摘 要： 傳統(tǒng)的路燈管理和維護采用人工巡查的方式，效率低下，費時費力。城市智能路燈控制系統(tǒng)借助無線傳感器和GPRS，實現(xiàn)對路燈實時控制和檢測。系統(tǒng)采用C/S結構，以PC為客戶端，通過GPRS無線通信方式接入服務器終端，實現(xiàn)基站與客戶終端的連接。PC客戶端通過處理數(shù)據(jù)來提醒用戶基站存在的異常和手動控制基站。實驗測試表明，系統(tǒng)運行正確，穩(wěn)定可靠。
關鍵詞： 智能路燈；基站；服務器；PC終端；GPRS
0 引言
城市路燈系統(tǒng)是現(xiàn)代城市建設中重要的組成部分，它服務于交通安全和人們的出行、休閑及生活，美化了城市容貌。目前，國內大多數(shù)城市的路燈控制系統(tǒng)采用“全夜燈恒照度”的模式，其能源利用率低、資源浪費大。路燈分布在城市道路的每個角落，自然或者人為的損壞時常發(fā)生，由于其分布廣泛，給路燈的管理、維護工作帶來極大的困難。路燈管理部門多采用上路巡查的辦法來發(fā)現(xiàn)故障、排除故障，不僅反應遲緩，且費時費力費錢，很難滿足高“亮燈率”的管理要求，也遠遠落后于現(xiàn)代化道路照明的需要[1-3]。
本文設計的智能路燈控制系統(tǒng)將無線傳感網絡與現(xiàn)有移動通信網絡相結合，整個智能路燈控制系統(tǒng)由無線傳感網絡（WSN）、移動通信網絡、服務器、計算機控制中心等部分組成。無線傳感器網絡負責路燈運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集和路燈的亮度控制，而移動通信網絡將相關數(shù)據(jù)在基站和網絡服務器間傳輸[4-5]。計算機控制中心監(jiān)控全部路燈的運行，對整個區(qū)域的光能進行合理優(yōu)化，以減少電能消耗。
1 智能路燈控制系統(tǒng)總體設計
基于WSN的智能路燈控制系統(tǒng)由路燈控制節(jié)點、路燈協(xié)調器、遠程終端控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)各部分連接圖如圖1所示。
路燈控制節(jié)點安裝在每個路燈上，其與路燈協(xié)調器通過無線傳輸方式連接，多個路燈協(xié)調器及其所管轄的路燈控制節(jié)點組成了整個無線傳感器網絡（WSN）。整個智能路燈控制系統(tǒng)通過部署在無線網絡節(jié)點上的傳感器采集路燈運行過程中的光照強度、周圍溫度等狀態(tài)信息，并通過nRF905芯片的無線傳輸方式將路燈運行狀態(tài)信息傳送至路燈協(xié)調器，路燈協(xié)調器負責對信息進行分類、計算、轉化等初步分析。路燈協(xié)調器與GPRS模塊直接相連，經GPRS網絡將路燈運行狀態(tài)信息儲存至網絡服務器。遠程終端控制系統(tǒng)的操作人員只需登錄Internet運行路燈控制程序即可了解路燈運行過程中的相關信息，同時將對路燈進行相關操作的控制信息發(fā)送到無線網絡節(jié)點，進而控制運行中的每一盞路燈。
1.1 GPRS通信方式
GPRS是基于GSM的移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務，在現(xiàn)有GSM網絡基礎上疊加的一個新網絡，可為用戶提供端到端的、廣域無線IP連接。GPRS是一項無線高速數(shù)據(jù)傳輸技術，以分組交換技術為基礎，用戶通過GPRS可在移動狀態(tài)下使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務。
本系統(tǒng)采用GPRS無線通信方式。各個無線傳感網絡節(jié)點處采集的信息通過無線方式（nRF905芯片）傳輸?shù)铰窡魠f(xié)調器，在路燈協(xié)調器的微處理器中進行分析、計算、轉化等信息處理，處理后的信息傳送至GPRS模塊等待發(fā)送出去，并利用GPRS網絡將處理后的信息傳輸至網絡服務器并存儲，其過程如圖2所示。
1.2 路燈控制節(jié)點
路燈控制節(jié)點是系統(tǒng)重要組成部分，安裝在每個路燈上，其不僅能接受來自控制中心的命令對該節(jié)點路燈進行控制和檢測，還能通過溫度和光傳感組成的傳感器電路采集外界自然環(huán)境狀態(tài)信息，經STC52（MCU）處理傳感器電路采集的信息，進而由自適應調光電路實現(xiàn)路燈的自動控制。其結構框圖如圖3所示。
