基于GIS的城市道路数字化照明系统的设计*

董玉德　张昌浩 　丁保勇　刘蒙蒙　权循华　杜庆朋

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院, 安徽 合肥 230009; 2.合肥大明节能科技股份有限公司, 安徽 合肥 230088)



基于GIS的城市道路数字化照明系统的设计*

董玉德1张昌浩1丁保勇1刘蒙蒙1权循华2杜庆朋2

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院, 安徽 合肥 230009; 2.合肥大明节能科技股份有限公司, 安徽 合肥 230088)

摘要：为解决城市道路照明终端设备存在的耗电量巨大、管理困难、监控方式落后等问题,文中提出了基于地理信息系统(GIS)的路灯监测和控制方案,设计了基于ZigBee网络和GPRS网络的照明终端设备通信架构,以实现照明设备运行参数的自动、实时获取以及照明设备的节能策略运行、可视化管理与层次化控制等功能,解决因GPRS网络异常掉线和延时造成的数据丢失、地图界面加载海量标注缓慢等问题,提高数据传送效率和系统通信的可靠性.在合肥市某区的测试结果表明:文中提出的方案和架构能够在万盏路灯的实际应用中流畅运行,控制响应时间大约为1 s,与传统的自由控制运行相比节约了21.44%的电量.

关键词:GPRS网络;道路照明;网关;ZigBee通信

随着我国“城乡一体化”进程的加快,城市发展规模不断扩大,城市居民对城市的基础建设提出了新的需求,城市道路照明系统也面临着严峻的考验[1].城市道路照明作为城市重要的基础设施之一,是城市管理的重要内容,与能源节约、环境保护、市民的日常生活紧密相关,同时也体现了一个城市的文化品位和管理水平[2].根据数据统计,目前我国每年照明用电量高达4 216亿 kWh以上,占总发电量的13%以上,其中城市照明用电占总发电量的7%~8%[3].这表明,市政部门注重实施城市照明工作,以提升城市的形象.但同时也暴露出许多问题,主要表现在:我国城市路灯照明多以时钟控制、光电控制为主,以手动或半自动化的方式对某个区域的路灯进行集中管理,欠缺控制的层次性;传统路灯控制器存在着智能化程度低、通讯稳定程度差、路面光照度分布不均等问题;随着城市的扩大,路灯照明工程不断地向城市外围扩展,路灯呈现海量离散分布的特点,造成了路灯管理困难，监控不够及时,路灯电缆盗窃事件屡见不鲜,照明设施被人为损坏严重.单纯依靠传统的路面巡视,很难及时检测路灯运行状态.因此,开发一种智能管控、节能处理、高效报警的路灯照明系统具有一定的实际意义.

在现有技术的基础上,文中提出了基于地理信息系统(GIS)的路灯监测和控制方法,构建智能化的路灯管理平台:利用单灯控制核心器件(镇流器)实时采集路灯运行数据(电流、电压、功率等),同时采用STM32F103ZET6微控制器、通用分组无线服务(GPRS)通信模块[4]、ZigBee中心模块以及外围电路构建路灯局部集中管理器件——网关;借助Internet、GPRS和ZigBee构建远程路灯运行数据高效传输的通信网络;利用C/S端数据处理平台快速解析、存储不同网关并发上传的路灯运行数据;采用GIS实现照明设备的可视化监测和控制;设计合理的监控方案和节能策略,以实现照明设备运行参数的自动、实时获取,并能有效降低能源消耗,减少光污染.

1数字化照明系统架构

城市道路数字化照明系统采用“客户端(B/S端)、服务器(C/S 端)、网关、单灯控制节点”4层硬件架构,如图1所示.系统通过ZigBee自组网将离散路灯组网连接到对应的网关[5].网关向下(下行数据)利用ZigBee网络通信[6],读取单灯控制节点上传的路灯运行数据;网关向上(上行数据)利用GPRS网络将全部路灯信息按照系统协议格式上传至C/S端,C/S端通信软件将接收到的数据解析并分类存储到数据库,供客户端海量加载实时浏览.

图1　系统架构Fig.1　System architecture

(1)B/S端采用图形化的设计理念,在 Web软件中借助JqueryEasyUI前端框架、Ajax异步交互技术和百度电子地图API创建人机操作平台,将数据库中的海量信息快速响应到客户端浏览器,实现对路灯运行状态的可视化监控[7].另外,采用模块化的设计方式实现构建设备档案、维护管理、统计分析等功能.

