張卿杰

摘 要： 傳統(tǒng)城鎮(zhèn)路燈控制系統(tǒng)采用有線網(wǎng)絡(luò)布局，施工復(fù)雜、控制線路浪費、事后管理復(fù)雜、檢修不易、能源浪費。采用當(dāng)前的無線通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于Web Service的無線路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)分為4層：應(yīng)用服務(wù)層采用CS架構(gòu)，LabVIEW實現(xiàn)； 數(shù)據(jù)中心層采用公網(wǎng)IP，.net+SQL架構(gòu)實現(xiàn)； 基于GPRS的匯聚通信層采用TCP?Modbus通信協(xié)議； 現(xiàn)場執(zhí)行層單燈管理模塊采用ZigBee與上層通信。該系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)布線簡單，路燈控制方式智能、靈活、方便，線路檢修維護(hù)方便，系統(tǒng)設(shè)計造價低，模塊可靈活配置，系統(tǒng)應(yīng)用擴展性強等諸多優(yōu)點。該系統(tǒng)亦適用于準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)通信量不大的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中。

關(guān)鍵字： Web Service； GPRS； ZigBee； 無線路燈監(jiān)控； LPC2294； ARM7； CC2530； DTU

中圖分類號： TN926?34；TP277 文獻(xiàn)標(biāo)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(guī)模的擴大，農(nóng)村城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷深入，我國的路政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模在不斷的擴大。路燈照明建設(shè)與管理是路政基礎(chǔ)設(shè)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(tǒng)大多采用有線網(wǎng)絡(luò)布局，施工復(fù)雜，控制線路浪費更造成了事后管理復(fù)雜，故障檢修不易，并且還存在著普遍的能源浪費。據(jù)統(tǒng)計，許多城市道路在零點以后基本無車輛經(jīng)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(qū)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(dǎo)致路面照度或照度均勻度的降低，產(chǎn)生“斑馬效應(yīng)”[1?2]。近年無線通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展[3?7]，本文據(jù)此設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于Web Service的無線路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)布線簡單，可遠(yuǎn)程智能維護(hù)管理，系統(tǒng)可擴展性強，方便實施，性價比高等諸多優(yōu)點。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)主要分為四個層次，由下而上分別為現(xiàn)場執(zhí)行層、匯聚通信層、數(shù)據(jù)中心層、應(yīng)用服務(wù)層?，F(xiàn)場執(zhí)行層通過ZigBee單燈管理模塊采集現(xiàn)場地理位置、照度、電壓電流以及路燈繼電器開關(guān)狀態(tài)等信息后轉(zhuǎn)發(fā)至上層應(yīng)用，并根據(jù)上層命令來執(zhí)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(jié)點集中管理模塊匯聚就近范圍內(nèi)的ZigBee單燈管理模塊信息，并通過GPRS模塊將信息上傳至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫，供應(yīng)用層調(diào)用。應(yīng)用服務(wù)層通過查詢數(shù)據(jù)中心的信息，作出適當(dāng)?shù)目刂婆c信息呈現(xiàn)。

監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 應(yīng)用服務(wù)層設(shè)計與實現(xiàn)

應(yīng)用服務(wù)層主要功能為配合GIS地圖信息，實現(xiàn)路燈亮暗信息查詢與控制、故障記錄、人員權(quán)限、用電統(tǒng)計等功能。應(yīng)用層功能框圖如圖2所示。

應(yīng)用層所需要的數(shù)據(jù)主要來自于基于Web Service數(shù)據(jù)中心。人機界面開發(fā)采用了LabVIEW開發(fā)，LabVIEW控件豐富，軟件可組態(tài)，開發(fā)過程相對簡單，可大大提高與簡化客戶端的開發(fā)流程。LabVIEW人機界面設(shè)計的時候結(jié)合了GIS信息，從而可以更方便地呈現(xiàn)路燈信息，如圖3，圖4所示。

應(yīng)用服務(wù)層主要工作流程為首先是連接數(shù)據(jù)服務(wù)器，查詢相關(guān)信息，然后進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，歷史統(tǒng)計和操作控制。與服務(wù)器間的通信，采用公網(wǎng)，Socket通信。

Socket是建立在傳輸層協(xié)議（主要是TCP和UDP）上的一種套接字規(guī)范，它定義兩臺計算機間進(jìn)行通信的規(guī)范（也是一種編程規(guī)范）。如果說兩臺計算機是利用一個通道進(jìn)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(tǒng)的差異，使得任何兩臺安裝了TCP協(xié)議軟件和實現(xiàn)了套接字規(guī)范的計算機之間的通信成為可能[8?9]。本系統(tǒng)中建立Socket連接是與GPRS信息連接，所以需要具有公網(wǎng)的IP地址，故應(yīng)保證服務(wù)器中心計算機連接到Internet并且取得公網(wǎng)IP地址。

Socket設(shè)置程序流程如圖5所示。

應(yīng)用服務(wù)層也可以采用Android，或者QT開發(fā)基于平板電腦或手機的查詢應(yīng)用，使得用戶能夠更方便地查詢到相關(guān)信息。

3 數(shù)據(jù)中心層設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)中心層為系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，既承擔(dān)著GPRS集中管理模塊的監(jiān)控與管理，也承擔(dān)著數(shù)據(jù)服務(wù)的響應(yīng)。此次系統(tǒng)設(shè)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(jiān)控與管理是此層中主要任務(wù)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(yīng)應(yīng)用端的Web服務(wù)查詢需求，有效區(qū)分各類查詢以及命令，要進(jìn)行自定義協(xié)議，數(shù)據(jù)組織的形式，可依賴于Modbus/TCP。

