基于智慧燈桿的智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

盧陽(yáng) 李付偉 馬榮兵 李堯奇 萬(wàn)貴洲

上海五零盛同信息科技有限公司，上海 200063

0 引言

隨著智慧城市發(fā)展以及5G建設(shè)加速落地，智慧燈桿作為新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施最佳載體，集成智慧照明、智能監(jiān)控、汽車充電樁、公共廣播、環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)、LED廣告屏、物聯(lián)網(wǎng)基站、5G微基站等產(chǎn)品[1]，已經(jīng)逐步從被認(rèn)可到小規(guī)模試點(diǎn)再到批量推廣應(yīng)用，成為市政行業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用的標(biāo)配[2]。深圳、廣州、重慶等城市政府層面已編制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，把智慧燈桿建設(shè)作為今后智慧城市建設(shè)的重點(diǎn)。[3]

智慧燈桿推廣應(yīng)用過程中，一個(gè)難點(diǎn)是如何解決智慧燈桿集成功能設(shè)備的接口轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)傳輸以及各個(gè)功能設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制等問題。目前，行業(yè)普遍采用接口轉(zhuǎn)換模塊、工業(yè)交換機(jī)、路由器等設(shè)備來實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，因此存在以下問題：

1)多個(gè)設(shè)備安裝在智慧燈桿設(shè)備箱體里，占用空間，不易于安裝及后期維護(hù)；

2)集成各設(shè)備的數(shù)據(jù)通過工業(yè)交換機(jī)或工業(yè)路由器直接透?jìng)髦梁笈_(tái)，數(shù)據(jù)安全存在隱患；

3)工業(yè)交換機(jī)或工業(yè)路由器不是智能設(shè)備，無(wú)法對(duì)燈桿上的每一個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，無(wú)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制等；

4)工業(yè)交換機(jī)或工業(yè)路由器等沒有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，數(shù)據(jù)全部通過網(wǎng)絡(luò)傳送至系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)，一旦網(wǎng)絡(luò)中斷，現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失等。

針對(duì)以上問題，迫切需要開發(fā)一套既能解決智慧燈桿設(shè)備接入、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和設(shè)備控制，又可以實(shí)現(xiàn)智慧燈桿設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，因此智慧燈桿智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。

1 智慧燈桿智能網(wǎng)關(guān)硬件框圖及原理

智慧燈桿智能網(wǎng)關(guān)的主要硬件框圖如圖1所示。

圖1 智慧燈桿智能網(wǎng)關(guān)硬件原理圖

智慧燈桿智能網(wǎng)關(guān)主要由電源模塊、PHY模塊、交換模塊和核心控制模塊4部分組成。電源模塊將照明供電網(wǎng)絡(luò)的交流220 V電源轉(zhuǎn)換為直流，再經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V，為交換模塊和核心控制模塊提供工作電源。

PHY模塊主要是實(shí)現(xiàn)CSMA/CD功能。它可以檢測(cè)LED大屏、充電樁、監(jiān)控球機(jī)、公共廣播等以太網(wǎng)通信設(shè)備是否有數(shù)據(jù)在傳送，如果有數(shù)據(jù)在傳送中就等待，一旦檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)空閑，再等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后將送數(shù)據(jù)發(fā)出去。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和改革步伐加快，水利工程概（估）算實(shí)行定額量?jī)r(jià)分離，引入了“靜態(tài)控制，動(dòng)態(tài)管理”的理念。21世紀(jì)初，相關(guān)部門又對(duì)定額表現(xiàn)形式進(jìn)行了改革，將沿用了幾十年的人工消耗量工日、機(jī)械消耗量臺(tái)班改為工時(shí)、臺(tái)時(shí)，將以價(jià)目表表現(xiàn)的安裝定額改為以實(shí)物量表示。這些改革豐富和發(fā)展了水利工程造價(jià)管理理論，為水利工程投資的合理確定和有效控制作出了積極貢獻(xiàn)。但近10年，水利工程概（估）算改革步伐有些遲緩，一些因素的存在造成水利工程概（估）算脫離了客觀實(shí)際，達(dá)不到工程投資“合理確定，有效控制”的目標(biāo)，給水利工程建設(shè)造成一些負(fù)面影響。

交換模塊識(shí)別每一端口相連設(shè)備的MAC地址，將地址同相應(yīng)的端口映射起來存放在交換模塊緩存中的MAC地址表中，并處理接收的業(yè)務(wù)幀，對(duì)業(yè)務(wù)幀進(jìn)行速率適配、過濾和發(fā)送控制等。

核心控制模塊是智能網(wǎng)關(guān)的核心部分，可以對(duì)交換模塊轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)及接入的RS485、RS232、CAN等通信設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析[4]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧燈桿設(shè)備的識(shí)別，并將關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)，它也可以對(duì)燈桿設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、加密，再進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，最后通過網(wǎng)絡(luò)控制接口發(fā)送給管理中心服務(wù)器。核心控制模塊也可以實(shí)現(xiàn)本地邊緣控制功能，可以根據(jù)智慧燈桿設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)智慧燈桿設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及開關(guān)量輸入狀態(tài)的檢測(cè)判斷，對(duì)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)置等。此外，核心控制模塊也支持WIFI及4G/5G通信，當(dāng)智慧燈桿現(xiàn)場(chǎng)沒有有線網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以通過 WIFI實(shí)現(xiàn)智慧燈桿之間的級(jí)聯(lián)，最后通過4G/5G模塊實(shí)現(xiàn)與管理中心服務(wù)器通信。