(2)C/S端包含通信软件、数据库、B/S端程序,其中通信软件是连接服务器与远程网关的枢纽,负责数据的解析、存储和全部指令的下发.数据库是通信数据的交换中心和存储中心,主要表现在两方面:①B/S 端下行数据先存入数据库指定位置,并由通信软件根据系统协议格式打包下发到对应的网关;②网关上行数据由通信软件解析后首先存入数据库,并由B/S端定时加载到实时监控界面供用户浏览.B/S端程序是客户端访问系统的根源,其利用IIS平台将申请备案的域名与IP绑定,发布到公网供用户实时访问.

(3)网关主要由STM32控制模块、GPRS通信模块、ZigBee中心模块等组成,其架构如图2所示[8].STM32控制模块通过控制ZigBee中心模块,定时向同一ZigBee频点的单灯控制节点遍历查询实时运行信息(电压、电流、功率、运行状态等),同时将查询到的信息通过串口传输给GPRS通信模块,并通过GPRS网络上传至服务器.

图2　网关架构[8]Fig.2　Gateway architecture

(4)单灯控制节点由ZigBee子模块和数字化镇流器组成.ZigBee子模块主要负责与网关的无线数据传输[9-10];镇流器是单个路灯的控制中心,控制路灯以稳定的功率运行,实时检测路灯的运行状态,有效防止因线路电压变化使路灯亮度改变、影响行人视线而造成事故的发生.镇流器采用的是有源式功率因数校正(PFC)技术,将变换器串接在整流滤波电路和直流斩波器(DC/DC变换器)之间,通过PIC芯片控制来改善输入电流的波形,实现功率因数的校正.

2通信模型数字化

2.1　模型架构

系统中的路灯离散分布在城市的各个街道,单个路灯在系统中传输的数据量较小,而整个城市的路灯网络在系统中传输的数据量相当巨大.从通信效率和管理成本两方面考虑,文中系统采用兼顾ZigBee网络、GPRS网络、Internet的通信网络架构,如图3所示.本系统通过ZigBee网络将离散单灯组网连接到附近的网关,使网关能短距离、高频率地采集单灯的运行数据,提高通信效率;网关通过GPRS网络将采集到的单灯运行数据远距离传输到监控中心,从而实现路灯运行数据的远距离无线传输,降低通信成本.C/S端的通信软件是连接网关和数据库的中枢,负责全部数据的接收/发送、分析、统计、存储等功能,同时对异常设备进行分类处理,发送报警短信和报警邮件.

图3　通信网络架构Fig.3　Communication network architecture

根据控制的实时性需求,通信软件与网关采用长连接方式,并利用定时发送“心跳帧”的方法,解决了长时间连接被移动网络中断的问题.系统通信数据完全按照系统协议格式,经过BCC校验[11]被打包成通信协议帧.在通信过程中为保证数据安全,数据帧被加密成ASCII码的形式进行发送,以增加通信的可靠性.系统指令的发送与应答模型如图4所示.

图4　指令的发送与应答模型Fig.4　Model of instruction delivery and response

2.2　通信协议格式

为了保证系统处理信息流的高效性和准确性,文中设计了规范的通信协议,其格式如图5所示.

图5　通信协议格式Fig.5　Format of communication protocol

(1)帧起始符:0x02,标识数据帧的开端.

(2)地址域:通信指令的发送地址(网关编号),根据网关所在区的电话区号和网关编号定义而成.

(3)控制码:控制码由两个字节组成,其包含的信息有传输方向、异常标志和指令编号.每一位数据代表的信息如下:①D0-D5为指令类型,代表不同的控制指令,如“000100”和“000101”分别表示“调光控制”和“开关灯控制”指令;②D6=0表示从站正确应答,D6=1表示从站异常应答(指令错误,响应异常等);③D7=0表示由主站(服务器)发出的命令帧,D7=1表示由从站(网关或手持设备)发出的应答帧.

(4)数据域长度:表示在数据帧中照明设备运行信息所占的字节数,有助于数据的解析.

(5)数据域:照明设备的运行信息,如电流、电压、功率、路灯运行时间等.

(6)校验码:BCC异或值,用于判断当前指令的准确性.

(7)帧结束符:0x03,标识数据帧的结束.

2.3　通信架构关键技术

2.3.1数据读取

网关并发上传的运行数据经过GPRS网络传输到Socket缓冲区,触发通信软件读出当前存入的全部数据.由于网关上传每帧数据的时间间隔较短,再加上GPRS网络传输过程中的网络延时,造成通信软件读取粘合在一起的多帧数据.为使系统准确地解析出数据包中的全部信息,需要先将粘合在一起的数据帧拆解成单个数据帧,然后分别判断并返回相应的应答帧.解析数据包流程如图6所示.

