城市景觀照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張玉杰 張海濤 劉麗

摘 要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)城市景觀照明系統(tǒng)中存在的以單體建筑照明為主、管理分散，難以實(shí)現(xiàn)大型景觀照明系統(tǒng)的同步控制以及花樣遠(yuǎn)程更新的不足，提出了一種基于云平臺(tái)的城市景觀照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多層控制模式，利用MQTT發(fā)布訂閱的優(yōu)勢(shì)，將不同區(qū)域的景區(qū)照明系統(tǒng)接入云平臺(tái)進(jìn)行組網(wǎng)，并結(jié)合MQTT通信和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步特性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的同步控制和故障監(jiān)測(cè)，采用FTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了花樣文件的遠(yuǎn)程更新。該系統(tǒng)能夠滿足景觀照明系統(tǒng)統(tǒng)一管理的需求，為城市級(jí)景觀照明系統(tǒng)提供了可借鑒的方案。

關(guān)鍵詞：城市景觀照明系統(tǒng)；組網(wǎng)；MQTT；SNTP；FTP

中圖分類號(hào)：TP273；TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）01-00-04

0 引 言

隨著城市化規(guī)模的擴(kuò)大和品質(zhì)要求的提升，景觀照明范圍和燈具數(shù)量逐漸增加，因此將景觀照明進(jìn)行有效控制、統(tǒng)一管理尤為重要[1]。目前城市景觀照明存在的問(wèn)題有：國(guó)內(nèi)景觀照明應(yīng)用多以單體建筑照明系統(tǒng)為主，缺乏城市級(jí)景觀照明的同步控制和統(tǒng)一管理；由于分散管理等原因，對(duì)于景觀照明系統(tǒng)中的故障設(shè)備，無(wú)法得到及時(shí)有效的維護(hù)和處理；為了展現(xiàn)城市整體形象和局部區(qū)域特色，常需要對(duì)幾個(gè)街區(qū)或區(qū)域的景觀照明進(jìn)行同時(shí)或聯(lián)動(dòng)展示，并且景觀照明的花樣可以根據(jù)不同的需要隨時(shí)修改和更新[2]。

為滿足城市級(jí)景觀照明系統(tǒng)統(tǒng)一管理、故障信息實(shí)時(shí)獲取、聯(lián)動(dòng)控制以及遠(yuǎn)程花樣更新的需求，需要設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、同步控制、可擴(kuò)展性強(qiáng)的景觀照明控制系統(tǒng)。消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議的發(fā)布訂閱模型是一種實(shí)現(xiàn)了一對(duì)多、多對(duì)多的松耦合異步通信模式，突破了C/S架構(gòu)請(qǐng)求/應(yīng)答通信機(jī)制存在的同步、緊耦合、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)等局限，可滿足系統(tǒng)的通信需求。

本文針對(duì)景觀照明系統(tǒng)的需求，提出了基于云平臺(tái)的景觀照明系統(tǒng)，在充分利用MQTT發(fā)布訂閱模型優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步和網(wǎng)絡(luò)文件傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了景觀照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制與管理，系統(tǒng)照明花樣、圖案等文件的遠(yuǎn)程更新，同步控制區(qū)域協(xié)調(diào)展示等功能，為城市級(jí)景觀照明控制和管理提出了可借鑒的方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

結(jié)合目前城市景觀照明系統(tǒng)的發(fā)展需求，本文設(shè)計(jì)的景觀照明系統(tǒng)具有如下運(yùn)作模式和特點(diǎn)：

（1）各景區(qū)單體照明系統(tǒng)既受控于本系統(tǒng)的監(jiān)控中心，還將受控于城市級(jí)景觀照明系統(tǒng)；

（2）城市級(jí)景觀照明系統(tǒng)利用MQTT發(fā)布訂閱模型傳輸控制信息，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，確保城市景觀照明系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)控制；

（3）城市級(jí)景觀照明系統(tǒng)增加了網(wǎng)絡(luò)文件服務(wù)，通過(guò)城市級(jí)景觀照明監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)大型景觀照明花樣的遠(yuǎn)程更新，減少了原有人工拷貝手動(dòng)更新花樣列表的工作量；

（4）城市景觀照明系統(tǒng)利用MQTT發(fā)布訂閱模型的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了故障信息向景區(qū)負(fù)責(zé)人員、城市級(jí)管理員、廠商維護(hù)人員等多方的實(shí)時(shí)推送，確保故障設(shè)備的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和維護(hù)。

