(shè)備存在，這些外圍設(shè)備都配備了通信串口，支持通過Modbus協(xié)議進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的讀取及設(shè)備參數(shù)的設(shè)置。網(wǎng)關(guān)設(shè)備在整個(gè)智慧燈桿系統(tǒng)中是主設(shè)備，是管理者的角色。網(wǎng)關(guān)提供4路RS485總線接口和1路以太網(wǎng)接口用于連接外圍設(shè)備，并且通過Modbus協(xié)議對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行管理。Modbus協(xié)議是一種工業(yè)上常用的串行通信協(xié)議，由施耐德公司于1979年提出，目的是為可編程邏輯控制器（PLC）提供可靠的通信服務(wù)，目前已經(jīng)成為工業(yè)通信領(lǐng)域的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。Modbus協(xié)議包含RTU、ASCII、TCP 3個(gè)子集，RTU、ASCII這兩個(gè)子集基本都使用在串口設(shè)備上，兩者的區(qū)別為RTU使用的是二進(jìn)制通信，ASCII使用ASCII碼字符通信。TCP子集則使用在具備以太網(wǎng)通信能力的設(shè)備上。網(wǎng)關(guān)支持RTU、ASCII、TCP 3種Modbus協(xié)議子集的設(shè)備管理。環(huán)境傳感器示意圖如圖3所示。

外圍設(shè)備管理模塊的工作流程如下：首先根據(jù)外圍設(shè)備的部署情況在網(wǎng)關(guān)中進(jìn)行設(shè)備注冊(cè)，注冊(cè)時(shí)需要提供設(shè)備的型號(hào)、支持的協(xié)議類型（Modbus-RTU、Modbus-ASCII、Modbus-TCP）。如果設(shè)備是Modbus-RTU、Modbus-ASCII協(xié)議類型，需要提供設(shè)備串口的波特率、數(shù)據(jù)位寬、結(jié)束位寬、奇偶校驗(yàn)類型等參數(shù)。如果設(shè)備是Modbus-TCP協(xié)議類型，需要提供設(shè)備的IP地址、端口號(hào)等信息。完成設(shè)備注冊(cè)后，網(wǎng)關(guān)會(huì)根據(jù)各個(gè)外圍設(shè)備的型號(hào)、協(xié)議類型、通信參數(shù)按照預(yù)設(shè)的輪詢周期去獲取各個(gè)外圍設(shè)備的采集數(shù)據(jù)，并將獲取到的數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議的要求進(jìn)行打包封裝。封裝后的數(shù)據(jù)傳遞給通信模塊，通信模塊接收到數(shù)據(jù)后，會(huì)根據(jù)當(dāng)前的聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行不同的處理措施，如果網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器當(dāng)前處于連接狀態(tài)則直接將封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器;如果網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器當(dāng)前處于斷開連接的狀態(tài)則將數(shù)據(jù)暫存在數(shù)據(jù)庫中，等待網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)后再將所有的暫存數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。

外圍設(shè)備管理模塊除具備設(shè)備管理、設(shè)備數(shù)據(jù)讀取、設(shè)備數(shù)據(jù)上傳功能外，還具備數(shù)據(jù)的分析處理能力。外圍設(shè)備中有一些設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)信息關(guān)系到智慧燈桿系統(tǒng)本身的運(yùn)行穩(wěn)定性，如電網(wǎng)電壓的超壓、低壓信息、供電電流的過流信息等，有一些則關(guān)系到燈桿周圍人民群眾的人身安全，如水浸信息、漏電信息等。對(duì)于這些重要數(shù)據(jù)，管理模塊會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析比對(duì)，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)超過警告閾值的情況，則生成報(bào)警信息發(fā)送給服務(wù)器，提醒管理人員進(jìn)行危險(xiǎn)情況的處理和排查。

通過智慧路燈網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，我們成功地將智慧燈桿上的各個(gè)功能部件、傳感器結(jié)合成一個(gè)良好的整體，為智慧城市的管理者獲取城市的傳感數(shù)據(jù)、管理城市的智慧路燈提供了一個(gè)統(tǒng)一的管理接口，提高了效率，減少了管理成本，讓智慧路燈這些信息化設(shè)備更好地為智慧城市提供數(shù)據(jù)和服務(wù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]黃貞升.百色市城市照明路燈現(xiàn)狀分析[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2017（5）：166-168.

[2]吳超華，李云飛，嚴(yán)建峰.基于NB-IoT的路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018（24）：5-9.

[3]張群.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能路燈控制系統(tǒng)研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2018（5）：22.