一種兩層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信的智慧路燈管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張劍云，朱 穎，盤 瑤，江 源，朱金榮

（揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引 言

智慧路燈系統(tǒng)的建設(shè)是智慧城市發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)。城市路網(wǎng)縱橫交錯，而路燈終端是路網(wǎng)的附屬物，在路燈上部署信號源可實(shí)現(xiàn)對城市的全面覆蓋；相較于其他載體，在路燈終端部署傳感器獲取的城市環(huán)境參數(shù)更加全面，所以智慧路燈是數(shù)字化智慧城市感知層的主要載體。

近10年，智慧路燈發(fā)展十分迅速，市場上現(xiàn)有的路燈控制系統(tǒng)采用的通信方案通常是NB-IoT或GPRS通信技術(shù)，而這兩種技術(shù)都是由運(yùn)營商運(yùn)營，存在流量資費(fèi)開銷，且模組本身價格較高。而ZigBee通信成本很低，配合射頻功放的通信距離能滿足智慧路燈需求，且其自組網(wǎng)特性非常適用于智慧路燈環(huán)境。本文考慮到智慧路燈應(yīng)用場景的特點(diǎn)，將ZigBee技術(shù)與NB-IoT結(jié)合起來[1]，構(gòu)成兩層網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)量巨大的路燈終端上配置ZigBee模組組網(wǎng)，并在其協(xié)調(diào)器上配置NB-IoT網(wǎng)關(guān)與云平臺進(jìn)行異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互，平臺可實(shí)時控制路燈開閉、亮度，并監(jiān)控路燈工作狀態(tài)或讀取路燈終端搭載的傳感器數(shù)值。另外，針對組播數(shù)據(jù)擁塞問題設(shè)計(jì)了鬧鐘機(jī)制；在實(shí)際開發(fā)中，為解決NB模組網(wǎng)絡(luò)閑置斷連問題，設(shè)計(jì)了心跳機(jī)制。

1 需求分析和系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

過去，路燈控制依賴于人工管理，檢修工作消耗了大量的人力物力，即使這樣也不能保證故障路燈被及時發(fā)現(xiàn)。傳統(tǒng)的路燈多是總線式的結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)下，單點(diǎn)的故障常常會導(dǎo)致整條線路的工作異常[2]。針對以上問題，本文設(shè)計(jì)一種智慧[3-4]路燈管理系統(tǒng)，特點(diǎn)如下：

1）按地區(qū)分配地區(qū)號

在一片區(qū)域內(nèi)定義路燈群，每個路燈終端分配獨(dú)立ID號作為控制依據(jù)；在管理平臺可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)廣播、路燈群組播、單燈控制等功能。

2）兩級異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信

在路燈群內(nèi)構(gòu)建本地ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將本地?cái)?shù)據(jù)匯總到搭載協(xié)調(diào)器的網(wǎng)關(guān)；在網(wǎng)關(guān)配置NB-IoT模組，使用MQTT協(xié)議連接云平臺，與云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)兩層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

3）鬧鐘機(jī)制

每個路燈終端可配置4個鬧鐘位，鬧鐘位包含時、分信息和鬧鐘事件。

4）心跳機(jī)制

利用MQTT協(xié)議特點(diǎn)設(shè)計(jì)心跳機(jī)制，保證網(wǎng)關(guān)NB模組與MQTT服務(wù)器長連。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案

在傳統(tǒng)路燈項(xiàng)目中，指令的下達(dá)和信息的反饋主要有電力寬帶載波技術(shù)、RS 485通信技術(shù)和GPRS通信技術(shù)等幾種方式，總體來說，有先集中數(shù)據(jù)再接入平臺和單燈直接接入平臺兩種方式。前一種方式的代表是RS 485組網(wǎng)，將總線上所有路燈終端數(shù)據(jù)集中到RS 485主站，再通過網(wǎng)線上傳平臺，便于區(qū)域范圍內(nèi)路燈的統(tǒng)一管理[5]，但是受限于布線條件和RS 485的通信距離；后一種方式的代表是GPRS技術(shù)，每一個單燈配置GPRS模組，直接接入云平臺，這種方式對于單燈的控制更靈活，但是成本較高。