城市景觀照明系統(tǒng)采用多層控制模式，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由城市級(jí)管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層、景區(qū)層、景點(diǎn)層等組成。

該城市級(jí)景觀照明系統(tǒng)在保留景區(qū)照明系統(tǒng)監(jiān)控中心原有功能的基礎(chǔ)上，增加了MQTT通信服務(wù)，通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了城市級(jí)景觀照明系統(tǒng)的快速組網(wǎng)，并增加了網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步服務(wù)和文件傳輸服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)了城市級(jí)景觀照明系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)控制、花樣遠(yuǎn)程更新以及故障監(jiān)測(cè)。

（1）城市級(jí)管理層作為整個(gè)城市景觀照明系統(tǒng)的監(jiān)管中心，完成實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、管理和維護(hù)；

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層作為景觀照明系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)中心以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉屑~，可提供MQTT通信服務(wù)、文件傳輸服務(wù)、時(shí)間同步服務(wù)和數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)服務(wù)；

（3）景區(qū)層以下作為景區(qū)照明系統(tǒng)的監(jiān)控中心，向上通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信層與城市及照明管理層連接，是整個(gè)城市照明系統(tǒng)骨干網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

2 云平臺(tái)接入與MQTT通信主題設(shè)計(jì)

2.1 云平臺(tái)接入方案設(shè)計(jì)

云平臺(tái)作為網(wǎng)絡(luò)通信層的重要組成部分，是城市級(jí)管理層和景區(qū)層的通信橋梁。根據(jù)系統(tǒng)功能需求分析，云平臺(tái)可提供用戶信息管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、MQTT通信及文件傳輸?shù)确?wù)。

云平臺(tái)采用資源定位的方式設(shè)計(jì)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶和燈具設(shè)備資源的存儲(chǔ)和管理。采用Rest風(fēng)格的Web服務(wù)對(duì)用戶注冊(cè)、數(shù)據(jù)管理等業(yè)務(wù)進(jìn)行接口封裝，通過(guò)URL描述終端，以HTTP常用操作POST、GET、DELETE、PUT等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)資源的CURD（增刪改查）等功能[3]。通過(guò)部署Apache Apollo服務(wù)器（MQTT服務(wù)器），提供MQTT消息代理服務(wù)。FTP服務(wù)器采用Server-U軟件進(jìn)行配置。

監(jiān)控中心（城市級(jí)監(jiān)控中心和景區(qū)監(jiān)控中心）的云平臺(tái)接入包含以下幾個(gè)步驟：

（1）監(jiān)控中心信息注冊(cè)。通過(guò)用戶登錄界面進(jìn)行監(jiān)控中心的信息注冊(cè)，完成監(jiān)控中心信息在云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的創(chuàng)建。新的監(jiān)控中心在注冊(cè)時(shí)通過(guò)超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）訪問(wèn)云平臺(tái)的接口，將監(jiān)控中心的用戶名和密碼發(fā)送到云端數(shù)據(jù)庫(kù)，完成注冊(cè)。

（2）MQTT通信服務(wù)接入。監(jiān)控中心注冊(cè)成功后，通過(guò)HTTP協(xié)議訪問(wèn)云平臺(tái)的接口，獲取MQTT代理服務(wù)器的接入口令，驗(yàn)證通過(guò)后連接到MQTT代理服務(wù)器[4]。

（3）文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol，F(xiàn)TP）傳輸服務(wù)接入。監(jiān)控中心在連接文件服務(wù)器之前，通過(guò)HTTP協(xié)議訪問(wèn)云平臺(tái)的接口，獲取文件服務(wù)器授權(quán)的賬號(hào)和域名，連接FTP文件服務(wù)器[5]。

2.2 MQTT通信主題設(shè)計(jì)

MQTT通信作為實(shí)現(xiàn)城市級(jí)管理層與景區(qū)層監(jiān)控中心應(yīng)用數(shù)據(jù)交互的核心，基于消息主題號(hào)建立數(shù)據(jù)交互的通道。針對(duì)景觀照明系統(tǒng)運(yùn)行模式的需求，將主題號(hào)分為私有主題號(hào)、組主題號(hào)和廣播主題號(hào)三種類型。主題號(hào)的定義見表1所列。

私有主題號(hào)以各景區(qū)監(jiān)控中心的用戶名UserName命名，以確保各景區(qū)節(jié)點(diǎn)主題號(hào)的唯一性。當(dāng)景觀照明系統(tǒng)中的城市級(jí)監(jiān)控中心需要對(duì)單個(gè)景區(qū)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí)，通過(guò)主題號(hào)“UserName＼in”發(fā)送控制命令；當(dāng)子景區(qū)監(jiān)控中心需要進(jìn)行命令回復(fù)或檢測(cè)到景區(qū)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，以主題號(hào)“UserName＼out”向城市級(jí)監(jiān)控中心發(fā)送回復(fù)信息或故障信息。

