董玉德　張昌浩 　丁保勇　劉蒙蒙　權循華　杜慶朋

(1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院, 安徽 合肥 230009; 2.合肥大明節(jié)能科技股份有限公司, 安徽 合肥 230088)

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基于GIS的城市道路數(shù)字化照明系統(tǒng)的設計*

董玉德1張昌浩1丁保勇1劉蒙蒙1權循華2杜慶朋2

(1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院, 安徽 合肥 230009; 2.合肥大明節(jié)能科技股份有限公司, 安徽 合肥 230088)

摘要：為解決城市道路照明終端設備存在的耗電量巨大、管理困難、監(jiān)控方式落后等問題,文中提出了基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的路燈監(jiān)測和控制方案,設計了基于ZigBee網(wǎng)絡和GPRS網(wǎng)絡的照明終端設備通信架構,以實現(xiàn)照明設備運行參數(shù)的自動、實時獲取以及照明設備的節(jié)能策略運行、可視化管理與層次化控制等功能,解決因GPRS網(wǎng)絡異常掉線和延時造成的數(shù)據(jù)丟失、地圖界面加載海量標注緩慢等問題,提高數(shù)據(jù)傳送效率和系統(tǒng)通信的可靠性.在合肥市某區(qū)的測試結果表明:文中提出的方案和架構能夠在萬盞路燈的實際應用中流暢運行,控制響應時間大約為1 s,與傳統(tǒng)的自由控制運行相比節(jié)約了21.44%的電量.

關鍵詞:GPRS網(wǎng)絡;道路照明;網(wǎng)關;ZigBee通信

隨著我國“城鄉(xiāng)一體化”進程的加快,城市發(fā)展規(guī)模不斷擴大,城市居民對城市的基礎建設提出了新的需求,城市道路照明系統(tǒng)也面臨著嚴峻的考驗[1].城市道路照明作為城市重要的基礎設施之一,是城市管理的重要內容,與能源節(jié)約、環(huán)境保護、市民的日常生活緊密相關,同時也體現(xiàn)了一個城市的文化品位和管理水平[2].根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,目前我國每年照明用電量高達4 216億 kWh以上,占總發(fā)電量的13%以上,其中城市照明用電占總發(fā)電量的7%~8%[3].這表明,市政部門注重實施城市照明工作,以提升城市的形象.但同時也暴露出許多問題,主要表現(xiàn)在:我國城市路燈照明多以時鐘控制、光電控制為主,以手動或半自動化的方式對某個區(qū)域的路燈進行集中管理,欠缺控制的層次性;傳統(tǒng)路燈控制器存在著智能化程度低、通訊穩(wěn)定程度差、路面光照度分布不均等問題;隨著城市的擴大,路燈照明工程不斷地向城市外圍擴展,路燈呈現(xiàn)海量離散分布的特點,造成了路燈管理困難，監(jiān)控不夠及時,路燈電纜盜竊事件屢見不鮮,照明設施被人為損壞嚴重.單純依靠傳統(tǒng)的路面巡視,很難及時檢測路燈運行狀態(tài).因此,開發(fā)一種智能管控、節(jié)能處理、高效報警的路燈照明系統(tǒng)具有一定的實際意義.

在現(xiàn)有技術的基礎上,文中提出了基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的路燈監(jiān)測和控制方法,構建智能化的路燈管理平臺:利用單燈控制核心器件(鎮(zhèn)流器)實時采集路燈運行數(shù)據(jù)(電流、電壓、功率等),同時采用STM32F103ZET6微控制器、通用分組無線服務(GPRS)通信模塊[4]、ZigBee中心模塊以及外圍電路構建路燈局部集中管理器件——網(wǎng)關;借助Internet、GPRS和ZigBee構建遠程路燈運行數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡;利用C/S端數(shù)據(jù)處理平臺快速解析、存儲不同網(wǎng)關并發(fā)上傳的路燈運行數(shù)據(jù);采用GIS實現(xiàn)照明設備的可視化監(jiān)測和控制;設計合理的監(jiān)控方案和節(jié)能策略,以實現(xiàn)照明設備運行參數(shù)的自動、實時獲取,并能有效降低能源消耗,減少光污染.