图6　解析数据包流程图Fig.6　Flowchart of analying data packet

2.3.2层次化控制

城市道路数字化照明系统对路灯控制层次分明,包括系统控制、道路控制、网关控制、回路控制、

主/辅道控制、投光灯控制、单灯控制7个控制范围.具体实现方法如下:采用SQLServer2008数据库建立实际路灯的属性表格,并将属性表格关联成视图[12].数据库架构与层次化控制示意图如图7所示.用户在系统的B/S端添加路灯时,对应的单灯会被赋予严格的逻辑属性,如某某路-某某网关-回路号-主/辅/投属性-ZigBee编号.这些信息将保存到数据库作为该路灯的唯一记录,同时通信软件将这些属性信息下载到对应网关.这样控制指令只需网关编号和ZigBee编号便可实现网关、回路、主/辅道、投光灯、单灯5个范围的控制.而对于系统、道路两个范围的控制,通信软件根据数据库中的逻辑记录将其解析到对应的网关，再定向发送控制指令.

2.3.3多线程响应

系统采用B/S和C/S混合架构模型[13],增加了用户使用的灵活性,同时也增加了多客户端同一时间操作的可能性.为保证系统能够及时响应所有客户端的控制请求,通信软件采用多线程技术对常用控制指令分别进行实时监控,实现了信息流的并发处理,提高了系统对多客户端同一时间请求的响应速度.多线程模型如图8所示.

图7　数据库架构与层次化控制示意图Fig.7　Schematic diagram of database architecture and hierarchical control

根据城市路灯实际照明特点,系统将承受在较短时间内接收全部网关并发数据的压力,如傍晚开灯时刻.为防止数据并发上传时出现丢失的现象,系统采用TCP/IP通信协议,同时通信软件借助服务器内存优势,将并发上传的数据首先暂存到缓冲器a/b中,并开设线程1对两个缓冲区的数据进行交替解析、存储.该方法充分利用了服务器的内存资源,有效地防止系统解析数据过于繁忙时出现“假死”现象.

图8　多线程模型Fig.8　Multi-threaded model

2.3.4异常掉线

网关在GPRS中异常掉线和网关的快速重新连接导致同一个网关与通信软件建立重复连接的假象,快速找出异常连接,释放分配的内存资源,可有效提高通信软件的运行性能.系统采用“即连即查,立判立断”的方法,即利用网关与通信软件建立连接时立刻查询网关地址的方法.当通信软件接收到网关上传的网关地址,首先与已有网关地址进行比较,判断是否重复.若已有该网关地址连接,则通信软件将其强制断开,释放内存资源,并将网关地址赋给新的连接.

2.3.5传送速率与可靠性分析

文中借助ZigBee网络、GPRS网络和Internet构建了整个系统的通信网络,为提高数据在网络中的传送速率和可靠性,系统采用两种连接方法:①采用专线接入点名称(APN)传输方式,即通过一条2 Mb/s专线接入移动公司的GPRS网络,使网关(SIM卡)与服务器端路由器之间采用私有IP建立广域连接;②将服务器托管到专业机房,利用专业机房的高速光纤网络连接和在全国分布的网络节点,有效保证了照明系统网站能被快速访问.

2.3.6节能策略运行

城市道路照明需求具有比较灵活的特点,例如深夜道路行人变少时,降功率运行或关闭辅道路灯;受阴雨天影响,提前开灯;为了配合在半夜时对某路段的路灯进行紧急抢修,需要人为关闭某段路灯;黎明关灯前1 h为满足清洁工需求,满功率运行等.为符合以上照明特点和智能控制,系统采用接触器策略和单灯策略并存的方法,即通过对整个系统的单灯设定运行策略,如开灯后满功率运行时间、夜间降功率运行、深夜关闭辅道灯等策略.最终在提供优质照明管理服务的条件下实现能源节约,减少光污染,其设置方法如图9所示.用户也可以对路灯每天的运行方式分别设定,最终形成日方案、周方案、月方案.通信软件将用户执行的方案分别下载到对应的网关,由网关每天定时将路灯运行方式广播给单灯控制节点[14].

图9　策略设置Fig.9　Policy configuration

2.3.7标注信息海量加载

将表示照明终端设备的图形标注加载到地图界面,是系统可视化管理的基础,它不仅能够提高管理效率,而且能够对照明设备的地理位置和运行状态进行可视化的监控.文中通过对照明设备的数量和参数特征进行分析,发现系统中需要监控单个路灯的运行信息不多,但单灯数量巨大;而网关数量较少,但需要监控网关大量的运行信息.如果单纯地采用普通标注Marker类,当路灯标注超过500盏时,将不能流畅加载照明设备图标.因此,系统在地图界面中采用Marker类定义网关设备,采用PointCollection类定义路灯设备,并通过配置其对象属性确定网关和单灯图标的大小、颜色等[15],供用户快速查询和识别.

