基于Web Service的无线路灯远程监控系统

张卿杰

摘 要： 传统城镇路灯控制系统采用有线网络布局，施工复杂、控制线路浪费、事后管理复杂、检修不易、能源浪费。采用当前的无线通信与网络技术，设计并实现了一种基于Web Service的无线路灯远程监控系统，系统分为4层：应用服务层采用CS架构，LabVIEW实现； 数据中心层采用公网IP，.net+SQL架构实现； 基于GPRS的汇聚通信层采用TCP?Modbus通信协议； 现场执行层单灯管理模块采用ZigBee与上层通信。该系统具有网络布线简单，路灯控制方式智能、灵活、方便，线路检修维护方便，系统设计造价低，模块可灵活配置，系统应用扩展性强等诸多优点。该系统亦适用于准实时数据通信量不大的远程监控系统中。

关键字： Web Service； GPRS； ZigBee； 无线路灯监控； LPC2294； ARM7； CC2530； DTU

中图分类号： TN926?34；TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）11?0005?05

Street lamps′ remote wireless monitoring system based on Web Service

ZHANG Qing?jie1， XU You1， XUE Guo?qing2

（1. School of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210031， China；

2. Nanjing Yan Xu Electrical Science and Technology Limited Company， Nanjing 210000， China）

Abstract： The wired network layout is mainly adopted in traditional town street lamp control system which has complex construction， waste of control wiring， complex after?management， difficult overhaul and energy waste. With the current wireless communication and network technology， a new remote wireless monitoring system for street lamps was designed and implemented based on Web Service. The proposed system is divided into 4 layers： application service layer adopting the CS architecture and realized by LabVIEW； data center layer adopting the public network IP and realized by .net+SQL architecture； converged communication layer based on GPRS and TCP?Modbus communication protocol； spot execution layer， in which single lamp management module adopts ZigBee to realize communication with upper layer. The new system has many advantages： simple network layout； intelligent， flexible， convenient street lamp control mode； easy line service and maintain； low cost in system design； flexible module configuration； better system application expansibility and so on. The system can be also applied in the other remote monitoring system which has little quasi real?time communication traffic.

Keywords： Web Service； GPRS； ZigBee； street lamp wireless monitoring； LPC 2294； ARM7； CC2530； DTU

0 引 言

随着我国城市规模的扩大，农村城镇化进程的不断深入，我国的路政基础设施建设规模在不断的扩大。路灯照明建设与管理是路政基础设施的重要部分，目前却存在着诸多问题，例如城市路灯控制系统大多采用有线网络布局，施工复杂，控制线路浪费更造成了事后管理复杂，故障检修不易，并且还存在着普遍的能源浪费。据统计，许多城市道路在零点以后基本无车辆经过，即便在特大城市如北京、上海等繁华地段，凌晨2点到天亮这段时间车流量也很少。针对这一状况，一些地区采取在后半夜交错点亮或隔二亮一的策略，然而这一措施并不能满足绿色照明的要求，而且会导致路面照度或照度均匀度的降低，产生“斑马效应”[1?2]。近年无线通信与网络技术得到了迅速的发展[3?7]，本文据此设计并实现了一种基于Web Service的无线路灯远程监控系统，该系统具有网络布线简单，可远程智能维护管理，系统可扩展性强，方便实施，性价比高等诸多优点。

1 系统拓扑结构

系统拓扑结构如图1所示。

本系统主要分为四个层次，由下而上分别为现场执行层、汇聚通信层、数据中心层、应用服务层。现场执行层通过ZigBee单灯管理模块采集现场地理位置、照度、电压电流以及路灯继电器开关状态等信息后转发至上层应用，并根据上层命令来执行各路灯控制回路的继电器闭合。汇聚通信层主要通过基于GPRS的ZigBee汇聚节点集中管理模块汇聚就近范围内的ZigBee单灯管理模块信息，并通过GPRS模块将信息上传至远程数据中心。数据中心层主要通过将各集中模块过来的信息组成实时与历史数据库，供应用层调用。应用服务层通过查询数据中心的信息，作出适当的控制与信息呈现。