1數(shù)字化照明系統(tǒng)架構

城市道路數(shù)字化照明系統(tǒng)采用“客戶端(B/S端)、服務器(C/S 端)、網(wǎng)關、單燈控制節(jié)點”4層硬件架構,如圖1所示.系統(tǒng)通過ZigBee自組網(wǎng)將離散路燈組網(wǎng)連接到對應的網(wǎng)關[5].網(wǎng)關向下(下行數(shù)據(jù))利用ZigBee網(wǎng)絡通信[6],讀取單燈控制節(jié)點上傳的路燈運行數(shù)據(jù);網(wǎng)關向上(上行數(shù)據(jù))利用GPRS網(wǎng)絡將全部路燈信息按照系統(tǒng)協(xié)議格式上傳至C/S端,C/S端通信軟件將接收到的數(shù)據(jù)解析并分類存儲到數(shù)據(jù)庫,供客戶端海量加載實時瀏覽.

圖1　系統(tǒng)架構Fig.1　System architecture

(1)B/S端采用圖形化的設計理念,在 Web軟件中借助JqueryEasyUI前端框架、Ajax異步交互技術和百度電子地圖API創(chuàng)建人機操作平臺,將數(shù)據(jù)庫中的海量信息快速響應到客戶端瀏覽器,實現(xiàn)對路燈運行狀態(tài)的可視化監(jiān)控[7].另外,采用模塊化的設計方式實現(xiàn)構建設備檔案、維護管理、統(tǒng)計分析等功能.

(2)C/S端包含通信軟件、數(shù)據(jù)庫、B/S端程序,其中通信軟件是連接服務器與遠程網(wǎng)關的樞紐,負責數(shù)據(jù)的解析、存儲和全部指令的下發(fā).數(shù)據(jù)庫是通信數(shù)據(jù)的交換中心和存儲中心,主要表現(xiàn)在兩方面:①B/S 端下行數(shù)據(jù)先存入數(shù)據(jù)庫指定位置,并由通信軟件根據(jù)系統(tǒng)協(xié)議格式打包下發(fā)到對應的網(wǎng)關;②網(wǎng)關上行數(shù)據(jù)由通信軟件解析后首先存入數(shù)據(jù)庫,并由B/S端定時加載到實時監(jiān)控界面供用戶瀏覽.B/S端程序是客戶端訪問系統(tǒng)的根源,其利用IIS平臺將申請備案的域名與IP綁定,發(fā)布到公網(wǎng)供用戶實時訪問.

(3)網(wǎng)關主要由STM32控制模塊、GPRS通信模塊、ZigBee中心模塊等組成,其架構如圖2所示[8].STM32控制模塊通過控制ZigBee中心模塊,定時向同一ZigBee頻點的單燈控制節(jié)點遍歷查詢實時運行信息(電壓、電流、功率、運行狀態(tài)等),同時將查詢到的信息通過串口傳輸給GPRS通信模塊,并通過GPRS網(wǎng)絡上傳至服務器.

圖2　網(wǎng)關架構[8]Fig.2　Gateway architecture

(4)單燈控制節(jié)點由ZigBee子模塊和數(shù)字化鎮(zhèn)流器組成.ZigBee子模塊主要負責與網(wǎng)關的無線數(shù)據(jù)傳輸[9-10];鎮(zhèn)流器是單個路燈的控制中心,控制路燈以穩(wěn)定的功率運行,實時檢測路燈的運行狀態(tài),有效防止因線路電壓變化使路燈亮度改變、影響行人視線而造成事故的發(fā)生.鎮(zhèn)流器采用的是有源式功率因數(shù)校正(PFC)技術,將變換器串接在整流濾波電路和直流斬波器(DC/DC變換器)之間,通過PIC芯片控制來改善輸入電流的波形,實現(xiàn)功率因數(shù)的校正.