智慧路燈管理系統(tǒng)硬件部分主要由ZigBee單燈控制器和NB-IoT智慧路燈網(wǎng)關(guān)組成，通信部分在路燈群[6]內(nèi)部使用基于ZigBee的Mesh網(wǎng)絡(luò)將單燈控制終端與智慧路燈網(wǎng)關(guān)聯(lián)系起來；在網(wǎng)關(guān)與平臺之間基于NBIoT[7]，采用MQTT通信協(xié)議的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單燈控制終端

路燈控制終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要由主控制器、防雷保護(hù)電路、電量采集模塊、交直流轉(zhuǎn)換電路、降壓穩(wěn)壓電路、繼電器開關(guān)電路、通信定位模塊、CC2530 ZigBee模塊、電源模塊和PWM生成電路組成。

圖2 路燈控制終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

單燈終端采用32位的STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控MCU。

電源部分采用開關(guān)電源將220 V交流電降至12 V。然后采用兩級LDO降壓的方案，采用LM7805電路將12 V電壓降至5 V，再采用1117電路將5 V電壓[8]降至3.3 V。

EMC電路主要由氣體放電管TVS、壓敏電阻、共模電感、X2安規(guī)電容、Y電容以及保險絲構(gòu)成，使用安規(guī)電容的原因是：即使元器件壞掉也不影響電路狀態(tài)，該電路有抗雷擊、抗浪涌的作用，當(dāng)電流過大時，該電路可以起到有效的保護(hù)作用。

電量計(jì)量采集模塊選用的是HLW8032芯片，這是一款高精度的電能計(jì)量IC，采用CMOS制造工藝，具有功耗小、可靠性高和環(huán)境能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，主要適用于單相應(yīng)用。本文選用康銅電阻采樣的方式，通過串聯(lián)分壓原理進(jìn)行采樣分析。

2.2 智慧路燈網(wǎng)關(guān)

智慧路燈網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示[9]，外部接口主要有AC輸入、ZigBee天線、NB天線、外設(shè)DC供電、RS 485外設(shè)接口和調(diào)試串口；內(nèi)部主要由ZigBee協(xié)調(diào)器、NB-IoT模組、防雷和抗浪涌電路、MCU（STM32F103C8T6）、硬件看門狗、開關(guān)電源、MOS電路、電能監(jiān)控、RS 485轉(zhuǎn)換以及配置、日志串口等組成。

圖3 智慧路燈網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 基于MQTT的數(shù)據(jù)通信

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種IoT云平臺與網(wǎng)關(guān)之間的MQTT通信協(xié)議。MQTT是一種訂閱∕發(fā)布式的通信協(xié)議，由一個消息中間件連接多個通信方，在這種結(jié)構(gòu)下，平臺與網(wǎng)關(guān)終端不是直接連接，而是在MQTT服務(wù)器內(nèi)的不同主題中進(jìn)行訂閱∕發(fā)布來交互信息。

3.1 協(xié)議主題設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的通信協(xié)議主題按照地區(qū)、路燈群、功能進(jìn)行三級劃分，在實(shí)際使用中平臺可利用MQTT通配符“∕#”進(jìn)行批量訂閱。

例如，地區(qū)號為YZDX，路燈群號為0021的路燈群網(wǎng)關(guān)，上傳網(wǎng)關(guān)內(nèi)某個單燈終端的電能信息的主題為YZDX∕0021∕ElcData，并在消息內(nèi)容中包含該單燈終端的群內(nèi)ID。

