吳權(quán)暉+林啟英

摘 要：文章結(jié)合智慧城市的需求，對(duì)智能路燈網(wǎng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了安防、交通服務(wù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及照明等多項(xiàng)功能，并就其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件以及軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：智慧城市；智能路燈；設(shè)計(jì)

2008年IBM公司首次提出了“智慧地球”這一理念，而“智慧城市”作為其中非常重要的一部分，其在推動(dòng)“智慧地球”發(fā)展上發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。智慧城市主要是指采用一系列較為典型的智能應(yīng)用系統(tǒng)共同組合而成，例如：智能照明系統(tǒng)、交通系統(tǒng)以及智能環(huán)境監(jiān)測(cè)等。為此，加強(qiáng)智能路燈網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)在推動(dòng)智慧城市發(fā)展中具有非常重要的作用[1]。本研究擬結(jié)合6LoWPAN技術(shù)對(duì)智能路燈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 智能路燈的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通過6LoWPAN技術(shù)的運(yùn)用，可從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)感知延伸層傳感器節(jié)點(diǎn)的有效接入，從而更好地實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的有效接入，并能夠因此實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)末梢節(jié)點(diǎn)IP化的有效實(shí)現(xiàn)。智慧城市中智能路燈網(wǎng)絡(luò)具體如圖1所示，該網(wǎng)絡(luò)仍然是以當(dāng)前最主流的協(xié)議IPv4為依托，并基于此逐漸向IPv6實(shí)現(xiàn)有效過渡。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計(jì)可將智能路燈網(wǎng)劃分為非常典型的3層，分別為：網(wǎng)絡(luò)層、感知延伸層以及應(yīng)用層，其中網(wǎng)絡(luò)層主要是對(duì)6LoWPAN技術(shù)進(jìn)行運(yùn)用，基于路由器來(lái)組建網(wǎng)絡(luò)；感知延伸層則主要是在6LoWPAN基礎(chǔ)上，通過各種執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)以及各種類型的感知節(jié)點(diǎn)而構(gòu)建起來(lái)的一個(gè)數(shù)量較為龐大的網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用層則主要運(yùn)用的云架構(gòu)技術(shù)，能夠通過服務(wù)器群模式來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)各種服務(wù)功能的有效執(zhí)行，針對(duì)不同的感知層節(jié)點(diǎn)功能和服務(wù)系統(tǒng)功能，其能夠進(jìn)行相應(yīng)的分類，部分還可進(jìn)行復(fù)用，例如：轉(zhuǎn)發(fā)、存貯、管理等。

感知層的傳感器以及應(yīng)用層功能本身就存在著相應(yīng)的映射關(guān)系，智能路燈網(wǎng)的感知延伸層節(jié)點(diǎn)通常是由系統(tǒng)的路燈開關(guān)繼電器以及光明傳感器等構(gòu)成；智能交通系統(tǒng)的傳感器包括計(jì)數(shù)器、攝像頭、ETC讀卡器等；空氣污染檢測(cè)器、噪聲污染檢測(cè)器以及煙霧感應(yīng)器等組成了智能環(huán)保系統(tǒng)的延伸層；紅外感應(yīng)器、攝像頭以及報(bào)警器則為智能安防系統(tǒng)的延伸層。

最原始的感知延伸層其節(jié)點(diǎn)均是在非IP基礎(chǔ)上的，但因受到物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的影響，其對(duì)智能系統(tǒng)提出了更好的要求，這就需要通過端與端之間進(jìn)行有效的執(zhí)行和訪問[2]。為此，在6LoWPAN系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過各種感知延伸層的節(jié)點(diǎn)，即可促使互聯(lián)網(wǎng)與智能路燈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效連接，從而更好地推動(dòng)智慧城市的建設(shè)。

2 智能路燈的硬件設(shè)計(jì)

2.1 6LoWPAN普通路由器

通過操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)6LoWPAN協(xié)議棧需要的支持，結(jié)合6LoWPAN的特點(diǎn)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中主要運(yùn)用了Contiki操作系統(tǒng)進(jìn)行6LoWPAN普通路由器的實(shí)現(xiàn)。路由器核心芯片主要采用的是TI的CC2538。該芯片的性能非常強(qiáng)勁，并且內(nèi)部的資源非常豐富，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)Contiki的支持。