2通信模型數(shù)字化

2.1　模型架構

系統(tǒng)中的路燈離散分布在城市的各個街道,單個路燈在系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小,而整個城市的路燈網(wǎng)絡在系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相當巨大.從通信效率和管理成本兩方面考慮,文中系統(tǒng)采用兼顧ZigBee網(wǎng)絡、GPRS網(wǎng)絡、Internet的通信網(wǎng)絡架構,如圖3所示.本系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡將離散單燈組網(wǎng)連接到附近的網(wǎng)關,使網(wǎng)關能短距離、高頻率地采集單燈的運行數(shù)據(jù),提高通信效率;網(wǎng)關通過GPRS網(wǎng)絡將采集到的單燈運行數(shù)據(jù)遠距離傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,從而實現(xiàn)路燈運行數(shù)據(jù)的遠距離無線傳輸,降低通信成本.C/S端的通信軟件是連接網(wǎng)關和數(shù)據(jù)庫的中樞,負責全部數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送、分析、統(tǒng)計、存儲等功能,同時對異常設備進行分類處理,發(fā)送報警短信和報警郵件.

圖3　通信網(wǎng)絡架構Fig.3　Communication network architecture

根據(jù)控制的實時性需求,通信軟件與網(wǎng)關采用長連接方式,并利用定時發(fā)送“心跳幀”的方法,解決了長時間連接被移動網(wǎng)絡中斷的問題.系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)完全按照系統(tǒng)協(xié)議格式,經過BCC校驗[11]被打包成通信協(xié)議幀.在通信過程中為保證數(shù)據(jù)安全,數(shù)據(jù)幀被加密成ASCII碼的形式進行發(fā)送,以增加通信的可靠性.系統(tǒng)指令的發(fā)送與應答模型如圖4所示.

圖4　指令的發(fā)送與應答模型Fig.4　Model of instruction delivery and response

2.2　通信協(xié)議格式

為了保證系統(tǒng)處理信息流的高效性和準確性,文中設計了規(guī)范的通信協(xié)議,其格式如圖5所示.

圖5　通信協(xié)議格式Fig.5　Format of communication protocol

(1)幀起始符:0x02,標識數(shù)據(jù)幀的開端.

(2)地址域:通信指令的發(fā)送地址(網(wǎng)關編號),根據(jù)網(wǎng)關所在區(qū)的電話區(qū)號和網(wǎng)關編號定義而成.

(3)控制碼:控制碼由兩個字節(jié)組成,其包含的信息有傳輸方向、異常標志和指令編號.每一位數(shù)據(jù)代表的信息如下:①D0-D5為指令類型,代表不同的控制指令,如“000100”和“000101”分別表示“調光控制”和“開關燈控制”指令;②D6=0表示從站正確應答,D6=1表示從站異常應答(指令錯誤,響應異常等);③D7=0表示由主站(服務器)發(fā)出的命令幀,D7=1表示由從站(網(wǎng)關或手持設備)發(fā)出的應答幀.

(4)數(shù)據(jù)域長度:表示在數(shù)據(jù)幀中照明設備運行信息所占的字節(jié)數(shù),有助于數(shù)據(jù)的解析.

(5)數(shù)據(jù)域:照明設備的運行信息,如電流、電壓、功率、路燈運行時間等.

(6)校驗碼:BCC異或值,用于判斷當前指令的準確性.

(7)幀結束符:0x03,標識數(shù)據(jù)幀的結束.

2.3　通信架構關鍵技術

2.3.1數(shù)據(jù)讀取

網(wǎng)關并發(fā)上傳的運行數(shù)據(jù)經過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)絊ocket緩沖區(qū),觸發(fā)通信軟件讀出當前存入的全部數(shù)據(jù).由于網(wǎng)關上傳每幀數(shù)據(jù)的時間間隔較短,再加上GPRS網(wǎng)絡傳輸過程中的網(wǎng)絡延時,造成通信軟件讀取粘合在一起的多幀數(shù)據(jù).為使系統(tǒng)準確地解析出數(shù)據(jù)包中的全部信息,需要先將粘合在一起的數(shù)據(jù)幀拆解成單個數(shù)據(jù)幀,然后分別判斷并返回相應的應答幀.解析數(shù)據(jù)包流程如圖6所示.