3.2 協(xié)議控制機(jī)制

MQTT的訂閱發(fā)布機(jī)制不限制同一主題下的發(fā)送方數(shù)量和接收方數(shù)量。這一機(jī)制有利于平臺對同地區(qū)多個路燈群進(jìn)行指令組播或針對單燈進(jìn)行指令控制。例如在編號為YZDX的地區(qū)內(nèi)，平臺可通過在該地區(qū)的組播主題YZDX∕BROADCAST中發(fā)布的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的內(nèi)容進(jìn)行群體指令控制。圖4為組播數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。

圖4 組播數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

圖4中，群號代表路燈群編號，該編號為0000時代表本條指令的目標(biāo)是本地區(qū)內(nèi)的所有路燈群。網(wǎng)關(guān)接收到指令后，首先發(fā)送回復(fù)信息，報(bào)告平臺已接收到指令，再通過ZigBee Mesh網(wǎng)絡(luò)在群內(nèi)廣播該指令[8]，之后進(jìn)行輪詢檢查所有單燈狀態(tài)，確保該指令下發(fā)到每一個終端，保證組播的可靠性。

指令類別和指令內(nèi)容是該指令的具體內(nèi)容，圖4中的Light Ctrl：0132的含義為開燈且亮度設(shè)為50%。在本文系統(tǒng)的單燈終端中，調(diào)光是通過PWM方式控制燈頭亮度與PWM波的占空比成正比；指令中，使用十六進(jìn)制的00～64代表MCU生成的PWM波占空比為0～100%，所以圖4組播數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中的32代表亮度50%。值得注意的是，PWM調(diào)光的方式在占空比低于15%時，燈頭的功率因數(shù)將劇烈下降，如表1所示，故本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)亮度下限為15%。

表1 PWM調(diào)光的占空比與功率因數(shù)

本文系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的MQTT指令內(nèi)容如表2所示。

在MQTT通信協(xié)議中，使用了縱向冗余校驗(yàn)（LRC）的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，低位在前，高位在后。LRC方法適用于基于ASCII碼傳輸?shù)膮f(xié)議的數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

單燈控制是本文系統(tǒng)的另一項(xiàng)主要業(yè)務(wù)，可配合攝像頭的實(shí)時路況分析實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光。平臺實(shí)現(xiàn)單燈控制的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。平臺發(fā)布指令的主題為YZDX∕0001∕SIGNELCTRL，主題中的群號0001代表目標(biāo)單燈所在群，群內(nèi)單燈ID是控制目標(biāo)單燈的15位ID號。指令類別和內(nèi)容如表2所示，可在同一條下發(fā)消息中下發(fā)多個指令，最后進(jìn)行LRC校驗(yàn)。

圖5 單燈控制數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

表2 平臺下發(fā)的MQTT指令內(nèi)容

3.3 鬧鐘機(jī)制

城市路燈單燈的主要業(yè)務(wù)就是定時開關(guān)燈[8]。在同一地區(qū)，開關(guān)燈的時間是相對固定的，且這個動作一般是所有單燈同時進(jìn)行的。目前市場上的智慧路燈控制系統(tǒng)[10]實(shí)現(xiàn)該業(yè)務(wù)的做法一般是在對應(yīng)時間由平臺下發(fā)開關(guān)燈的廣播信息對所有下轄單燈進(jìn)行控制，但是這種同一時間的大量信息下發(fā)的可靠性不能得到保證，為此必須建立指令回復(fù)機(jī)制，但是同一時間對大量的廣播消息進(jìn)行回復(fù)又會導(dǎo)致服務(wù)器數(shù)據(jù)處理壓力的激增。為了解決該問題，本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)了鬧鐘機(jī)制。

