俞青松，江中舟，陳 晨

（浙江意博高科技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311100）

0 引言

智慧燈桿基于道路照明分布，可以掛接多種感知、控制、顯示、指示設(shè)備，如監(jiān)控攝像頭、LED顯示屏、5G微基站和無線充電、環(huán)境數(shù)據(jù)感知、運動數(shù)據(jù)感知、道路數(shù)據(jù)感知設(shè)備等，是城市信息基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)質(zhì)載體。

智能控制器用于接入掛接在智慧燈桿上的各種設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備的自動識別、即插即用、數(shù)據(jù)加密、VPN傳輸和策略存儲、策略聯(lián)動、自動運行功能，是智慧燈桿建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備的使用，可以有效降低工程安裝難度，減少技術(shù)人員現(xiàn)場調(diào)試和后期維護運營的工作量，加快工程進度，降低項目綜合成本。

1 設(shè)計需求介紹

控制器安裝在室外道路燈桿桿體內(nèi)，應(yīng)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，工作環(huán)境溫度應(yīng)滿足-40℃~85℃，工作環(huán)境濕度應(yīng)該滿足5%~95%（無凝露），同時還應(yīng)該滿足電磁防護的要求。

控制器需具備多種硬件接口（100/1000M自適應(yīng)網(wǎng)口，RS232/485，USB接口）、無線WIFI/ZigBee連接和多種設(shè)備協(xié)議自適應(yīng)性，可以方便地接入基于智慧燈桿上掛接和道路周邊感知控制的各種設(shè)備，對設(shè)備數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備控制進行離線和在線管理，同時可以對設(shè)備數(shù)據(jù)進行存儲、處理、分析、關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)加密、VPN傳輸。

控制器可以存儲和自動執(zhí)行控制中心下發(fā)的策略，應(yīng)具備完備的日志保存和日志管理功能，對其的設(shè)置、修改、資料刪除等進行完整記錄；對出現(xiàn)的異常死機具備自動恢復(fù)功能，同時具有應(yīng)用程序遠程升級和遠程維護功能。

2 硬件設(shè)計

2.1 核心板設(shè)計選型

產(chǎn)品從可靠性、穩(wěn)定性、性能滿足性方面考慮，采用成熟穩(wěn)定的核心板+自己設(shè)計的擴展底板方案。

核心板型號：HTGY-i.MX8M Mini-CORE，采用高性價比的NXP i.MX8M Mini CPU，主CPU 4×Cortex-A53@1.8GHz，512kB L2，微處理器Cortex-M4 400MHz，GPU GC NanoUltra 3D（1 shader）+GC320 2OpenGL ES 2.0，芯片尺寸14×14mm，工作溫度-40℃~105℃（Tj），同時集成了ROHM電源芯片、DDR4、eMMC存儲器及200PIN工業(yè)連接器。如圖1所示為NXP i.MX8M Mini芯片的系統(tǒng)框圖。

圖1 NXP i.MX8M Mini芯片的系統(tǒng)框圖Figure 1 System block diagram of NXP i.MX8M Mini chip

2.2 控制底板設(shè)計

控制底板設(shè)計主要是滿足外圍設(shè)備接入、顯示要求。主要包括以太網(wǎng)口（RJ45）、液晶顯示接口（MIPI to LVDS）、USB接口、WIFI接口、M2PCIE固態(tài)硬盤接口以及SD卡接口電路。

串口設(shè)計：從核心板引出1路串口用于調(diào)試，引出1路串口通過max232芯片進行電平轉(zhuǎn)換用于RS232通信，引出1路串口通過max485芯片進行電平轉(zhuǎn)換用于RS485通信，引出1路串口做備用；

實時時鐘設(shè)計：采用I2C通信方式，外接時鐘芯片PCF8563及高精度晶振，并使用紐扣電池進行掉電時鐘維持；

WIFI接口設(shè)計：采用SDIO接口，使用LSD5WF-3018模塊，用于實現(xiàn)手機APP和智能控制器的數(shù)據(jù)交互；

USB接口設(shè)計：從核心板上引出1路USB采用microUSB接口用于下載；引出另1路USB通過USB hub芯片GL850A進行USB口擴展，擴展后1路用于4G模塊通信，2路采用USB Type-A接口，用于外部U盤、鼠標、鍵盤等USB設(shè)備接入，保留1路USB做備用；

電源設(shè)計：使用TLV62130 DC/DC芯片、AP3410 DC/DC芯片、ASM1117 LDO芯片等電源轉(zhuǎn)換芯片把輸入的12V電壓轉(zhuǎn)換為5V，3.3V和1.8V等不同的電壓，供不同的電路模塊使用；

SD卡接口設(shè)計，如圖2所示。

圖2 SD卡接口設(shè)計Figure 2 SD card interface design

固態(tài)硬盤接口設(shè)計，如圖3所示。

圖3 固態(tài)硬盤接口Figure 3 SSD interface

整機硬件可靠性設(shè)計，如圖4所示。USB、RS485等接口處加ESD保護芯片；電源輸入采用防反接電路及過流保護；處理器加裝散熱器，保證工作在合適的溫度范圍；選用工業(yè)級芯片；在電路設(shè)計時考慮器件降額設(shè)計。