圖6　解析數(shù)據(jù)包流程圖Fig.6　Flowchart of analying data packet

2.3.2層次化控制

城市道路數(shù)字化照明系統(tǒng)對路燈控制層次分明,包括系統(tǒng)控制、道路控制、網(wǎng)關控制、回路控制、

主/輔道控制、投光燈控制、單燈控制7個控制范圍.具體實現(xiàn)方法如下:采用SQLServer2008數(shù)據(jù)庫建立實際路燈的屬性表格,并將屬性表格關聯(lián)成視圖[12].數(shù)據(jù)庫架構與層次化控制示意圖如圖7所示.用戶在系統(tǒng)的B/S端添加路燈時,對應的單燈會被賦予嚴格的邏輯屬性,如某某路-某某網(wǎng)關-回路號-主/輔/投屬性-ZigBee編號.這些信息將保存到數(shù)據(jù)庫作為該路燈的唯一記錄,同時通信軟件將這些屬性信息下載到對應網(wǎng)關.這樣控制指令只需網(wǎng)關編號和ZigBee編號便可實現(xiàn)網(wǎng)關、回路、主/輔道、投光燈、單燈5個范圍的控制.而對于系統(tǒng)、道路兩個范圍的控制,通信軟件根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的邏輯記錄將其解析到對應的網(wǎng)關，再定向發(fā)送控制指令.

2.3.3多線程響應

系統(tǒng)采用B/S和C/S混合架構模型[13],增加了用戶使用的靈活性,同時也增加了多客戶端同一時間操作的可能性.為保證系統(tǒng)能夠及時響應所有客戶端的控制請求,通信軟件采用多線程技術對常用控制指令分別進行實時監(jiān)控,實現(xiàn)了信息流的并發(fā)處理,提高了系統(tǒng)對多客戶端同一時間請求的響應速度.多線程模型如圖8所示.

圖7　數(shù)據(jù)庫架構與層次化控制示意圖Fig.7　Schematic diagram of database architecture and hierarchical control

根據(jù)城市路燈實際照明特點,系統(tǒng)將承受在較短時間內接收全部網(wǎng)關并發(fā)數(shù)據(jù)的壓力,如傍晚開燈時刻.為防止數(shù)據(jù)并發(fā)上傳時出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象,系統(tǒng)采用TCP/IP通信協(xié)議,同時通信軟件借助服務器內存優(yōu)勢,將并發(fā)上傳的數(shù)據(jù)首先暫存到緩沖器a/b中,并開設線程1對兩個緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行交替解析、存儲.該方法充分利用了服務器的內存資源,有效地防止系統(tǒng)解析數(shù)據(jù)過于繁忙時出現(xiàn)“假死”現(xiàn)象.

圖8　多線程模型Fig.8　Multi-threaded model

2.3.4異常掉線

網(wǎng)關在GPRS中異常掉線和網(wǎng)關的快速重新連接導致同一個網(wǎng)關與通信軟件建立重復連接的假象,快速找出異常連接,釋放分配的內存資源,可有效提高通信軟件的運行性能.系統(tǒng)采用“即連即查,立判立斷”的方法,即利用網(wǎng)關與通信軟件建立連接時立刻查詢網(wǎng)關地址的方法.當通信軟件接收到網(wǎng)關上傳的網(wǎng)關地址,首先與已有網(wǎng)關地址進行比較,判斷是否重復.若已有該網(wǎng)關地址連接,則通信軟件將其強制斷開,釋放內存資源,并將網(wǎng)關地址賦給新的連接.