2.2 6LoWPAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)6LoWPAN的有效擴(kuò)展，在對(duì)其硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)將其模式進(jìn)行統(tǒng)一，簡(jiǎn)單來(lái)說，即為插入式+底板模塊的處理方式。在設(shè)計(jì)中，將所有接插件之間的間 距確定為標(biāo)準(zhǔn)的2.54 mm，其能夠用于對(duì)傳感模塊、無(wú)線通信模塊等多個(gè)模塊進(jìn)行有效連接。例如：運(yùn)用LX1970芯片來(lái)作為照度傳感器，該芯片傳感器主要為可見光亮度傳感器；運(yùn)用DS18B20主芯片作為溫度傳感器的芯片，這種芯片傳感器屬于單線智能溫度傳感器；運(yùn)用CX20106a芯片的接收模塊來(lái)作為超聲波；電源模塊則主要為多路輸出模塊，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效供電；路燈的控制器主控開關(guān)主要采用的是附帶有光耦合的多路繼電器[3]。

在智能路燈的網(wǎng)絡(luò)中，攝像頭最主要的作用是進(jìn)行視頻識(shí)別、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及探測(cè)報(bào)警等作用。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，選取了較高性價(jià)比的網(wǎng)絡(luò)攝像頭。在對(duì)視頻進(jìn)行傳輸?shù)倪^程中，因其對(duì)帶寬的要求非常高，為了能夠更好地提升其穩(wěn)定性，我們?cè)谘芯恐袑⒙窡魲U的AP專門設(shè)置為了無(wú)線網(wǎng)橋模式，通過這種方式的設(shè)置，其能夠通過多跳連接，經(jīng)過6LoWPAN的邊界路由器來(lái)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)的連接，同時(shí)還可經(jīng)過4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或者PON網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的連接。各種照片的信息可由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)進(jìn)行獲取，并且因其相較于視頻數(shù)量較小，故能夠直接經(jīng)由6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)。因各種多媒體設(shè)備其不僅成本較高，同時(shí)對(duì)供電的需求也相對(duì)較高，為此，目前并不建議對(duì)每個(gè)路燈桿進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的配置，而是在道路相對(duì)較為重要的位置進(jìn)行配置，并進(jìn)行6LoWPAN路由器的安置。終端用戶則能夠通過PC或者手機(jī)端來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻的訪問，并可經(jīng)由遠(yuǎn)程控制的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)焦距、視頻探頭云臺(tái)等設(shè)備參數(shù)進(jìn)行控制和調(diào)整。視頻探測(cè)則是在硬件的基礎(chǔ)上，通過識(shí)別算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)Σ煌瑘?chǎng)景的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和展現(xiàn)，從而深度挖掘視頻數(shù)據(jù)，例如：經(jīng)由人臉識(shí)別算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人員目標(biāo)的追蹤，基于車牌識(shí)別算法而進(jìn)行車輛記錄和車流量的統(tǒng)計(jì)。

2.3 6LoWPAN邊界路由器

為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)6LoWPAN節(jié)點(diǎn)互聯(lián)網(wǎng)的直接訪問，就必然需要一個(gè)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)有效轉(zhuǎn)換。6LoWPAN邊界路由器主要是為了能夠?qū)崿F(xiàn)6LoWPAN與IP協(xié)議棧之間的有效轉(zhuǎn)換，從而促使IPv4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及IPv6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)互通。6LoWPAN邊界路由器主要采用的是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的建立，并實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效維護(hù)，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)發(fā)等。為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)開發(fā)復(fù)雜程度的控制，本研究在對(duì)智能路燈網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，主要是將CC2538作為主控單元。此外，其硬件還包括了隨機(jī)存儲(chǔ)器單元、電源管理模塊、以太網(wǎng)控制單元。

3 智能路燈的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件整體架構(gòu)

