智能路燈控制系統設計實現*

劉紫燕，羅　超，楊　揚，楊通杰，羅厚德，胡紅博（貴州大學 大數據與信息工程學院，貴州 貴陽 550025）

智能路燈控制系統設計實現*

劉紫燕，羅超，楊揚，楊通杰，羅厚德，胡紅博
（貴州大學 大數據與信息工程學院，貴州 貴陽 550025）

傳統的路燈管理和維護采用人工巡查的方式，效率低下，費時費力。城市智能路燈控制系統借助無線傳感器和GPRS，實現對路燈實時控制和檢測。系統采用C/S結構，以PC為客戶端，通過GPRS無線通信方式接入服務器終端，實現基站與客戶終端的連接。PC客戶端通過處理數據來提醒用戶基站存在的異常和手動控制基站。實驗測試表明，系統運行正確，穩定可靠。

智能路燈；基站；服務器；PC終端；GPRS

0　引言

城市路燈系統是現代城市建設中重要的組成部分，它服務于交通安全和人們的出行、休閑及生活，美化了城市容貌。目前，國內大多數城市的路燈控制系統采用“全夜燈恒照度”的模式，其能源利用率低、資源浪費大。路燈分布在城市道路的每個角落，自然或者人為的損壞時常發生，由于其分布廣泛，給路燈的管理、維護工作帶來極大的困難。路燈管理部門多采用上路巡查的辦法來發現故障、排除故障，不僅反應遲緩，且費時費力費錢，很難滿足高“亮燈率”的管理要求，也遠遠落后于現代化道路照明的需要［1-3］。

本文設計的智能路燈控制系統將無線傳感網絡與現有移動通信網絡相結合，整個智能路燈控制系統由無線傳感網絡（WSN）、移動通信網絡、服務器、計算機控制中心等部分組成。無線傳感器網絡負責路燈運行狀態數據的收集和路燈的亮度控制，而移動通信網絡將相關數據在基站和網絡服務器間傳輸［4-5］。計算機控制中心監控全部路燈的運行，對整個區域的光能進行合理優化，以減少電能消耗。

1　智能路燈控制系統總體設計

基于WSN的智能路燈控制系統由路燈控制節點、路燈協調器、遠程終端控制系統組成，系統各部分連接圖如圖1所示。

圖1　系統體系架構設計

路燈控制節點安裝在每個路燈上，其與路燈協調器通過無線傳輸方式連接，多個路燈協調器及其所管轄的路燈控制節點組成了整個無線傳感器網絡（WSN）。整個智能路燈控制系統通過部署在無線網絡節點上的傳感器采集路燈運行過程中的光照強度、周圍溫度等狀態信息，并通過nRF905芯片的無線傳輸方式將路燈運行狀態信息傳送至路燈協調器，路燈協調器負責對信息進行分類、計算、轉化等初步分析。路燈協調器與GPRS模塊直接相連，經GPRS網絡將路燈運行狀態信息儲存至網絡服務器。遠程終端控制系統的操作人員只需登錄Internet運行路燈控制程序即可了解路燈運行過程中的相關信息，同時將對路燈進行相關操作的控制信息發送到無線網絡節點，進而控制運行中的每一盞路燈。

1.1GPRS通信方式

GPRS是基于GSM的移動分組數據業務，在現有GSM網絡基礎上疊加的一個新網絡，可為用戶提供端到端的、廣域無線IP連接。GPRS是一項無線高速數據傳輸技術，以分組交換技術為基礎，用戶通過 GPRS可在移動狀態下使用各種高速數據業務。

本系統采用GPRS無線通信方式。各個無線傳感網絡節點處采集的信息通過無線方式（nRF905芯片）傳輸到路燈協調器，在路燈協調器的微處理器中進行分析、計算、轉化等信息處理，處理后的信息傳送至GPRS模塊等待發送出去，并利用GPRS網絡將處理后的信息傳輸至網絡服務器并存儲，其過程如圖2所示。

圖2　協調器和GPRS的連接

1.2路燈控制節點

路燈控制節點是系統重要組成部分，安裝在每個路燈上，其不僅能接受來自控制中心的命令對該節點路燈進行控制和檢測，還能通過溫度和光傳感組成的傳感器電路采集外界自然環境狀態信息，經STC52（MCU）處理傳感器電路采集的信息，進而由自適應調光電路實現路燈的自動控制。其結構框圖如圖3所示。

