基于Web Service的無線路燈遠程監控系統

張卿杰

摘 要： 傳統城鎮路燈控制系統采用有線網絡布局，施工復雜、控制線路浪費、事后管理復雜、檢修不易、能源浪費。采用當前的無線通信與網絡技術，設計并實現了一種基于Web Service的無線路燈遠程監控系統，系統分為4層：應用服務層采用CS架構，LabVIEW實現； 數據中心層采用公網IP，.net+SQL架構實現； 基于GPRS的匯聚通信層采用TCP?Modbus通信協議； 現場執行層單燈管理模塊采用ZigBee與上層通信。該系統具有網絡布線簡單，路燈控制方式智能、靈活、方便，線路檢修維護方便，系統設計造價低，模塊可靈活配置，系統應用擴展性強等諸多優點。該系統亦適用于準實時數據通信量不大的遠程監控系統中。

關鍵字： Web Service； GPRS； ZigBee； 無線路燈監控； LPC2294； ARM7； CC2530； DTU

中圖分類號： TN926?34；TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）11?0005?05

Street lamps′ remote wireless monitoring system based on Web Service

ZHANG Qing?jie1， XU You1， XUE Guo?qing2

（1. School of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210031， China；

2. Nanjing Yan Xu Electrical Science and Technology Limited Company， Nanjing 210000， China）

Abstract： The wired network layout is mainly adopted in traditional town street lamp control system which has complex construction， waste of control wiring， complex after?management， difficult overhaul and energy waste. With the current wireless communication and network technology， a new remote wireless monitoring system for street lamps was designed and implemented based on Web Service. The proposed system is divided into 4 layers： application service layer adopting the CS architecture and realized by LabVIEW； data center layer adopting the public network IP and realized by .net+SQL architecture； converged communication layer based on GPRS and TCP?Modbus communication protocol； spot execution layer， in which single lamp management module adopts ZigBee to realize communication with upper layer. The new system has many advantages： simple network layout； intelligent， flexible， convenient street lamp control mode； easy line service and maintain； low cost in system design； flexible module configuration； better system application expansibility and so on. The system can be also applied in the other remote monitoring system which has little quasi real?time communication traffic.

Keywords： Web Service； GPRS； ZigBee； street lamp wireless monitoring； LPC 2294； ARM7； CC2530； DTU

0 引 言

隨著我國城市規模的擴大，農村城鎮化進程的不斷深入，我國的路政基礎設施建設規模在不斷的擴大。路燈照明建設與管理是路政基礎設施的重要部分，目前卻存在著諸多問題，例如城市路燈控制系統大多采用有線網絡布局，施工復雜，控制線路浪費更造成了事后管理復雜，故障檢修不易，并且還存在著普遍的能源浪費。據統計，許多城市道路在零點以后基本無車輛經過，即便在特大城市如北京、上海等繁華地段，凌晨2點到天亮這段時間車流量也很少。針對這一狀況，一些地區采取在后半夜交錯點亮或隔二亮一的策略，然而這一措施并不能滿足綠色照明的要求，而且會導致路面照度或照度均勻度的降低，產生“斑馬效應”[1?2]。近年無線通信與網絡技術得到了迅速的發展[3?7]，本文據此設計并實現了一種基于Web Service的無線路燈遠程監控系統，該系統具有網絡布線簡單，可遠程智能維護管理，系統可擴展性強，方便實施，性價比高等諸多優點。

1 系統拓撲結構

系統拓撲結構如圖1所示。

本系統主要分為四個層次，由下而上分別為現場執行層、匯聚通信層、數據中心層、應用服務層。現場執行層通過ZigBee單燈管理模塊采集現場地理位置、照度、電壓電流以及路燈繼電器開關狀態等信息后轉發至上層應用，并根據上層命令來執行各路燈控制回路的繼電器閉合。匯聚通信層主要通過基于GPRS的ZigBee匯聚節點集中管理模塊匯聚就近范圍內的ZigBee單燈管理模塊信息，并通過GPRS模塊將信息上傳至遠程數據中心。數據中心層主要通過將各集中模塊過來的信息組成實時與歷史數據庫，供應用層調用。應用服務層通過查詢數據中心的信息，作出適當的控制與信息呈現。