分組主題號(hào)用于實(shí)現(xiàn)景觀照明系統(tǒng)的編組控制。針對(duì)某些場(chǎng)景效果，可能需要若干個(gè)節(jié)點(diǎn)端共同配合實(shí)現(xiàn)一個(gè)花樣效果，在布置景觀照明系統(tǒng)時(shí)，將需要進(jìn)行編組控制的子景區(qū)合并成一個(gè)分組，以組號(hào)Group_ID作為組主題號(hào)，分組中的所有景區(qū)監(jiān)控中心訂閱該組主題號(hào)，城市級(jí)監(jiān)控中心通過(guò)組主題號(hào)發(fā)布控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)中景區(qū)的編組控制。

廣播主題號(hào)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)景觀照明系統(tǒng)的整體控制。系統(tǒng)中所有的景區(qū)監(jiān)控中心統(tǒng)一訂閱“broadcast”廣播主題號(hào)，當(dāng)景觀照明系統(tǒng)中需要進(jìn)行整體定時(shí)開、關(guān)燈操作或整體聯(lián)動(dòng)時(shí)，城市級(jí)監(jiān)控中心通過(guò)廣播主題號(hào)發(fā)布控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)景觀照明系統(tǒng)的整體控制。

3 系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

3.1 同步控制功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的同步控制是基于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步和MQTT通信實(shí)現(xiàn)的，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步可確保各節(jié)點(diǎn)端監(jiān)控中心時(shí)間保持一致，保證不同區(qū)域的景觀照明系統(tǒng)同時(shí)響應(yīng)總控端的控制命令。MQTT通信可確保城市級(jí)監(jiān)控中心到各景區(qū)監(jiān)控中心一對(duì)多控制命令的下發(fā)。

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步

本設(shè)計(jì)中采用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Simple Network Time Protocol，SNTP）結(jié)合PC機(jī)內(nèi)置的RTC時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)各景區(qū)監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。

SNTP協(xié)議支持單播、多播和廣播工作模式，本設(shè)計(jì)中選用單播模式。當(dāng)各景區(qū)監(jiān)控中心收到城市級(jí)監(jiān)控中心廣播的對(duì)時(shí)命令時(shí)，SNTP客戶端與NTP服務(wù)器建立UDP連接，利用客戶端發(fā)送請(qǐng)求時(shí)的時(shí)間戳T1，服務(wù)器接收到請(qǐng)求時(shí)的時(shí)間戳T2，服務(wù)器發(fā)送回復(fù)時(shí)的時(shí)間戳T3，客戶端接收到回復(fù)的時(shí)間戳T4。計(jì)算客戶端與服務(wù)器之間的時(shí)間偏差值：（（T2-T1）+（T3-T4））/2，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)時(shí)間：（T2-T1）+（T4-T3）。根據(jù)偏差值校正本地的RTC時(shí)鐘[6]。部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：

try

{

client = new UdpClient（）；

IPEndPoint ipEndPoint = _TimeServer.GetIPEndPoint（）；

client.Client.SendTimeout = _TimeOut * 1000；

client.Client.ReceiveTimeout = _TimeOut * 1000；

client.Connect（ipEndPoint）；

client.Send（Request， byteCount）；

byte[] received = client.Receive（ref ipEndPoint）；

if （received.Length >= byteCount && （（received[0] & modeMask） == modeServer））

…

}

3.1.2 MQTT通信實(shí)現(xiàn)

M2Mqtt是一個(gè)適用于.NET平臺(tái)以及WinRT平臺(tái)的MQTT客戶端開源項(xiàng)目。該MQTT客戶端庫(kù)使用C#語(yǔ)言開發(fā)，可連接任意MQTT代理服務(wù)器[7]。本系統(tǒng)中作為MQTT客戶端的總控端和節(jié)點(diǎn)端正是基于M2Mqtt庫(kù)開發(fā)的。

MQTT通信實(shí)現(xiàn)包含MQTT服務(wù)器連接、心跳管理、訂閱主題、取消訂閱、發(fā)布消息以及接收消息等完整的MQTT通信機(jī)制[8]。MQTT通信流程如圖2所示。

3.2 花樣遠(yuǎn)程更新功能實(shí)現(xiàn)