Modbus/TCP協(xié)議是施耐德公司基于TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)上的廣泛應(yīng)用于1999年公布，在網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議，在傳輸層使用TCP協(xié)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(wǎng)，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(wǎng)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(xiàn)場總線連接到Modbus TCP的網(wǎng)關(guān)，方便用戶實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)。

Modbus/TCP數(shù)據(jù)幀包含了報文頭，功能代碼和數(shù)據(jù)三部分，如圖6所示。

MBAP Header有4個域，如表1所示。

（1） 事務(wù)標(biāo)識域，2個字節(jié)長，主要用于事務(wù)處理的配對，標(biāo)志某個Modbus請求/應(yīng)答的傳輸，響應(yīng)時由Modbus服務(wù)器復(fù)制該值；

（2） 協(xié)議標(biāo)識域，2個字節(jié)長，用于系統(tǒng)內(nèi)部的多路復(fù)用，一般用0代表Modbus協(xié)議，1代表NUI?TE協(xié)議；

（3） 長度域，2個字節(jié)，它的作用是為下一個域的字節(jié)計數(shù)，包括單元標(biāo)識域和數(shù)據(jù)域，應(yīng)答時需由服務(wù)器端重新生成該值；

（4） 單元標(biāo)識域，1個字節(jié)，該域?qū)ｉT用于串行鏈路上或其他總線上連接的遠(yuǎn)程從站的識別，若Modbus客戶端在請求中設(shè)置了這個域，則響應(yīng)時服務(wù)器端必須從接收的請求中復(fù)制這個值。

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

4 基于GPRS的ZigBee匯聚結(jié)點集中管理模塊

集中管理模塊主要由電源模塊，NCU模塊，數(shù)據(jù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在最大時鐘速率60 MHz下運行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb 模式將代碼規(guī)模降低超過30%，但性能的損失很小。16 KB片內(nèi)SRAM，片內(nèi)Boot程序可通過uart0提供在系統(tǒng)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(zhuǎn)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(dá)112個GPIO口，9個電平或邊沿觸發(fā)的中斷引腳，片內(nèi)資源豐富，可加密，可在系統(tǒng)編程，非常適合工業(yè)、樓宇、現(xiàn)場總線控制應(yīng)用[13]。

LPC2294盡管已內(nèi)置8路A/D轉(zhuǎn)換器，但NCU路燈集中管理模塊，采集數(shù)據(jù)大于8路，因此還外擴了A/D數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊采用分塊獨立設(shè)計與NCU模塊之間的通信采用了CAN總線，采集模塊中的數(shù)據(jù)管理與處理采用了單片機STC89C54RD。NCU模塊最多可以外擴4路數(shù)據(jù)采集模塊，1路數(shù)據(jù)采集模塊有11通道，所以系統(tǒng)最多可以采集44路模擬數(shù)據(jù)。

繼電器輸出模塊與數(shù)據(jù)采集模塊采用的是一致的方案，只是外加了驅(qū)動電路，主要用來斷開局部整條線路，可以根據(jù)實際情況靈活配置。與數(shù)據(jù)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(tǒng)構(gòu)建的時候可以根據(jù)實際實施情況，采用集中管理模塊進(jìn)行片區(qū)直接控制，也可以采用集中管理模塊通過ZigBee節(jié)點對單燈進(jìn)行控制。ZigBee是近年來提出的一種面向低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率的近距離雙向無線通信技術(shù)，其物理層與媒體控制層協(xié)議為IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)一般有星型、對等型和混合型3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)中采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu)，收發(fā)器模塊均采用CC2530， CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存， 結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)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(shù)據(jù)中心層通信主要依賴GPRS模塊，采用的是WG?8010 GPRS DTU， WG?8010 內(nèi)置工業(yè)級GPRS 無線模塊，提供標(biāo)準(zhǔn)RS 232/485 數(shù)據(jù)接口，可以方便地連接RTU、PLC、工控機等設(shè)備，僅需一次性完成初始化配置，用戶設(shè)備就可以與數(shù)據(jù)中心通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(guān)電源用來給系統(tǒng)供電，液晶顯示模塊是方便模塊的內(nèi)部參數(shù)以及輸入/輸出點的動態(tài)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(xiàn)場層信息以及接收集中模塊過來的指令，為現(xiàn)場執(zhí)行層，主要組成為ZigBee節(jié)點、電源模塊、傳感器與信號處理電路。

路燈現(xiàn)場控制方式上位機可以動態(tài)配置，主要有以下4種控制方式，默認(rèn)選擇為光照度控制開關(guān)。

方式1：路燈經(jīng)緯度控制定時開關(guān)，單燈節(jié)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(jīng)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(guān)[16] 。

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

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(jù)當(dāng)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(guān)。

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(jìn)行路燈控制。

單燈管理模塊將相關(guān)信息實時上傳，為靈活控制、線路檢修帶來了方便。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于Web Serciec的路燈無線遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為應(yīng)用層、數(shù)據(jù)中心層、GPRS通信層、現(xiàn)場ZigBee節(jié)點執(zhí)行層，該系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)布線簡單，模塊靈活配置，系統(tǒng)應(yīng)用可擴展性強，可以與其他例如路政等信息系統(tǒng)進(jìn)行對接，該系統(tǒng)架構(gòu)亦可用于其他準(zhǔn)實時性，上傳數(shù)據(jù)量不大的監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)中。

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