監控系統的系統拓撲結構

2 應用服務層設計與實現

應用服務層主要功能為配合GIS地圖信息，實現路燈亮暗信息查詢與控制、故障記錄、人員權限、用電統計等功能。應用層功能框圖如圖2所示。

應用層所需要的數據主要來自于基于Web Service數據中心。人機界面開發采用了LabVIEW開發，LabVIEW控件豐富，軟件可組態，開發過程相對簡單，可大大提高與簡化客戶端的開發流程。LabVIEW人機界面設計的時候結合了GIS信息，從而可以更方便地呈現路燈信息，如圖3，圖4所示。

應用服務層主要工作流程為首先是連接數據服務器，查詢相關信息，然后進行相關數據呈現，歷史統計和操作控制。與服務器間的通信，采用公網，Socket通信。

Socket是建立在傳輸層協議（主要是TCP和UDP）上的一種套接字規范，它定義兩臺計算機間進行通信的規范（也是一種編程規范）。如果說兩臺計算機是利用一個通道進行通信，那么這個通道的兩端就是兩個套接字。套接字屏蔽了底層通信軟件和具體操作系統的差異，使得任何兩臺安裝了TCP協議軟件和實現了套接字規范的計算機之間的通信成為可能[8?9]。本系統中建立Socket連接是與GPRS信息連接，所以需要具有公網的IP地址，故應保證服務器中心計算機連接到Internet并且取得公網IP地址。

Socket設置程序流程如圖5所示。

應用服務層也可以采用Android，或者QT開發基于平板電腦或手機的查詢應用，使得用戶能夠更方便地查詢到相關信息。

3 數據中心層設計與實現

數據中心層為系統的核心環節，既承擔著GPRS集中管理模塊的監控與管理，也承擔著數據服務的響應。此次系統設計中主要采用了.net+sqL平臺，該組合是較為成熟的Web Service平臺，通用編程資源豐富以及編程人群較廣，方便溝通交流。

GPRS集中管理模塊的監控與管理是此層中主要任務之一，通信采用Socket通信。

Socket通信不僅僅管理GPRS集中模塊，也需要集中響應應用端的Web服務查詢需求，有效區分各類查詢以及命令，要進行自定義協議，數據組織的形式，可依賴于Modbus/TCP。

Modbus/TCP協議是施耐德公司基于TCP/IP協議在網絡上的廣泛應用于1999年公布，在網絡層使用IP協議，在傳輸層使用TCP協議，用一種比較簡單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中。Modbus的普及得益于使用它的門坎很低，無論用串口還是用以太網，硬件成本低廉，Modbus和Modbus TCP都可以免費收到，不需交納任何費用。而且在網上有很多免費資源，如C/C++，JAVA樣板程序，Active X控件，各種測試工具等等，所以用戶使用很方便。另外，幾乎可以找到任何現場總線連接到Modbus TCP的網關，方便用戶實現各種網絡之間的互聯。

Modbus/TCP數據幀包含了報文頭，功能代碼和數據三部分，如圖6所示。

MBAP Header有4個域，如表1所示。

（1） 事務標識域，2個字節長，主要用于事務處理的配對，標志某個Modbus請求/應答的傳輸，響應時由Modbus服務器復制該值；

（2） 協議標識域，2個字節長，用于系統內部的多路復用，一般用0代表Modbus協議，1代表NUI?TE協議；

（3） 長度域，2個字節，它的作用是為下一個域的字節計數，包括單元標識域和數據域，應答時需由服務器端重新生成該值；

（4） 單元標識域，1個字節，該域專門用于串行鏈路上或其他總線上連接的遠程從站的識別，若Modbus客戶端在請求中設置了這個域，則響應時服務器端必須從接收的請求中復制這個值。

