城市智能路燈照明系統的設計與實現

林海平，胡文飛，張雅潔

（1.杭州職業技術學院 信息工程學院，杭州 310018；2.溫州職業技術學院 a.電氣電子工程系；b.信息技術系，浙江 溫州 325035）

0引 言

隨著低發射功率無線局域網組網技術、3G/4G通信技術和以太網通信技術為代表的物聯網技術的飛速發展，采用手機、聯網計算機遠程控制終端設備已成為現代物聯網技術發展的核心[1]。隨著我國智慧城市建設的加快，運用3G/4G技術、手機互聯通信技術、遠程實時在線控制技術的遠程智能路燈系統必將成為城市照明路燈發展的大趨勢[2-3]。本文運用以上技術對城市路燈照明系統進行升級改造，設計基于物聯網技術的城市智能路燈照明系統。

1遠程智能路燈控制系統

圖1 遠程智能路燈控制系統

遠程智能路燈控制系統[4-5]如圖1所示，包括智能節點控制器、智能網關控制器、3G/4G移動通信模塊、公共的3G/4G通信和以太網通信模塊、遠程智能監控中心和手機監測模塊。無線局域網采用以太網絡TCP/IP協議數據通信，公共的3G/4G通信采用國內三大移動通信公司的已有移動基站進行通信。智能節點控制器、智能網關控制器、遠程智能監控中心和手機監測模塊為開發的具體設備和軟件。其具體的通信鏈路為：上行鏈路為智能節點控制器把采集到的路燈健康數據通過無線局域網（100個路燈為一個局域網）上傳給智能網關控制器，智能網關控制器通過移動通信網絡和以太網網絡將數據傳遞給遠程智能監控中心，手機APP應用軟件可與遠程智能監控中心通信查詢宏觀路燈網絡的工作狀態；下行鏈路為從遠程智能監控中心到智能節點控制器的通信，可控制單個路燈的具體工作狀態。

2基于3G/4G技術和以太網通信技術的遠程通信網絡的構建

2.1 數據通信鏈路的建立

（1）3G/4G移動通信模塊通過公共的3G/4G通信和以太網通信模塊，以TCP/IP通信協議發送數據傳輸給遠程智能數據處理中心，遠程智能數據處理中心通過以太網接收來自3G/4G移動通信模塊的數據，并存儲分類處理。

（2）遠程智能數據處理中心通過公共的3G/4G通信和以太網通信模塊，以TCP/IP通信協議發送數據傳輸給3G/4G移動通信模塊，3G/4G移動通信模塊通過3G/4G移動網絡無線接收來自遠程智能數據處理中心的數據，并通過無線局域網將數據傳輸給每個目標路燈。遠程通信數據鏈路如圖2所示。

（3）手機監測軟件通過公共的3G/4G通信和以太網通信模塊，以TCP/IP通信協議發送數據傳輸給遠程智能數據處理中心，遠程智能數據處理中心通過以太網接收來自手機監測軟件的數據，并存儲分類處理。

圖2 遠程通信數據鏈路

（4）遠程智能數據處理中心通過公共的3G/4G通信和以太網通信模塊，以TCP/IP通信協議發送數據傳輸給手機監測軟件，手機監測軟件通過3G/4G移動網絡無線接收來自遠程智能數據處理中心的數據，并對數據進行解析判讀。

2.2 硬件設計

基于3G/4G技術和以太網通信技術的遠程通信網絡硬件設計包括智能網關控制器和智能節點控制器。

（1）智能網關控制器。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進行統一控制管理，能自主與上位機建立TCP連接，并實時查詢和上傳路燈的各項數據。同時采用自主研發的通信協議可實現斷點查詢，保證系統穩定運行。智能網關控制器硬件框架如圖3所示。

圖3 智能網關控制器硬件框架

MCU采用TI公司生產的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，以上硬件水平均達到工業級。該智能網關控制器可在-40℃～+85℃環境下正常工作。

（2）智能節點控制器。集成太陽能充電管理、RF通信、高精度功率檢測、PWM調光、車流人流檢測及環境光線檢測，其目的在于配備多種節能模式，結合智能網關控制器，實現可變靈活的路燈管理節能方式。智能節點控制器硬件框架如圖4所示。

MCU采用TI公司生產的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，車流人流及環境光檢測采用紅外熱釋電一體化模塊C-SR501，市電互補型太陽能充電電路采用自主設計的雙MOS管開關充電電路，PWM調光采用脈沖調制技術通過調節輸出電壓以調節LED路燈的亮度，以上硬件水平均達到工業級。該智能節點控制器可在工業環境下正常工作，防水等級IP67。