系統(tǒng)的單燈[11]終端內(nèi)置RTC，從網(wǎng)關(guān)獲取實(shí)時時間，由高精度32.768 kHz晶振提供時鐘源，且按一定周期校準(zhǔn)；單燈終端提供了4個可配置的鬧鐘位，一般作2組成對使用。每個鬧鐘位由鬧鐘時間和鬧鐘事件組成，鬧鐘時間代表觸發(fā)鬧鐘的時間點(diǎn)，只有時、分信息，不區(qū)分日期；鬧鐘事件包含開關(guān)燈和燈亮度信息，在鬧鐘觸發(fā)時執(zhí)行該開關(guān)燈和調(diào)光動作。鬧鐘配置內(nèi)容如表3所示。

表3 鬧鐘配置內(nèi)容

單燈終端的鬧鐘配置信息在接收到配置指令進(jìn)行更新后固化在MCU的FLASH中，設(shè)備重新上電后可重新讀取，即使設(shè)備掉電也能永久保存。

單燈終端的鬧鐘配置與2.1節(jié)所述一致，可由平臺組播進(jìn)行配置，也可針對單燈配置[12]。一般在路燈群中，所有終端配置相同的鬧鐘內(nèi)容，那么在對應(yīng)時間點(diǎn)，所有單燈會同時執(zhí)行鬧鐘內(nèi)容，這一機(jī)制解耦了燈控信息下發(fā)時平臺與單燈終端的實(shí)時連接。由于日照時長變化，智慧路燈系統(tǒng)需要更改定時開關(guān)燈的時間點(diǎn)或亮度，本文系統(tǒng)只需要在事件時間到來的前數(shù)個小時完成鬧鐘配置更改即可，避免了大量數(shù)據(jù)擁塞的問題。

3.4 心跳機(jī)制

NB-IoT模組在連接基站時，如果長時間無動作，模組和基站會斷開連接。在智慧路燈系統(tǒng)有平臺實(shí)時下發(fā)指令的需求，所以必須保證連接的可靠性，為此本文利用MQTT協(xié)議的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了心跳機(jī)制，以維持網(wǎng)絡(luò)長連。

MQTT的訂閱發(fā)布結(jié)構(gòu)決定了如果一個終端訂閱自身發(fā)布消息的主題，在發(fā)送消息時也能從MQTT服務(wù)器收到該消息。利用這個機(jī)制，本文系統(tǒng)為每個網(wǎng)關(guān)終端設(shè)置了心跳主題，網(wǎng)關(guān)每隔30 s向該主題發(fā)布一條心跳消息，并等待接收該消息，收到消息代表連接正常；未收到則代表連接狀態(tài)異常。連續(xù)地檢測到異常時，網(wǎng)關(guān)將重啟NB模組并重新連接MQTT服務(wù)器。

本文系統(tǒng)中，平臺也訂閱了每個網(wǎng)關(guān)的心跳主題，以該主題內(nèi)有無消息來判斷網(wǎng)關(guān)的在線與否狀態(tài)。

4 結(jié) 語

該智慧城市路燈管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了平臺對地區(qū)、路燈群控制和單燈控制[13-14]，具體有開關(guān)、調(diào)光、狀態(tài)監(jiān)控、傳感器數(shù)據(jù)讀取等功能；設(shè)計(jì)的鬧鐘機(jī)制很好地解決了組播數(shù)據(jù)擁塞問題；利用MQTT協(xié)議特點(diǎn)設(shè)計(jì)的心跳機(jī)制解決了NB網(wǎng)絡(luò)閑置掉線問題。另外，在實(shí)際項(xiàng)目中，考慮到產(chǎn)品灌膠后更改配置困難的問題，該系統(tǒng)還搭載了藍(lán)牙模組，利用專門設(shè)計(jì)的藍(lán)牙通信協(xié)議可在燈桿下對燈控器進(jìn)行直接配置，極大地降低了后期維護(hù)成本。本文所設(shè)計(jì)的兩層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信的智慧路燈管理系統(tǒng)可以在各大城市廣泛應(yīng)用，為城市路燈的管理員提供極大的便利，響應(yīng)國家推進(jìn)智慧城市路燈的號召，為社會做出一定的貢獻(xiàn)。