由于Modbus是開放協議，在實際的應用過程中，可以為了解決某一個特殊問題，自行修改Modbus規約來滿足自己的需要[10?12]。

4 基于GPRS的ZigBee匯聚結點集中管理模塊

集中管理模塊主要由電源模塊，NCU模塊，數據采樣模塊，繼電器輸出模塊，GPRS+ZigBee通信模塊組成。

基于GPRS的分塊路燈集中管理模塊拓撲結構圖如圖7所示。

NCU模塊主要采用的LPC2294，LPC2294是菲利普推出的基于一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI?S CPU的微控制器，帶有256 KB嵌入的高速FLASH 存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32 位代碼能夠在最大時鐘速率60 MHz下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb 模式將代碼規模降低超過30%，但性能的損失很小。16 KB片內SRAM，片內Boot程序可通過uart0提供在系統下載以及可編程特性，LQFP144封裝，極低功耗，4個CAN互連接口，8路10位A/D轉換器，2個32位定時器，多個串行接口，雙UART，雙SPI和高速I2C，PWM單元6路輸出，多達112個GPIO口，9個電平或邊沿觸發的中斷引腳，片內資源豐富，可加密，可在系統編程，非常適合工業、樓宇、現場總線控制應用[13]。

LPC2294盡管已內置8路A/D轉換器，但NCU路燈集中管理模塊，采集數據大于8路，因此還外擴了A/D數據采集模塊，采用的是TI的tlc1543， 10位，11通道，串行控制，價格低、性價比高、與單片機和ARM等接口方便。數據采集模塊采用分塊獨立設計與NCU模塊之間的通信采用了CAN總線，采集模塊中的數據管理與處理采用了單片機STC89C54RD。NCU模塊最多可以外擴4路數據采集模塊，1路數據采集模塊有11通道，所以系統最多可以采集44路模擬數據。

繼電器輸出模塊與數據采集模塊采用的是一致的方案，只是外加了驅動電路，主要用來斷開局部整條線路，可以根據實際情況靈活配置。與數據采集模塊一樣，NCU模塊最多可外擴4路繼電器輸出模塊，每1繼電器輸出模塊有11通道。

本系統構建的時候可以根據實際實施情況，采用集中管理模塊進行片區直接控制，也可以采用集中管理模塊通過ZigBee節點對單燈進行控制。ZigBee是近年來提出的一種面向低功耗、低成本、低復雜度、低數據速率的近距離雙向無線通信技術，其物理層與媒體控制層協議為IEEE 802.15.4協議標準，ZigBee網絡一般有星型、對等型和混合型3種拓撲結構，本系統中采用星型拓撲結構，即匯聚節點結構，收發器模塊均采用CC2530， CC2530 結合了領先的RF 收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存， 結合了德州儀器的業界領先的黃金單元ZigBee協議棧（Z?StackTM），提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案[3?5，14?15]。

集中管理模塊與上級數據中心層通信主要依賴GPRS模塊，采用的是WG?8010 GPRS DTU， WG?8010 內置工業級GPRS 無線模塊，提供標準RS 232/485 數據接口，可以方便地連接RTU、PLC、工控機等設備，僅需一次性完成初始化配置，用戶設備就可以與數據中心通過GPRS無線網絡建立連接，實現數據的全透明傳輸。

集中管理模塊中還包括了傳感器模塊、電源模塊、液晶顯示模塊。傳感器模塊中主要包括了電壓互感器、電流互感器、溫度傳感器。電源模塊主要為開關電源用來給系統供電，液晶顯示模塊是方便模塊的內部參數以及輸入/輸出點的動態配置。