2 智慧燈桿智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的功能

針對(duì)智慧燈桿的應(yīng)用場(chǎng)景及數(shù)據(jù)傳輸方式，主要具有以下功能。

1)具有數(shù)據(jù)交換的功能：可以接入多個(gè)具有以太網(wǎng)接口的智慧燈桿設(shè)備，支持網(wǎng)絡(luò)管理；具有2層網(wǎng)絡(luò)交換網(wǎng)管功能，支持802.1QVLAN、端口鏡像和端口狀態(tài)監(jiān)控；支持IGMP偵聽、QOS、端口匯聚、靜態(tài)多播過濾、帶寬管理和廣播風(fēng)暴抑制等；支持環(huán)網(wǎng)冗余、多種環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和端口數(shù)據(jù)幀統(tǒng)計(jì)；支持 MAC地址自動(dòng)學(xué)習(xí)、自老化；支持 ARP、ICMP、TCP、UDP、DHCP、DNS、HTTP、Telnet、SNMP、RSTP等協(xié)議等。[5]

2)具有本地存儲(chǔ)功能：可將智慧燈桿數(shù)據(jù)存儲(chǔ)其中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接異常時(shí)可將智慧燈桿的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地儲(chǔ)存設(shè)備中。

3)具有協(xié)議轉(zhuǎn)換功能：能對(duì)接收到的智慧燈桿各種功能設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一協(xié)議格式的數(shù)據(jù)后再傳輸給管理中心服務(wù)器。

4)具有設(shè)備識(shí)別與狀態(tài)監(jiān)聽功能：通過數(shù)據(jù)協(xié)議解析能自動(dòng)識(shí)別智慧燈桿設(shè)備類型，并對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)聽。

5)具有設(shè)備故障分析能力：對(duì)智慧燈桿設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判定，通過融合管理中心平臺(tái)定位設(shè)備的故障，減少運(yùn)維人員對(duì)智慧燈桿設(shè)備故障的定位時(shí)間。

7)具有數(shù)據(jù)加密功能：智慧燈桿集成的功能設(shè)備較多，一些關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)采用明文的方式，數(shù)據(jù)安全性較低；智能網(wǎng)關(guān)可以進(jìn)行端口數(shù)據(jù)加密，采用國(guó)密算法，保障前端數(shù)據(jù)傳輸安全。

8)具有多種通信鏈路：智能網(wǎng)關(guān)支持光纖、4G/5G、WIFI等多種通信方式，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，智能切換通信方式，保證控制鏈路的暢通性和可靠性。

3 智慧燈桿智能網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧燈桿智能網(wǎng)關(guān)作為智慧燈桿的配套產(chǎn)品，安裝于智慧燈桿箱體內(nèi)部。因其工作于濕熱環(huán)境中，所以對(duì)散熱及防水有一定的要求。此外，智能網(wǎng)關(guān)的長(zhǎng)、寬尺寸需根據(jù)智慧燈桿的內(nèi)部空間設(shè)計(jì)，便于安裝維護(hù)。因此，智慧燈桿智能網(wǎng)關(guān)的外殼采用鋁型材開模，并對(duì)其進(jìn)行無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，依靠外殼散熱，外殼兩個(gè)側(cè)面設(shè)有散熱齒，以增加散熱面積，提高產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性。同時(shí)，智能網(wǎng)關(guān)的所有端口均設(shè)計(jì)在一個(gè)面，雨水即使滴濺在智慧燈桿內(nèi)部的網(wǎng)關(guān)表面，也不會(huì)進(jìn)入側(cè)面的端口，其外觀結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。

圖2 智慧燈桿智能網(wǎng)關(guān)外觀結(jié)構(gòu)及尺寸

4 智慧燈桿智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用效果

智慧燈桿智能網(wǎng)關(guān)研制完成后，已被應(yīng)用在多個(gè)城市智慧燈桿的項(xiàng)目中。它解決了智慧燈桿設(shè)備較多、接口不統(tǒng)一等問題，從而簡(jiǎn)化了智慧燈桿配套的接口轉(zhuǎn)換設(shè)備的數(shù)量，節(jié)約了智慧燈桿的內(nèi)部空間。智慧燈桿智能網(wǎng)關(guān)不僅是一個(gè)智能控制設(shè)備，也是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，解決了智慧燈桿中存在的設(shè)備識(shí)別、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)加密、邊緣控制等問題。大量的數(shù)據(jù)處理在現(xiàn)場(chǎng)端得到解決，從而降低了管理中心服務(wù)器的負(fù)荷。此外，智能網(wǎng)關(guān)可以支持光纖、4G/5G、WIFI等多種數(shù)據(jù)通訊方式[6]，滿足目前智慧燈桿中多組合通訊要求，徹底打通設(shè)備層到服務(wù)器端的鏈路，實(shí)現(xiàn)以智慧燈桿為基礎(chǔ)的各種公共設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)與管理中心互聯(lián)互通，為市政部門提供了一個(gè)全面的市政設(shè)施運(yùn)維管理手段。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著智慧城市和新基建建設(shè)在全國(guó)范圍內(nèi)興起，以照明燈桿為載體，集智慧照明、智能監(jiān)控、汽車充電樁、公共廣播、環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)、LED廣告屏、物聯(lián)網(wǎng)基站、5G微基站等各種功能為一體的智慧燈桿已成為現(xiàn)代城市建設(shè)必不可少的公共設(shè)施。[7]智慧燈桿智能網(wǎng)關(guān)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)通信能力，徹底解決了智慧燈桿集成的各種功能設(shè)備數(shù)據(jù)接入問題，能夠更好地推進(jìn)數(shù)據(jù)融合、技術(shù)融合、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，結(jié)合智慧燈桿的綜合管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)跨層次、跨系統(tǒng)、跨部門、跨業(yè)務(wù)、跨地域的協(xié)同管理和服務(wù)，為將來的智能駕駛、智能城市打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。[8]