2 軟件設計
該智能路燈控制系統(tǒng)以PC為客戶端，在軟件開發(fā)中使用Net Framework 4.0搭建應用開發(fā)環(huán)境進行系統(tǒng)開發(fā)，使用VS2010和C#語言開發(fā)應用程序，其框架圖如圖4所示，主要包含PC服務終端模塊和PC客戶端模塊兩個部分。
PC服務終端模塊主要功能是為基站和客戶終端建立聯(lián)系，以及提供一些能夠自動處理的功能。它包含數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)處理兩個模塊，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊負責數(shù)據(jù)的網絡傳輸和識別；數(shù)據(jù)處理模塊處理終端的數(shù)據(jù)請求和邏輯請求，對遠程基站進行控制，這些控制信息將由用戶界面交互得到，同時還具備數(shù)據(jù)異常處理功能。
PC客戶端的主要功能有數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理和界面交互。其中數(shù)據(jù)處理是終端的核心，用戶通過界面交互了解到基站的相關信息，從而手動控制基站。此外，終端軟件本身具備通過數(shù)據(jù)處理來提醒用戶基站存在的異常（比如路燈損壞等）的功能。
2.1 PC服務終端軟件設計
PC服務終端的基本原理是：建立一個專用的接收連接主服務，在接收到連接后建立一個專用的處理數(shù)據(jù)邏輯的數(shù)據(jù)處理服務，這個處理服務將接收和處理來自客戶終端的獲取和控制請求[6]。該部分的實現(xiàn)主要由以下函數(shù)構成：
public void Run（）//處理客戶端請求
public Socket Accept（）//建立數(shù)據(jù)服務功能
On Start Server（）//提供開關服務器服務接口
流程圖如圖5所示。
主要工作流程如下：
（1）服務端程序啟動，并開啟數(shù)據(jù)監(jiān)聽程序。系統(tǒng)采用TCP協(xié)議進行網絡數(shù)據(jù)傳輸，所以對運行監(jiān)聽程序的服務器要求有對外獨立的可供訪問的IP地址，本系統(tǒng)的對外IP是210.40.16.55，開放端口為7777。由于監(jiān)聽程序將處于一直循環(huán)監(jiān)聽狀態(tài)，如果該監(jiān)聽程序在界面UI線程中運行，將會導致UI反應遲鈍，故將監(jiān)聽程序放到一個新的線程中運行。
（2）當監(jiān)聽程序接收到連接后，為改連接開啟一個數(shù)據(jù)處理服務。連接來源有三種：基站、PC客戶端以及手機終端。之后建立一個數(shù)據(jù)處理服務程序，并將其放到一個新的線程中去運行。
（3）在數(shù)據(jù)處理服務開啟后，它將一直處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，并預處理數(shù)據(jù)接收，直到數(shù)據(jù)接收完畢。該部分的功能主要是數(shù)據(jù)接收功能。本文制定的網絡傳輸協(xié)議包括基站與服務端的協(xié)議、PC客戶終端與服務器的網絡協(xié)議、手機客戶終端與服務器的網絡協(xié)議。
（4）將接收到的數(shù)據(jù)轉換成系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉換器，數(shù)據(jù)轉換器保存需有數(shù)據(jù)的類型以及真正需要交互的數(shù)據(jù)。
（5）根據(jù)轉換器得到處理類型，不同處理類型作相應的處理并發(fā)回客戶終端。如果發(fā)送成功，程序將繼續(xù)回到步驟（3），如果發(fā)送過程出現(xiàn)異常或連接斷開等情況時，數(shù)據(jù)處理接聽程序將結束。
2.2 PC客戶端軟件設計