系统通过照明设备的ID标识(添加照明设备时唯一分配的)建立图形数据和属性数据之间的联系,从而实现图形和属性间的相互查询.系统加载标注流程如图10所示,在页面初始化时向百度电子地图服务器发出地图加载申请,同时从数据库中读取照明设备参数信息,绘制照明设备图形并加载到地图上.从图中可以看出，界面共加载了14 041盏路灯标注.

图10　加载标注流程Fig.10　Process of loading marker

3实验及结果分析

系统中每个指令的完整传输都包括下行(发送)和上行(应答)两个过程.当在B/S端的实时监控界面点击控制按键时,系统同时向数据库写入一条包含网关地址和控制类型的指令.C/S端检测到该控制指令后将其按通信协议格式打包发送到指定网关,由网关控制对应的单灯;相反,以单灯为起点的应答帧,以同样的路径反向传输到数据库,供实时监控界面加载浏览.为了验证指令传输的时间,文中以网关地址为0551010006下的0018单灯为例对其进行查询数据控制.往返数据如下:

(1)2015- 08-19T22:46:56(查询数据控制):0205510100060608B00000187103;

(2)2015- 08-19T22:46:57(应答帧):020551010006862AB00000180005212101040218098840263A0802EAC50A03.

从发送数据查询指令到返回应答数据大约花费1 s的时间,完全满足路灯控制的实时性要求.

城市数字化照明系统中的策略控制是有效的节能措施.它在满足照明需求的前提下合理地控制路灯的降功率运行,最终实现能源的节约和环境的保护(减少光污染).文中以合肥市某区的1 066盏250 W路灯为实验对象,分别在照明系统的节能策略控制和手动控制下运行24 d,各自运行相同的时间,每天的用电量如表1所示.从表中可以看出,24 d中自由运行条件下的用电量为78 397 kWh,在照明系统节能策略控制下的用电量为61 590 kWh,节省了大约21.44%的电量.

表1照明系统节能控制和自由运行条件下的用电量对比

Table 1Comparison of power consumption under the condition of energy saving control and free running of lighting system

时间用电量/kWh节能控制自由运行时间用电量/kWh 节能控制自由运行第1天26703379第13天25803257第2天26403385第14天25503246第3天26703379第15天25803238第4天26403353第16天24303230第5天26403345第17天25503219第6天25803331第18天24903214第7天25803297第19天25803206第8天24903297第20天25503198第9天26403278第21天25503190第10天25803318第22天24603179第11天26403265第23天25503171第12天24903259第24天24603163

4结论

基于GIS技术、多线程技术、ZigBee通信技术和GPRS无线技术的城市道路数字化智能照明系统实现了对城市路灯的“单灯单控”、节能策略运行、可视化管理、异常报警等功能,让整个系统的全部路灯尽收眼底,运行状态一目了然,极大地提高了路灯管理效率,节约能源.该系统在合肥某科技有限公司得到了成功推广使用,为未来设备的组网管理、物联网技术的应用提供了一个例程.在互联网广泛普及的浪潮下,离散化设备的组网管理,能够节省大量的资源,使资源得到有效的利用,为生产设备的售后集中服务、设备的集中管理和维护提供了可能性.

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Design of GIS-Based Digital Lighting System for City Road

DONGYu-de1ZHANGChang-hao1DINGBao-yong1LIUMeng-meng1QUANXun-hua2DUQing-peng2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, China;

2. Hefei Fitbright Energy Saving Technology Co., Ltd., Hefei 230088, Anhui, China)

Abstract:Traditional city road lighting system has shortcomings such as a large quantity of energy waste, difficulty in making regulation work and out-dated control method. In order to overcome these shortcomings, a monitoring and control scheme for street lamps on the basis of the geographic information system (GIS) is proposed, and a communication architecture between lighting terminal equipment is designed on the basis of ZigBee and GPRS networks, so as to automatically acquire the operating parameters of lighting equipment in real-time, implement the energy-saving strategy and realize visual management and hierarchical control. Thus, such problems as data loss caused by the abort or delay of GPRS networks and the slow massive marker loading of map interface, can be solved, and both data transmission efficiency and reliability of system communication can be improved. Test results in an area of Hefei show that the proposed scheme and architecture can operate about 10 000 street lamps smoothly with a response time of only about 1 s, and they can save electric energy by 21.44% in comparison with traditional free control.

Key words:GPRS network; street lighting; gateway; ZigBee communication

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.01.008

中图分类号：TP393

作者简介：董玉德(1966-),男,博士后,教授,主要从事管理信息系统、面向个体的软件工程研究.E-mail：dydjiaoshou@126.com

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(51275145)

收稿日期：2015-04-24

Foundation item： Supported by the National Natural Science Foundation of China(51275145)