圖4 硬件可靠性設(shè)計Figure 4 Hardware reliability design

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計原則

（1）設(shè)備自動識別和配置

接入智能控制器的設(shè)備來自不同的廠家，需在使用前進行一定的配置。軟件設(shè)置原則是通過在上位機服務(wù)或本地服務(wù)實現(xiàn)對各廠家設(shè)備的遠程或者本地配置，實現(xiàn)傳感設(shè)備接入即可用的目的。

（2）設(shè)備異常處理機制

由于智能控制器運行環(huán)境復(fù)雜，在系統(tǒng)運行過程中較大概率會出現(xiàn)異常狀況，包括異常斷電、異常斷網(wǎng)以及頻繁斷電。針對以上情況，在設(shè)計中應(yīng)包含異常處理、主板硬件電源部分改造、軟件遠程/本地啟停服務(wù)等應(yīng)對方式。

（3）遠程跨網(wǎng)穿透訪問機制/數(shù)據(jù)安全傳輸

在設(shè)備運維過程中，通過遠程或本地，針對軟件應(yīng)用、設(shè)備升級、組件維護等工作的數(shù)據(jù)分發(fā)；嵌入式實時操作系統(tǒng)、專用通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)通道加密，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸。

（4）負載均衡

隨著智能控制器應(yīng)用數(shù)量的增加，單服務(wù)器應(yīng)用難以滿足低延遲、高負載的業(yè)務(wù)需求，因此將智能控制器服務(wù)器端的工作負載分布到多個服務(wù)器上，以提高上位機服務(wù)的性能和可靠性，提高并發(fā)處理能力。

（5）集成小型化平臺

在配置完成后，能實現(xiàn)本地設(shè)備自管理控制、接入設(shè)備之間的聯(lián)動等功能；在斷網(wǎng)的情況下，也不影響接入設(shè)備的正常運行和控制，在恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)后，自動同步給上位機。

（6）自動化運維

解析接入設(shè)備的協(xié)議，監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)、故障信息，精確定位設(shè)備故障點和故障時間；接入設(shè)備聯(lián)動服務(wù)，如感知數(shù)據(jù)自動投放至大屏。

3.2 軟件功能

如圖5所示為軟件總體框圖及拓撲圖。軟件功能主要包括系統(tǒng)首頁、設(shè)備管理、場景策略管理、設(shè)備運維、系統(tǒng)工具五大模塊。軟件系統(tǒng)以嵌入式開發(fā)方式和固件一同燒錄在智能控制器中，提供給設(shè)備管理人員、運維人員、現(xiàn)場實施人員，使用用戶名和密碼實現(xiàn)遠程和本地登錄訪問和管理。

圖5 軟件總體框圖及拓撲圖Figure 5 Software overall block diagram and topology diagram

（1）系統(tǒng)首頁

登錄后，系統(tǒng)展現(xiàn)首頁信息，除了展示智能控制器當前運行情況、設(shè)備IP地址、MAC地址、當前設(shè)備版本以及系統(tǒng)軟件版本等信息外，還展示智能控制器當前管理的接入設(shè)備。

首頁除信息展現(xiàn)外，包含設(shè)備管理、場景策略管理、報警管理、設(shè)備運維和系統(tǒng)工具五大一級功能菜單。

（2）設(shè)備管理

設(shè)備管理實現(xiàn)對接入的其他感知設(shè)備，主要包括視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、WIFI、積水監(jiān)測、一鍵呼叫、智慧路燈等設(shè)備的管理功能，包括設(shè)備總覽、設(shè)備接入配置、設(shè)備參數(shù)修改等子功能。

設(shè)備總覽以列表方式對接入設(shè)備進行概覽。列表內(nèi)容包括設(shè)備名稱、類型、型號、ID、IP地址（如有）、MAC地址、本地策略（如有）、接入方式、是否正常運行、報警信息等內(nèi)容。列表支持設(shè)備增、刪、改操作功能。

外接設(shè)備接入系統(tǒng)后，硬件設(shè)備實現(xiàn)即插即用，軟件系統(tǒng)識別到系統(tǒng)后，通過接入設(shè)備配置功能在設(shè)備列表中增加設(shè)備、配置參數(shù)和實現(xiàn)設(shè)備總覽。設(shè)備信息被軟件系統(tǒng)讀取后，完成設(shè)備接入動作，并可通過遠程或本地的方式，對接入設(shè)備參數(shù)進行配置。