2.3.5傳送速率與可靠性分析

文中借助ZigBee網(wǎng)絡、GPRS網(wǎng)絡和Internet構建了整個系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡,為提高數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中的傳送速率和可靠性,系統(tǒng)采用兩種連接方法:①采用專線接入點名稱(APN)傳輸方式,即通過一條2 Mb/s專線接入移動公司的GPRS網(wǎng)絡,使網(wǎng)關(SIM卡)與服務器端路由器之間采用私有IP建立廣域連接;②將服務器托管到專業(yè)機房,利用專業(yè)機房的高速光纖網(wǎng)絡連接和在全國分布的網(wǎng)絡節(jié)點,有效保證了照明系統(tǒng)網(wǎng)站能被快速訪問.

2.3.6節(jié)能策略運行

城市道路照明需求具有比較靈活的特點,例如深夜道路行人變少時,降功率運行或關閉輔道路燈;受陰雨天影響,提前開燈;為了配合在半夜時對某路段的路燈進行緊急搶修,需要人為關閉某段路燈;黎明關燈前1 h為滿足清潔工需求,滿功率運行等.為符合以上照明特點和智能控制,系統(tǒng)采用接觸器策略和單燈策略并存的方法,即通過對整個系統(tǒng)的單燈設定運行策略,如開燈后滿功率運行時間、夜間降功率運行、深夜關閉輔道燈等策略.最終在提供優(yōu)質照明管理服務的條件下實現(xiàn)能源節(jié)約,減少光污染,其設置方法如圖9所示.用戶也可以對路燈每天的運行方式分別設定,最終形成日方案、周方案、月方案.通信軟件將用戶執(zhí)行的方案分別下載到對應的網(wǎng)關,由網(wǎng)關每天定時將路燈運行方式廣播給單燈控制節(jié)點[14].

圖9　策略設置Fig.9　Policy configuration

2.3.7標注信息海量加載

將表示照明終端設備的圖形標注加載到地圖界面,是系統(tǒng)可視化管理的基礎,它不僅能夠提高管理效率,而且能夠對照明設備的地理位置和運行狀態(tài)進行可視化的監(jiān)控.文中通過對照明設備的數(shù)量和參數(shù)特征進行分析,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中需要監(jiān)控單個路燈的運行信息不多,但單燈數(shù)量巨大;而網(wǎng)關數(shù)量較少,但需要監(jiān)控網(wǎng)關大量的運行信息.如果單純地采用普通標注Marker類,當路燈標注超過500盞時,將不能流暢加載照明設備圖標.因此,系統(tǒng)在地圖界面中采用Marker類定義網(wǎng)關設備,采用PointCollection類定義路燈設備,并通過配置其對象屬性確定網(wǎng)關和單燈圖標的大小、顏色等[15],供用戶快速查詢和識別.

系統(tǒng)通過照明設備的ID標識(添加照明設備時唯一分配的)建立圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系,從而實現(xiàn)圖形和屬性間的相互查詢.系統(tǒng)加載標注流程如圖10所示,在頁面初始化時向百度電子地圖服務器發(fā)出地圖加載申請,同時從數(shù)據(jù)庫中讀取照明設備參數(shù)信息,繪制照明設備圖形并加載到地圖上.從圖中可以看出，界面共加載了14 041盞路燈標注.

圖10　加載標注流程Fig.10　Process of loading marker

3實驗及結果分析

系統(tǒng)中每個指令的完整傳輸都包括下行(發(fā)送)和上行(應答)兩個過程.當在B/S端的實時監(jiān)控界面點擊控制按鍵時,系統(tǒng)同時向數(shù)據(jù)庫寫入一條包含網(wǎng)關地址和控制類型的指令.C/S端檢測到該控制指令后將其按通信協(xié)議格式打包發(fā)送到指定網(wǎng)關,由網(wǎng)關控制對應的單燈;相反,以單燈為起點的應答幀,以同樣的路徑反向傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫,供實時監(jiān)控界面加載瀏覽.為了驗證指令傳輸?shù)臅r間,文中以網(wǎng)關地址為0551010006下的0018單燈為例對其進行查詢數(shù)據(jù)控制.往返數(shù)據(jù)如下:

(1)2015- 08-19T22:46:56(查詢數(shù)據(jù)控制):0205510100060608B00000187103;

(2)2015- 08-19T22:46:57(應答幀):020551010006862AB00000180005212101040218098840263A0802EAC50A03.