圖4 智能節點控制器硬件框架

3遠程智能數據處理中心的設計

3.1 遠程智能監控中心結構設計

遠程智能監控中心結構如圖5所示。遠程智能監控中心綜合數據處理層通過數據鏈路通信層與終端應用層進行通信。終端應用層包括局域節點和手機終端，其中局域節點包含100盞路燈；數據鏈路通信層基礎架構的各個節點通過3G/4G與每盞路燈通信，同時通過INTERNET與遠程智能監控中心通信；綜合數據處理層的應用有ERP管理、天文時鐘、系統維護、故障報警、權限控制的功能。

圖5 遠程智能監控中心結構

（1）ERP管理。對納入該網絡的每盞路燈信息進行分類、處理和記錄。可通過分類表查詢以下內容：路燈的開閉時間、亮度狀態的配置、亮度顯示時間、地理位置信息、狀態配置信息、電壓電路信息等。

（2）天文時鐘。根據路燈局域網節點傳輸的GPS信息，顯示每個局域網的時間信息、地理經緯度信息。

（3）系統維護。為路燈工作狀態進行維護，根據路燈照明系統維護的要求，按照標準的審批流程，對路燈工作狀態進行設置。

（4）故障報警。根據遠程智能監控中心預置的判據，判斷每盞路燈工作狀態是否正常，若不正常會給出報警標識。報警信息包括故障路燈的局域網節點信息、地理位置信息、電壓電流等，使系統管理人員可在第一時間內發現故障路燈的信息。

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

3.2 遠程智能監控中心軟件開發

遠程智能監控中心軟件開發主要包括遠程數據處理中心軟件部分和手機監測軟件APP，其具體交互操作流程如圖6所示。

圖6 遠程智能監控中心交互操作流程

上位機軟件架設在服務器端口，以服務器端口的一個固定IP和固定端口為地址，硬件電路可通過尋找固定IP和固定端口與服務器進行連接，以達到硬件與服務器之間的數據交互。上位機軟件設計主要建立.NET平臺，以Framework為框架，采用TCP連接，以IP網關映射方式實現外網控制。上位機軟件采用C#語言進行開發，后臺數據庫采用SQL server數據庫進行數據保存與更新。

手機監測軟件APP的功能主要對路燈進行控制及顯示路燈信息。APP先與服務器端口的上位機進行對接，當對接成功時，APP會向服務器數據發出請求，服務器接收數據請求后，將相應的路燈數據信息反饋給APP，APP接收數據信息后會將數據分門別類地顯示在相應之處，以便系統管理人員進行操作與觀察。此外，APP系統中還自帶地圖，可將已有的路燈地理位置信息顯示在地圖中，同時也會顯示當前手機所處的地理位置，方便系統管理人員尋找路燈及確定自己與最近路燈之間的距離。

4遠程智能路燈控制系統的實現

4.1 遠程智能路燈通信系統

基于3G/4G技術和以太網通信技術的遠程路燈通信系統由20個智能節點控制器和智能網關控制器組成，如圖7所示。

4.2 遠程智能數據處理中心

圖7 遠程智能路燈通信系統

遠程智能數據處理中心包括路燈狀態設置界面、路燈狀態監測界面、路燈位置顯示界面、路燈綜合信息顯示界面和數據庫部分。路燈狀態設置界面（見圖8a），可設置整個網絡關燈、開燈，一半開燈；單個路燈開燈、關燈；整個網絡路燈照亮度設置，劃分為25%、50%、75%和100%四個檔。路燈狀態監測界面（見圖8b），可實時顯示每個路燈的電壓、電流、組號、燈號、位置信息、時間標識。路燈位置顯示界面（見圖8c），系統自帶地圖功能，可對當前已錄入的路燈地理位置進行顯示，也可進行錄入新的路燈地理位置，其中主要采用百度地圖API實現該功能。綜合信息顯示界面（見圖8d），可與生產企業的云服務相關聯，通過購買服務實現企業對用戶的在線支持和云數據存儲。

數據庫部分軟件系統中所產生的重要數據存儲于數據庫中，為此在服務器中架設了SQL server數據庫。數據庫中主要創建兩張類型表路燈地理位置和路燈信息（見表1～表2）。

圖8 遠程智能數據處理中心界面

表1 路燈地理位置

4.3 手機監測軟件APP

通過手機監測軟件APP對路燈進行狀態監測，通過聯網計算機的遠程智能監控中心對每盞路燈工作狀態進行配置、查詢，實時給出路燈工作狀態，對有故障的路燈給出報警信息和定位。

5結 論

2017年1—6月，對遠程智能路燈控制系統進行了為期半年的測試，測試分為室內和室外兩種環境。測試結果表明，遠程智能路燈控制系統工作穩定可靠，可通過手機監測軟件APP和遠程智能監控中心對路燈工作狀態進行預置、實時管理、故障定位和預警；對清潔能源路燈進行智能的供配電，擴大清潔能源路燈的運用場景；采用太陽能供電裝置，可節省市電量的1/3；大大提高路燈的維護實效，降低維護成本。遠程智能路燈控制系統可用于對現有城市路燈照明系統的升級改造，也可用于新的路燈照明工程的實施。

表2 路燈信息