圖3　路燈控制節點結構框圖

2　軟件設計

該智能路燈控制系統以PC為客戶端，在軟件開發中使用Net Framework 4.0搭建應用開發環境進行系統開發，使用 VS2010和 C#語言開發應用程序，其框架圖如圖4所示，主要包含PC服務終端模塊和PC客戶端模塊兩個部分。

PC服務終端模塊主要功能是為基站和客戶終端建立聯系，以及提供一些能夠自動處理的功能。它包含數據收發和數據處理兩個模塊，數據收發模塊負責數據的網絡傳輸和識別；數據處理模塊處理終端的數據請求和邏輯請求，對遠程基站進行控制，這些控制信息將由用戶界面交互得到，同時還具備數據異常處理功能。

圖4　智能路燈控制系統開發框架

PC客戶端的主要功能有數據收發、數據處理和界面交互。其中數據處理是終端的核心，用戶通過界面交互了解到基站的相關信息，從而手動控制基站。此外，終端軟件本身具備通過數據處理來提醒用戶基站存在的異常（比如路燈損壞等）的功能。

2.1PC服務終端軟件設計

PC服務終端的基本原理是：建立一個專用的接收連接主服務，在接收到連接后建立一個專用的處理數據邏輯的數據處理服務，這個處理服務將接收和處理來自客戶終端的獲取和控制請求［6］。該部分的實現主要由以下函數構成：

public void Run（）//處理客戶端請求

public Socket Accept（）//建立數據服務功能

On Start Server（）//提供開關服務器服務接口

流程圖如圖5所示。

圖5　服務端程序流程圖

主要工作流程如下：

（1）服務端程序啟動，并開啟數據監聽程序。系統采用TCP協議進行網絡數據傳輸，所以對運行監聽程序的服務器要求有對外獨立的可供訪問的IP地址，本系統的對外IP是210.40.16.55，開放端口為7777。由于監聽程序將處于一直循環監聽狀態，如果該監聽程序在界面UI線程中運行，將會導致UI反應遲鈍，故將監聽程序放到一個新的線程中運行。

（2）當監聽程序接收到連接后，為改連接開啟一個數據處理服務。連接來源有三種：基站、PC客戶端以及手機終端。之后建立一個數據處理服務程序，并將其放到一個新的線程中去運行。

（3）在數據處理服務開啟后，它將一直處于數據接收狀態，并預處理數據接收，直到數據接收完畢。該部分的功能主要是數據接收功能。本文制定的網絡傳輸協議包括基站與服務端的協議、PC客戶終端與服務器的網絡協議、手機客戶終端與服務器的網絡協議。

（4）將接收到的數據轉換成系統數據轉換器，數據轉換器保存需有數據的類型以及真正需要交互的數據。

（5）根據轉換器得到處理類型，不同處理類型作相應的處理并發回客戶終端。如果發送成功，程序將繼續回到步驟（3），如果發送過程出現異常或連接斷開等情況時，數據處理接聽程序將結束。

2.2 PC客戶端軟件設計

PC客戶端的工作原理是：建立一個數據處理監聽程序不停地監聽由界面交互產生的數據處理命令，并根據處理命令與服務器進行交互，提交相應的命令和控制［7-8］。該部分的實現主要由以下函數構成：

Private voidWindow_Loaded（object sender，RoutedEventArgs e）//初始化UI界面

Private void btn_Click（object sender，Routed Event Args e）//建立界面與服務器交互

VoidTimer_Elapsed（object sender，System.Timers.Elapsed Event Args e）//定時向服務請求更新數據

Void run（）//與終端保持數據接收，處理數據請求Void command（string cmd，object data）//命令組織發送接口

Void CloseAll（bool isturnon）//控制所有燈泡信息開關

主要工作流程為：

（1）程序開啟，連接服務器。通過固定的服務器 IP：210.40.16.55，端口7777連接到遠程服務器。

（2）連接成功，建立數據處理程序，與服務器進行交互，定時系統開啟。其中包括數據的接收預處理、數據處理程序開啟、定時命令提交系統三個部分。數據網絡傳輸是基于TCP協議，通過預處理可以得到數據轉換器。定時命令提交系統中會定時向系統服務器提交由交互界面產生的控制命令。