從發(fā)送數(shù)據(jù)查詢指令到返回應答數(shù)據(jù)大約花費1 s的時間,完全滿足路燈控制的實時性要求.

城市數(shù)字化照明系統(tǒng)中的策略控制是有效的節(jié)能措施.它在滿足照明需求的前提下合理地控制路燈的降功率運行,最終實現(xiàn)能源的節(jié)約和環(huán)境的保護(減少光污染).文中以合肥市某區(qū)的1 066盞250 W路燈為實驗對象,分別在照明系統(tǒng)的節(jié)能策略控制和手動控制下運行24 d,各自運行相同的時間,每天的用電量如表1所示.從表中可以看出,24 d中自由運行條件下的用電量為78 397 kWh,在照明系統(tǒng)節(jié)能策略控制下的用電量為61 590 kWh,節(jié)省了大約21.44%的電量.

表1照明系統(tǒng)節(jié)能控制和自由運行條件下的用電量對比

Table 1Comparison of power consumption under the condition of energy saving control and free running of lighting system

時間用電量/kWh節(jié)能控制自由運行時間用電量/kWh 節(jié)能控制自由運行第1天26703379第13天25803257第2天26403385第14天25503246第3天26703379第15天25803238第4天26403353第16天24303230第5天26403345第17天25503219第6天25803331第18天24903214第7天25803297第19天25803206第8天24903297第20天25503198第9天26403278第21天25503190第10天25803318第22天24603179第11天26403265第23天25503171第12天24903259第24天24603163

4結論

基于GIS技術、多線程技術、ZigBee通信技術和GPRS無線技術的城市道路數(shù)字化智能照明系統(tǒng)實現(xiàn)了對城市路燈的“單燈單控”、節(jié)能策略運行、可視化管理、異常報警等功能,讓整個系統(tǒng)的全部路燈盡收眼底,運行狀態(tài)一目了然,極大地提高了路燈管理效率,節(jié)約能源.該系統(tǒng)在合肥某科技有限公司得到了成功推廣使用,為未來設備的組網(wǎng)管理、物聯(lián)網(wǎng)技術的應用提供了一個例程.在互聯(lián)網(wǎng)廣泛普及的浪潮下,離散化設備的組網(wǎng)管理,能夠節(jié)省大量的資源,使資源得到有效的利用,為生產設備的售后集中服務、設備的集中管理和維護提供了可能性.

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Design of GIS-Based Digital Lighting System for City Road

DONGYu-de1ZHANGChang-hao1DINGBao-yong1LIUMeng-meng1QUANXun-hua2DUQing-peng2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, China;

2. Hefei Fitbright Energy Saving Technology Co., Ltd., Hefei 230088, Anhui, China)

Abstract:Traditional city road lighting system has shortcomings such as a large quantity of energy waste, difficulty in making regulation work and out-dated control method. In order to overcome these shortcomings, a monitoring and control scheme for street lamps on the basis of the geographic information system (GIS) is proposed, and a communication architecture between lighting terminal equipment is designed on the basis of ZigBee and GPRS networks, so as to automatically acquire the operating parameters of lighting equipment in real-time, implement the energy-saving strategy and realize visual management and hierarchical control. Thus, such problems as data loss caused by the abort or delay of GPRS networks and the slow massive marker loading of map interface, can be solved, and both data transmission efficiency and reliability of system communication can be improved. Test results in an area of Hefei show that the proposed scheme and architecture can operate about 10 000 street lamps smoothly with a response time of only about 1 s, and they can save electric energy by 21.44% in comparison with traditional free control.

Key words:GPRS network; street lighting; gateway; ZigBee communication

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.01.008

中圖分類號：TP393

作者簡介：董玉德(1966-),男,博士后,教授,主要從事管理信息系統(tǒng)、面向個體的軟件工程研究.E-mail：dydjiaoshou@126.com

*基金項目：國家自然科學基金資助項目(51275145)

收稿日期：2015-04-24

Foundation item： Supported by the National Natural Science Foundation of China(51275145)