监控系统的系统拓扑结构

2 应用服务层设计与实现

应用服务层主要功能为配合GIS地图信息，实现路灯亮暗信息查询与控制、故障记录、人员权限、用电统计等功能。应用层功能框图如图2所示。

应用层所需要的数据主要来自于基于Web Service数据中心。人机界面开发采用了LabVIEW开发，LabVIEW控件丰富，软件可组态，开发过程相对简单，可大大提高与简化客户端的开发流程。LabVIEW人机界面设计的时候结合了GIS信息，从而可以更方便地呈现路灯信息，如图3，图4所示。

应用服务层主要工作流程为首先是连接数据服务器，查询相关信息，然后进行相关数据呈现，历史统计和操作控制。与服务器间的通信，采用公网，Socket通信。

Socket是建立在传输层协议（主要是TCP和UDP）上的一种套接字规范，它定义两台计算机间进行通信的规范（也是一种编程规范）。如果说两台计算机是利用一个通道进行通信，那么这个通道的两端就是两个套接字。套接字屏蔽了底层通信软件和具体操作系统的差异，使得任何两台安装了TCP协议软件和实现了套接字规范的计算机之间的通信成为可能[8?9]。本系统中建立Socket连接是与GPRS信息连接，所以需要具有公网的IP地址，故应保证服务器中心计算机连接到Internet并且取得公网IP地址。

Socket设置程序流程如图5所示。

应用服务层也可以采用Android，或者QT开发基于平板电脑或手机的查询应用，使得用户能够更方便地查询到相关信息。

3 数据中心层设计与实现

数据中心层为系统的核心环节，既承担着GPRS集中管理模块的监控与管理，也承担着数据服务的响应。此次系统设计中主要采用了.net+sqL平台，该组合是较为成熟的Web Service平台，通用编程资源丰富以及编程人群较广，方便沟通交流。

GPRS集中管理模块的监控与管理是此层中主要任务之一，通信采用Socket通信。

Socket通信不仅仅管理GPRS集中模块，也需要集中响应应用端的Web服务查询需求，有效区分各类查询以及命令，要进行自定义协议，数据组织的形式，可依赖于Modbus/TCP。

Modbus/TCP协议是施耐德公司基于TCP/IP协议在网络上的广泛应用于1999年公布，在网络层使用IP协议，在传输层使用TCP协议，用一种比较简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中。Modbus的普及得益于使用它的门坎很低，无论用串口还是用以太网，硬件成本低廉，Modbus和Modbus TCP都可以免费收到，不需交纳任何费用。而且在网上有很多免费资源，如C/C++，JAVA样板程序，Active X控件，各种测试工具等等，所以用户使用很方便。另外，几乎可以找到任何现场总线连接到Modbus TCP的网关，方便用户实现各种网络之间的互联。

Modbus/TCP数据帧包含了报文头，功能代码和数据三部分，如图6所示。

MBAP Header有4个域，如表1所示。

（1） 事务标识域，2个字节长，主要用于事务处理的配对，标志某个Modbus请求/应答的传输，响应时由Modbus服务器复制该值；

（2） 协议标识域，2个字节长，用于系统内部的多路复用，一般用0代表Modbus协议，1代表NUI?TE协议；

（3） 长度域，2个字节，它的作用是为下一个域的字节计数，包括单元标识域和数据域，应答时需由服务器端重新生成该值；

（4） 单元标识域，1个字节，该域专门用于串行链路上或其他总线上连接的远程从站的识别，若Modbus客户端在请求中设置了这个域，则响应时服务器端必须从接收的请求中复制这个值。

