智慧城市中智能路燈網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

吳權(quán)暉+林啟英

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

關(guān)鍵詞：智慧城市；智能路燈；設(shè)計

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“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)測等。為此，加強智能路燈網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)在推動智慧城市發(fā)展中具有非常重要的作用[1]。本研究擬結(jié)合6LoWPAN技術(shù)對智能路燈網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計。

1 智能路燈的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通過6LoWPAN技術(shù)的運用，可從根本上實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)感知延伸層傳感器節(jié)點的有效接入，從而更好地實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的有效接入，并能夠因此實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)末梢節(jié)點IP化的有效實現(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)仍然是以當前最主流的協(xié)議IPv4為依托，并基于此逐漸向IPv6實現(xiàn)有效過渡。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來進行網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計可將智能路燈網(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6LoWPAN技術(shù)進行運用，基于路由器來組建網(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)點以及各種類型的感知節(jié)點而構(gòu)建起來的一個數(shù)量較為龐大的網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用層則主要運用的云架構(gòu)技術(shù)，能夠通過服務(wù)器群模式來實現(xiàn)系統(tǒng)對各種服務(wù)功能的有效執(zhí)行，針對不同的感知層節(jié)點功能和服務(wù)系統(tǒng)功能，其能夠進行相應(yīng)的分類，部分還可進行復用，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)的傳感器包括計數(shù)器、攝像頭、ETC讀卡器等；空氣污染檢測器、噪聲污染檢測器以及煙霧感應(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，即可促使互聯(lián)網(wǎng)與智能路燈網(wǎng)絡(luò)進行有效連接，從而更好地推動智慧城市的建設(shè)。

2 智能路燈的硬件設(shè)計

2.1 6LoWPAN普通路由器

通過操作系統(tǒng)來實現(xiàn)6LoWPAN協(xié)議棧需要的支持，結(jié)合6LoWPAN的特點，我們在設(shè)計中主要運用了Contiki操作系統(tǒng)進行6LoWPAN普通路由器的實現(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勁，并且內(nèi)部的資源非常豐富，可有效實現(xiàn)對Contiki的支持。

2.2 6LoWPAN節(jié)點設(shè)計

為了能夠更好地實現(xiàn)對6LoWPAN的有效擴展，在對其硬件進行設(shè)計時，應(yīng)當將其模式進行統(tǒng)一，簡單來說，即為插入式+底板模塊的處理方式。在設(shè)計中，將所有接插件之間的間 距確定為標準的2.54 mm，其能夠用于對傳感模塊、無線通信模塊等多個模塊進行有效連接。例如：運用LX1970芯片來作為照度傳感器，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；運用CX20106a芯片的接收模塊來作為超聲波；電源模塊則主要為多路輸出模塊，其能夠?qū)崿F(xiàn)對各個節(jié)點的有效供電；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行視頻識別、遠程監(jiān)控以及探測報警等作用。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，選取了較高性價比的網(wǎng)絡(luò)攝像頭。在對視頻進行傳輸?shù)倪^程中，因其對帶寬的要求非常高，為了能夠更好地提升其穩(wěn)定性，我們在研究中將路燈桿的AP專門設(shè)置為了無線網(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的邊界路由器來進行互聯(lián)網(wǎng)的連接，同時還可經(jīng)過4G移動網(wǎng)絡(luò)或者PON網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的連接。各種照片的信息可由網(wǎng)絡(luò)攝像機進行獲取，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)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)。因各種多媒體設(shè)備其不僅成本較高，同時對供電的需求也相對較高，為此，目前并不建議對每個路燈桿進行相關(guān)設(shè)備的配置，而是在道路相對較為重要的位置進行配置，并進行6LoWPAN路由器的安置。終端用戶則能夠通過PC或者手機端來實現(xiàn)對視頻的訪問，并可經(jīng)由遠程控制的方式來實現(xiàn)對攝像機焦距、視頻探頭云臺等設(shè)備參數(shù)進行控制和調(diào)整。視頻探測則是在硬件的基礎(chǔ)上，通過識別算法來實現(xiàn)，能夠?qū)Σ煌瑘鼍暗囊曨l數(shù)據(jù)進行分析和展現(xiàn)，從而深度挖掘視頻數(shù)據(jù)，例如：經(jīng)由人臉識別算法來實現(xiàn)對人員目標的追蹤，基于車牌識別算法而進行車輛記錄和車流量的統(tǒng)計。

2.3 6LoWPAN邊界路由器

為了能夠更好地實現(xiàn)對6LoWPAN節(jié)點互聯(lián)網(wǎng)的直接訪問，就必然需要一個協(xié)議來實現(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6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的建立，并實現(xiàn)對無線mesh網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的有效維護，同時還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)發(fā)等。為了能夠更好地實現(xiàn)對開發(fā)復雜程度的控制，本研究在對智能路燈網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，主要是將CC2538作為主控單元。此外，其硬件還包括了隨機存儲器單元、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

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，同時其對軟件設(shè)計也有著較高的要求，我們在對軟件整體設(shè)計中，主要是基于Contiki操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。在軟件整個架構(gòu)中，硬件系統(tǒng)屬于最底層，中間層則主要為驅(qū)動程序，其主要用于實現(xiàn)與硬件設(shè)備的相互連接，以便上層軟件進行有效調(diào)用，操作系統(tǒng)內(nèi)核可有效實現(xiàn)對管理系統(tǒng)任務(wù)的運用，并能夠結(jié)合系統(tǒng)事件來實現(xiàn)對各項任務(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)上來實現(xiàn)對各種傳感節(jié)點以及應(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

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

3.3 應(yīng)用層設(shè)計

在智慧城市面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（Service-Oriented Architecture，SOA）標準中，智能路燈網(wǎng)絡(luò)的合理運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)來對相應(yīng)服務(wù)元素進行增加或者刪減。在SOA框架的條件下，各種功能可經(jīng)由ESB總線來實現(xiàn)有效的連通，并能夠?qū)ΜF(xiàn)有的資源進行充分的運用，從而實現(xiàn)對應(yīng)用軟件各種信息孤島等一系列問題的有效解決，同時還可對服務(wù)功能拓展空間進行更好的保留。

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

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)測等多項功能，其中交通服務(wù)則是基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的基礎(chǔ)上，來提高智能燈桿的定位作用，并結(jié)合超聲波測速、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)測則能夠通過空氣污染檢測器、噪聲傳感器等的配置來實現(xiàn)對城市空氣質(zhì)量等方面的監(jiān)測。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，實現(xiàn)對覆蓋范圍城市安全的有效監(jiān)控，同時還可通過報警以及特定目標識別等功能來提升其作用，更好地服務(wù)于城市安全。

4 結(jié)語

總而言之，在智慧城市建設(shè)中，通過對智能路燈網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建設(shè)計，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)測等作用，為智慧城市提供多項服務(wù)功能，使得城市更加智能化。