PC客戶端的工作原理是：建立一個數(shù)據(jù)處理監(jiān)聽程序不停地監(jiān)聽由界面交互產生的數(shù)據(jù)處理命令，并根據(jù)處理命令與服務器進行交互，提交相應的命令和控制[7-8]。該部分的實現(xiàn)主要由以下函數(shù)構成：
Private void Window_Loaded（object sender，RoutedEventArgs e）//初始化UI界面
Private void btn_Click（object sender，Routed Event Args e）
//建立界面與服務器交互
Void Timer_Elapsed（object sender，System.Timers.Elapsed Event Args e）//定時向服務請求更新數(shù)據(jù)
Void run（）//與終端保持數(shù)據(jù)接收，處理數(shù)據(jù)請求
Void command（string cmd，object data）
//命令組織發(fā)送接口
Void CloseAll（bool isturnon）//控制所有燈泡信息開關
主要工作流程為：
（1）程序開啟，連接服務器。通過固定的服務器IP：210.40.16.55，端口7777連接到遠程服務器。
（2）連接成功，建立數(shù)據(jù)處理程序，與服務器進行交互，定時系統(tǒng)開啟。其中包括數(shù)據(jù)的接收預處理、數(shù)據(jù)處理程序開啟、定時命令提交系統(tǒng)三個部分。數(shù)據(jù)網絡傳輸是基于TCP協(xié)議，通過預處理可以得到數(shù)據(jù)轉換器。定時命令提交系統(tǒng)中會定時向系統(tǒng)服務器提交由交互界面產生的控制命令。
（3）響應或提交處理命令。該部分是客戶終端的核心部分，針對不同的數(shù)據(jù)處理請求相應的操作。用戶界面交互產生對服務器的控制信息，控制信息發(fā)送給服務器并得到響應后獲取到SET請求，再解析數(shù)據(jù)轉換器中基站信息，檢查基站更新數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)異常信息，界面交互提醒用戶，最后更新到本地數(shù)據(jù)緩存，界面刷新，從而達到同步顯示的目的。用戶可以根據(jù)同步顯示的信息或系統(tǒng)提醒的異常信息向客戶終端提交相應的用戶處理請求，這些請求最終轉換成基站信息，然后通過CONTROL請求發(fā)送給服務器，從而實現(xiàn)客戶終端對遠程基站的實時監(jiān)控與控制。PC客戶端程序流程圖如圖6所示。
3 系統(tǒng)測試
（1）服務端運行結果
服務端運行結果如圖7所示。從圖7中可以看到整個連接的過程：
①啟動服務器程序；
②服務端程序接收到PC終端連接；
③服務端程序接收到基站連接。
接下來服務端程序就可以處理PC終端請求并發(fā)回基站。
（2）PC終端運行測試結果
當路燈運行故障時，PC客戶端錯誤消息窗口給出錯誤提醒，如圖8所示。從圖8可以看到，3號燈出現(xiàn)故障，系統(tǒng)初步判定是光敏電阻出現(xiàn)異常。
圖9顯示了PC客戶端工作的界面，系統(tǒng)建立連接并可以正常進行數(shù)據(jù)通信。路燈控制節(jié)點接收來自控制中心的命令對該節(jié)點路燈進行控制和檢測。如圖9所示，當1、2號節(jié)點亮度不足時，終端發(fā)出指令調節(jié)1、2號節(jié)點的亮度，直至達到所需亮度。另外，可以很直觀地看到3號燈出現(xiàn)故障并報警，同時系統(tǒng)初步判定是光敏電阻處出現(xiàn)異常。
4 結論
本文設計的城市智能路燈控制系統(tǒng)將無線傳感器技術與GPRS無線通信技術相結合，由無數(shù)個路燈節(jié)點、多個中心節(jié)點（基站）、服務器和手機/PC客戶端組成。各個部分通過通信介質傳達控制命令，實現(xiàn)遠程控制路燈。經實驗測試，本系統(tǒng)不僅可以對故障路燈進行遠程監(jiān)控和定位，還可以通過移動或PC終端實現(xiàn)對路燈亮度的調節(jié)，大大提高了路燈管理水平和服務質量，實現(xiàn)了合理照明、美化照明及安全照明的理念。
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