5 基于ZigBee的單燈管理模塊

單燈管理模塊主要是傳送現場層信息以及接收集中模塊過來的指令，為現場執行層，主要組成為ZigBee節點、電源模塊、傳感器與信號處理電路。

路燈現場控制方式上位機可以動態配置，主要有以下4種控制方式，默認選擇為光照度控制開關。

方式1：路燈經緯度控制定時開關，單燈節點有精確的定時功能與集中管理模塊之間也需要對時，通過路燈的經緯度，以及時間來計算太陽升起與落山的時刻，從而控制路燈的開關[16] 。

方式2：路燈光照度控制開關，根據光照傳感器傳回來的照度，判斷是否進行路燈開關。

方式3：路燈上位機智能控制，若上位機能與匝道交通通信，根據當時車流量與人流量的情況以及照度情況和車流量情況控制路燈開關。

方式4：路燈上位機手動控制，單燈管理模塊也可接收上方指令進行路燈控制。

單燈管理模塊將相關信息實時上傳，為靈活控制、線路檢修帶來了方便。

6 結 語

本文設計并實現了一種基于Web Serciec的路燈無線遠程監控管理系統，該系統主要分為應用層、數據中心層、GPRS通信層、現場ZigBee節點執行層，該系統具有網絡布線簡單，模塊靈活配置，系統應用可擴展性強，可以與其他例如路政等信息系統進行對接，該系統架構亦可用于其他準實時性，上傳數據量不大的監控應用系統中。

參考文獻

[1] 楊本文，鄭旭東.城市照明節能方案及運行管理[J].湖北電力，2006，30（4）：61?62.

[2] 孫桂玲，孟凡琛，劉志強，等.基于無線傳感器網絡的智能模擬路燈控制系統設計[J].無線通信技術，2011（3）：7?11.

[3] 林方鍵，胥布工.基于ZigBee網絡的路燈節能控制系統[J].控制工程，2009，16（3）：324?326.

[4] 王東東，郭文成.基于ZigBee技術的路燈無線網絡控制系統設計[J].天津工業大學學報，2009，28（1）：84?88.

[5] 張俊華.基于 GPRS和ZigBee的無線智能路燈控制系統設計[J].計算機光盤軟件與應用，2012（7）：200?201.

[6] 張艷，趙衍娟，楊眉.基于WSN技術的路燈控制系統的設計與實現[J].東北電力大學學報，2011（31）：84?87.

[7] CHEN Yu， LIU Zhao?yu. Distributed intelligent city street lamp monitoring and control system based on wireless communication chip nRF401 [C]// 2009 International Conference on Networks Security， Wireless Communications and Trusted Compu?ting. Wuhan： IEEE， 2009， 2： 278?281.

[8] 張允剛，劉常春，劉偉，等.基于Socket和多線程的遠程監控系統[J].控制工程，2006（2）：82?84.

[9] 曹寧，馮忠義，沙濟彰.基于客戶/服務器模式的Socket網絡編程[J].計算機工程，1999，25（2）：72?74.

[10] Modbus Org. MODBUS over serial line specification & implementation guide V1.02 [DB/OL]. [2006?10?20]. http：//www.modbus.org.

[11] NASKAR S， BASULI K， SARMA S S. Serial port data communication using MODBUS protocol [J]. ACM Ubiquity， 2008， 3（9）： 1?3.

[12] 司馬莉萍，賀貴明，陳明榜.基于Modbus/TCP協議的工業控制通信計算機應用[J].計算機應用，2005，25（12）：29?31.

[13] Philips Semiconductors. LPC2292/ LPC2294 datasheet [R]. [S.l.]： Philips Semiconductors， 2004.

[14] LIN Jian?yi， JIN Xiu?long， MAO Qian?jie. Wireless monito?ring system of street lamps based on ZigBee [C]// Proceedings of the 5th International Conference on Wireless Communications， Networking and Mobile Computing. Beijing： IEEE， 2009： 3311?3313.

[15] ZigBee Alliance. ZigBee specification [EB/OL]. [2006?12?01]. http：//www.zigbee.org.2006.

[16] 李社蕾，王玲玲.經緯型智能路燈控制系統[J].現代電子技術，2011，34（6）：154?156.