FTP是一種基于C/S架構(gòu)的TCP/IP的應(yīng)用層協(xié)議之一，用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的文件傳輸。景觀照明系統(tǒng)的花樣遠(yuǎn)程更新采用FTP協(xié)議和MQTT通信實(shí)現(xiàn)，包括三個(gè)環(huán)節(jié)，即花樣文件上傳，花樣更新消息通知，花樣下載。

花樣文件上傳由城市級(jí)監(jiān)控中心作為FTP客戶端，利用FTP協(xié)議將花樣文件上傳至云端的FTP服務(wù)器[9]。上傳文件時(shí)，首先使用OpenFileDailog（）打開對(duì)話框，選擇需要上傳的花樣文件并獲取文件句柄，通過(guò)FileInfo（）獲取文件大小等具體信息，以分配緩存區(qū)。準(zhǔn)備就緒后調(diào)用CreatFtpWebRequest （）將文件上傳到服務(wù)器，文件上傳結(jié)束后，關(guān)閉文件傳輸?shù)耐ǖ?，調(diào)用GetFileList（）獲取文件列表，繼而刷新文件列表。

花樣更新消息通過(guò)建立的MQTT通道傳輸消息，并根據(jù)景觀照明效果的需求，將花樣更新的通知消息按照各景區(qū)單播、組播或廣播主題號(hào)下發(fā)到對(duì)應(yīng)的景區(qū)監(jiān)控中心，消息內(nèi)容為已上傳花樣文件的相關(guān)信息。

花樣下載由各景區(qū)監(jiān)控中心作為FTP客戶端訪問(wèn)云端FTP服務(wù)器，完成花樣文件的下載。景區(qū)監(jiān)控中心根據(jù)接收的城市級(jí)監(jiān)控中心發(fā)送的花樣更新消息，提取相關(guān)花樣文件的信息，調(diào)用ShowFtpFileAndDirectory（）獲取服務(wù)器上的文件目錄，選中要下載的文件，調(diào)用CreatFtpWebRequest（）從服務(wù)器上下載文件[10]。

3.3 故障信息推送功能實(shí)現(xiàn)

景觀照明系統(tǒng)的故障信息推送功能基于MQTT通信實(shí)現(xiàn)。城市級(jí)管理層所有用戶需訂閱所有子景區(qū)監(jiān)控中心發(fā)布消息的單播主題號(hào)。子景區(qū)監(jiān)控中心周期性查詢子景區(qū)范圍內(nèi)各景點(diǎn)的燈具狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到燈具出現(xiàn)故障時(shí)，景區(qū)監(jiān)控中心以主題號(hào)“UserName＼out”發(fā)布故障信息，云平臺(tái)中的代理服務(wù)器完成故障信息向城市級(jí)管理層多個(gè)用戶的推送，能夠及時(shí)獲取設(shè)備的故障信息，方便及時(shí)維護(hù)和處理[11]。

4 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)搭建測(cè)試平臺(tái)對(duì)城市景觀照明系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試，主要包括同步協(xié)調(diào)控制、花樣更新以及故障監(jiān)測(cè)等功能的實(shí)現(xiàn)。測(cè)試系統(tǒng)由1臺(tái)安裝有城市級(jí)監(jiān)控中心軟件的PC機(jī)、2臺(tái)安裝有子景區(qū)監(jiān)控中心軟件的PC機(jī)、2個(gè)包含控制器和調(diào)光驅(qū)動(dòng)器的子燈具照明系統(tǒng)組成。城市照明管理系統(tǒng)的界面如圖3所示，花樣控制效果如圖4所示。

經(jīng)測(cè)試，該景觀照明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)城市級(jí)監(jiān)控中心對(duì)各景區(qū)監(jiān)控中心對(duì)應(yīng)燈具控制系統(tǒng)的同步控制、花樣遠(yuǎn)程更新以及故障監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于云平臺(tái)的景觀照明系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)各景區(qū)監(jiān)控中心的軟件進(jìn)行升級(jí)，增加MQTT客戶端程序、FTP客戶端程序以及SNTP客戶端程序，將各景區(qū)監(jiān)控中心接入云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)景觀照明系統(tǒng)的快速組網(wǎng)，借助云平臺(tái)提供的MQTT通信服務(wù)、文件傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了城市景觀照明系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)控制、花樣更新以及故障監(jiān)測(cè)等功能。經(jīng)測(cè)試，該方法穩(wěn)定可靠，滿足了城市景觀照明系統(tǒng)統(tǒng)一管理、靈活控制的需求，具有較好的前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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