智能路燈網(wǎng)絡(luò)除了需要依靠較好的硬件設(shè)備之外，同時(shí)其對(duì)軟件設(shè)計(jì)也有著較高的要求，我們?cè)趯?duì)軟件整體設(shè)計(jì)中，主要是基于Contiki操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在軟件整個(gè)架構(gòu)中，硬件系統(tǒng)屬于最底層，中間層則主要為驅(qū)動(dòng)程序，其主要用于實(shí)現(xiàn)與硬件設(shè)備的相互連接，以便上層軟件進(jìn)行有效調(diào)用，操作系統(tǒng)內(nèi)核可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)管理系統(tǒng)任務(wù)的運(yùn)用，并能夠結(jié)合系統(tǒng)事件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)任務(wù)的調(diào)度執(zhí)行。用戶的主要應(yīng)用程序是基于UDP協(xié)議的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種傳感節(jié)點(diǎn)以及應(yīng)用程序的管理和開發(fā)[4]。

3.2 6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)層軟件設(shè)計(jì)

就當(dāng)前實(shí)際情況來(lái)看，TCP/IP協(xié)議棧是當(dāng)前最主要的棧，其與6LoWPAN協(xié)議棧本身就存在著密切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。邊界路由器在運(yùn)行中，主要是IPv6與IPv4兩種通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中IPv6主要發(fā)揮的是自動(dòng)隧道尋址協(xié)議ISATAP機(jī)制，而IPv4則主要是對(duì)uNAT-PT機(jī)制進(jìn)行發(fā)揮。在其與IPv6網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議時(shí)，可對(duì)ISATA隧道處理模塊進(jìn)行合理的選取，并基于此實(shí)現(xiàn)主機(jī)與隧道之間的連接。

3.3 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

在智慧城市面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（Service-Oriented Architecture，SOA）標(biāo)準(zhǔn)中，智能路燈網(wǎng)絡(luò)的合理運(yùn)用可以說是其中非常重要的一部分，其能夠從流程、業(yè)務(wù)來(lái)對(duì)相應(yīng)服務(wù)元素進(jìn)行增加或者刪減。在SOA框架的條件下，各種功能可經(jīng)由ESB總線來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的連通，并能夠?qū)ΜF(xiàn)有的資源進(jìn)行充分的運(yùn)用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用軟件各種信息孤島等一系列問題的有效解決，同時(shí)還可對(duì)服務(wù)功能拓展空間進(jìn)行更好的保留。

基于SOA框架基礎(chǔ)上，智能照明系統(tǒng)能夠?qū)?LoWPAN節(jié)點(diǎn)紅外感應(yīng)器以及亮度傳感器等進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)行人、車輛以及光線等各方面情況，來(lái)確定是否需要進(jìn)行照明，同時(shí)路燈還能夠結(jié)合周圍光線情況來(lái)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)其亮度，同時(shí)還可對(duì)照明進(jìn)行啟動(dòng)和關(guān)閉。除此之外，當(dāng)出現(xiàn)無(wú)法進(jìn)行照明的情況時(shí)，還可及時(shí)向供電部門或者控制中心發(fā)出警報(bào)，以便工作人員能夠?qū)β窡暨M(jìn)行及時(shí)有效的維護(hù)處理。

此外，本研究所提出的智能路燈網(wǎng)絡(luò)還具有交通服務(wù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)功能，其中交通服務(wù)則是基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的基礎(chǔ)上，來(lái)提高智能燈桿的定位作用，并結(jié)合超聲波測(cè)速、網(wǎng)絡(luò)攝像頭以及ETC讀卡器等相關(guān)設(shè)備為交通控制中心提供有效的服務(wù)。環(huán)境監(jiān)測(cè)則能夠通過空氣污染檢測(cè)器、噪聲傳感器等的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市空氣質(zhì)量等方面的監(jiān)測(cè)。安防服務(wù)則主要是在燈桿中增加紅外感應(yīng)器以及攝像頭等，實(shí)現(xiàn)對(duì)覆蓋范圍城市安全的有效監(jiān)控，同時(shí)還可通過報(bào)警以及特定目標(biāo)識(shí)別等功能來(lái)提升其作用，更好地服務(wù)于城市安全。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在智慧城市建設(shè)中，通過對(duì)智能路燈網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建設(shè)計(jì)，能夠路燈充分發(fā)揮照明、安防、交通服務(wù)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等作用，為智慧城市提供多項(xiàng)服務(wù)功能，使得城市更加智能化。