（3）場景策略管理

場景策略功能包括通用策略、數(shù)據(jù)存儲配置、報警邏輯配置功能。通用策略配置實現(xiàn)本地時序控制策略配置，滿足智能控制器斷網(wǎng)后感知設(shè)備仍然正常運行，并持續(xù)和智能控制器保持數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)存儲配置實現(xiàn)接入設(shè)備數(shù)據(jù)存儲頻次、存儲時長、存儲形式的配置。報警邏輯配置實現(xiàn)各個感知設(shè)備對應(yīng)的業(yè)務(wù)功能預(yù)警的上下閾值、報警次數(shù)記錄和報警通知。

（4）設(shè)備運維

電源控制功能面向設(shè)備維護、管理人員，實現(xiàn)接入設(shè)備的統(tǒng)一電源控制、單路電源控制。該功能通過接入電源控制模塊實現(xiàn)。設(shè)備狀態(tài)功能實現(xiàn)接入設(shè)備運行狀態(tài)實時監(jiān)控，供運維、管理人員人工監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，便于判斷設(shè)備真實情況。

（5）系統(tǒng)工具

系統(tǒng)工具包括系統(tǒng)升級、重啟系統(tǒng)、修改登錄口令、系統(tǒng)日志5個二級功能。系統(tǒng)升級功能實現(xiàn)遠程、本地升級方式?；謴?fù)出廠設(shè)置實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備恢復(fù)到出廠狀態(tài)，將清空所有配置數(shù)據(jù)（支持恢復(fù)前配置數(shù)據(jù)導(dǎo)出）。重啟系統(tǒng)實現(xiàn)遠程、本地操作，系統(tǒng)重啟后會自動連入網(wǎng)絡(luò)。修改登錄口令實現(xiàn)管理員登錄口令修改。系統(tǒng)日志實現(xiàn)系統(tǒng)操作日志查看。

3.3 重點功能設(shè)計

（1）設(shè)備接入流程設(shè)計

在燈桿上掛接的設(shè)備有很多種，同時道路周邊也有很多設(shè)備需要通過接入智能控制器進行數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)反饋和策略控制（如井蓋監(jiān)測設(shè)備、智能垃圾桶），還有基于智能燈控系統(tǒng)的單燈控制器、基于移動設(shè)備的手持控制器、智能手機等設(shè)備的接入。

所有接入設(shè)備按照連接方式可以分為有線連接和無線連接；按照協(xié)議提供方式可以分為具有底層控制協(xié)議（AT命令）和提供SDK包控制方式。為了實現(xiàn)現(xiàn)場掛接設(shè)備的即插即用，需要對設(shè)備進行匹配識別、協(xié)議解析。因此對提供AT命令控制的設(shè)備，協(xié)議解析可以直接做在智能控制器端，而通過SDK包進行協(xié)議解析的設(shè)備，需要通過平臺端進行。

智能控制器接入設(shè)備的主要流程如圖6所示。

圖6 智能控制器接入設(shè)備的主要流程Figure 6 The main process of smart controller access equipment

在智能控制器中，設(shè)備配置表單格式如下：

協(xié)議通過RSA加密后，通過加密通道使用TCP協(xié)議與上位機通訊。

（2）重啟設(shè)備流程

重啟設(shè)備流程如圖7所示。主要用于遠程或本地重啟智能控制器和接入設(shè)備。

圖7 重啟設(shè)備流程Figure 7 Restart device process

（3）設(shè)備配置流程

設(shè)備配置流程圖8所示。設(shè)備配置時，會按照默認設(shè)備進行掃描，并完成接入設(shè)備的自動配置工作。配置工作可以通過遠程或本地完成接入設(shè)備的設(shè)置以及智能控制器本身的北向端口、上位機服務(wù)IP地址配置。

圖8 設(shè)備配置流程Figure 8 Device configuration process

（4）上位機獲取表單配置流程

如圖9所示，配置表單內(nèi)含所有/單個數(shù)據(jù)，包括概覽數(shù)據(jù)（即接入設(shè)備信息、運行參數(shù)、流量信息）、基礎(chǔ)信息中的設(shè)備類型和嵌入式軟件版本、報警閾值（即設(shè)備日流量閾值）、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、LAN參數(shù)。

圖9 上位機獲取表單配置流程Figure 9 Configuration process of the upper computer to obtain the form

（5）上位機升級流程

上位機的升級流程如圖10所示，上位機升級程序?qū)崿F(xiàn)遠程/本地智能控制箱應(yīng)用軟件升級。

圖10 上位機的升級流程Figure 10 Upgrading process of upper computer

（6）嵌入式界面

如圖11所示為設(shè)備列表界面，圖12所示為設(shè)備配置界面。

圖11 設(shè)備列表界面Figure 11 Device list interface

圖12 設(shè)備配置界面Figure 12 Device configuration interface

4 結(jié)語

隨著智慧城市應(yīng)用和新基建需求的快速發(fā)展，基于城市道路點位全面、布局均勻的路燈照明桿體成了天然的智慧城市基礎(chǔ)感知設(shè)備掛載體。本文設(shè)計的智能控制器可以廣泛應(yīng)用于智慧燈桿，為智慧燈桿上掛載設(shè)備快速接入和數(shù)據(jù)便捷傳輸提供了一種有效手段。