由于Modbus是开放协议，在实际的应用过程中，可以为了解决某一个特殊问题，自行修改Modbus规约来满足自己的需要[10?12]。

4 基于GPRS的ZigBee汇聚结点集中管理模块

集中管理模块主要由电源模块，NCU模块，数据采样模块，继电器输出模块，GPRS+ZigBee通信模块组成。

基于GPRS的分块路灯集中管理模块拓扑结构图如图7所示。

NCU模块主要采用的LPC2294，LPC2294是菲利普推出的基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI?S CPU的微控制器，带有256 KB嵌入的高速FLASH 存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在最大时钟速率60 MHz下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb 模式将代码规模降低超过30%，但性能的损失很小。16 KB片内SRAM，片内Boot程序可通过uart0提供在系统下载以及可编程特性，LQFP144封装，极低功耗，4个CAN互连接口，8路10位A/D转换器，2个32位定时器，多个串行接口，双UART，双SPI和高速I2C，PWM单元6路输出，多达112个GPIO口，9个电平或边沿触发的中断引脚，片内资源丰富，可加密，可在系统编程，非常适合工业、楼宇、现场总线控制应用[13]。

LPC2294尽管已内置8路A/D转换器，但NCU路灯集中管理模块，采集数据大于8路，因此还外扩了A/D数据采集模块，采用的是TI的tlc1543， 10位，11通道，串行控制，价格低、性价比高、与单片机和ARM等接口方便。数据采集模块采用分块独立设计与NCU模块之间的通信采用了CAN总线，采集模块中的数据管理与处理采用了单片机STC89C54RD。NCU模块最多可以外扩4路数据采集模块，1路数据采集模块有11通道，所以系统最多可以采集44路模拟数据。

继电器输出模块与数据采集模块采用的是一致的方案，只是外加了驱动电路，主要用来断开局部整条线路，可以根据实际情况灵活配置。与数据采集模块一样，NCU模块最多可外扩4路继电器输出模块，每1继电器输出模块有11通道。

本系统构建的时候可以根据实际实施情况，采用集中管理模块进行片区直接控制，也可以采用集中管理模块通过ZigBee节点对单灯进行控制。ZigBee是近年来提出的一种面向低功耗、低成本、低复杂度、低数据速率的近距离双向无线通信技术，其物理层与媒体控制层协议为IEEE 802.15.4协议标准，ZigBee网络一般有星型、对等型和混合型3种拓扑结构，本系统中采用星型拓扑结构，即汇聚节点结构，收发器模块均采用CC2530， CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存， 结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈（Z?StackTM），提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案[3?5，14?15]。

集中管理模块与上级数据中心层通信主要依赖GPRS模块，采用的是WG?8010 GPRS DTU， WG?8010 内置工业级GPRS 无线模块，提供标准RS 232/485 数据接口，可以方便地连接RTU、PLC、工控机等设备，仅需一次性完成初始化配置，用户设备就可以与数据中心通过GPRS无线网络建立连接，实现数据的全透明传输。

集中管理模块中还包括了传感器模块、电源模块、液晶显示模块。传感器模块中主要包括了电压互感器、电流互感器、温度传感器。电源模块主要为开关电源用来给系统供电，液晶显示模块是方便模块的内部参数以及输入/输出点的动态配置。

5 基于ZigBee的单灯管理模块

单灯管理模块主要是传送现场层信息以及接收集中模块过来的指令，为现场执行层，主要组成为ZigBee节点、电源模块、传感器与信号处理电路。

路灯现场控制方式上位机可以动态配置，主要有以下4种控制方式，默认选择为光照度控制开关。

方式1：路灯经纬度控制定时开关，单灯节点有精确的定时功能与集中管理模块之间也需要对时，通过路灯的经纬度，以及时间来计算太阳升起与落山的时刻，从而控制路灯的开关[16] 。

方式2：路灯光照度控制开关，根据光照传感器传回来的照度，判断是否进行路灯开关。

方式3：路灯上位机智能控制，若上位机能与匝道交通通信，根据当时车流量与人流量的情况以及照度情况和车流量情况控制路灯开关。

方式4：路灯上位机手动控制，单灯管理模块也可接收上方指令进行路灯控制。

单灯管理模块将相关信息实时上传，为灵活控制、线路检修带来了方便。

6 结 语

本文设计并实现了一种基于Web Serciec的路灯无线远程监控管理系统，该系统主要分为应用层、数据中心层、GPRS通信层、现场ZigBee节点执行层，该系统具有网络布线简单，模块灵活配置，系统应用可扩展性强，可以与其他例如路政等信息系统进行对接，该系统架构亦可用于其他准实时性，上传数据量不大的监控应用系统中。

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