（3）響應或提交處理命令。該部分是客戶終端的核心部分，針對不同的數據處理請求相應的操作。用戶界面交互產生對服務器的控制信息，控制信息發送給服務器并得到響應后獲取到SET請求，再解析數據轉換器中基站信息，檢查基站更新數據，如發現異常信息，界面交互提醒用戶，最后更新到本地數據緩存，界面刷新，從而達到同步顯示的目的。用戶可以根據同步顯示的信息或系統提醒的異常信息向客戶終端提交相應的用戶處理請求，這些請求最終轉換成基站信息，然后通過CONTROL請求發送給服務器，從而實現客戶終端對遠程基站的實時監控與控制。PC客戶端程序流程圖如圖6所示。

圖6　PC客戶端程序流程圖

3　系統測試

（1）服務端運行結果

服務端運行結果如圖7所示。從圖7中可以看到整個連接的過程：

①啟動服務器程序；

②服務端程序接收到PC終端連接；

③服務端程序接收到基站連接。

圖7　服務端程序接收到PC終端連接

接下來服務端程序就可以處理PC終端請求并發回基站。

（2）PC終端運行測試結果

當路燈運行故障時，PC客戶端錯誤消息窗口給出錯誤提醒，如圖8所示。從圖8可以看到，3號燈出現故障，系統初步判定是光敏電阻出現異常。

圖9顯示了PC客戶端工作的界面，系統建立連接并可以正常進行數據通信。路燈控制節點接收來自控制中心的命令對該節點路燈進行控制和檢測。如圖9所示，當1、2號節點亮度不足時，終端發出指令調節1、2號節點的亮度，直至達到所需亮度。另外，可以很直觀地看到3號燈出現故障并報警，同時系統初步判定是光敏電阻處出現異常。

圖8　路燈出現故障報警

圖9　PC終端控制路燈界面

4　結論

本文設計的城市智能路燈控制系統將無線傳感器技術與GPRS無線通信技術相結合，由無數個路燈節點、多個中心節點（基站）、服務器和手機/PC客戶端組成。各個部分通過通信介質傳達控制命令，實現遠程控制路燈。經實驗測試，本系統不僅可以對故障路燈進行遠程監控和定位，還可以通過移動或PC終端實現對路燈亮度的調節，大大提高了路燈管理水平和服務質量，實現了合理照明、美化照明及安全照明的理念。

［1］項新建.城鎮路燈智能控制系統的研究［J］.儀器儀表學報，2006，27（6）：194-197.

［2］賀一鳴，王崇貴，劉進宇.智能路燈控制系統設計與應用研究［J］.現代電子技術，2010（1）：207-210.

［3］黎洪生，劉蘇斂，胡冰，等.基于無線通信網絡的智能路燈節能系統［J］.計算機工程，2009，35（14）：190-192.

［4］宋成艷，李揚，梅運華.基于無線通信的城市路燈監控管理系統［J］.微計算機信息，2007，23（21）：19-20.

［5］張偉，王宏剛，程培溫.基于 GPRS的智能路燈遠程監控系統的研究［J］.計算機測量與控制，2010，18（9）：2104-2106.

［6］劉三梅，程韜波，胡戰虎.基于GPRS/WEBGIS路燈節能監控系統的設計與實現 ［J］.計算機工程與設計，2008，29（1）：187-189.

［7］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（1）：84-87.

［8］胡開明，李躍忠，盧偉華.智能路燈節能控制器的設計與實現［J］.現代電子技術，2009，32（9）：143-145.

Design and im plementation of intelligent street light control system

Liu Ziyan，Luo Chao，Yang Yang，Yang Tongjie，Luo Houde，Hu Hongbo
（College of Big Data and Information Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

The management and maintenance of the traditional street lamps use the manual inspections，which is inefficient and time-consuming.The intelligent street light control system achieves the real-time control and detection of the street lamps by wireless sensors and GPRS.The system uses C/S structure.The PC client gets access to the server through GPRS so that the connection between the base station and the client is established.The client reminds user the exception and controls base station by processing data.The experimental results show that the system runs correctly，steadily and reliably.

intelligent street light；base station；server；PC client；GPRS

TP273.5

A

1674-7720（2015）06-0019-04

2014-10-28）

劉紫燕（1977-），女，副教授，主要研究方向：無線通信，下一代通信系統。

貴州省軟科學研究項目（黔科合R 字［ 2014 ］ 2025 號）

羅超（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式通信、電力線載波通信。