智慧城市背景下智能路灯管理系统的设计——基于GIS开发设计

周演汇

（九江职业大学 鹤问湖校区管理办公室，江西 九江 332000）

智慧城市背景下智能路灯管理系统的设计
——基于GIS开发设计

周演汇

（九江职业大学 鹤问湖校区管理办公室，江西 九江 332000）

为解决城市路灯管理中维修效率、实时状态监测、空间分析展示、智能预警响应等问题，采用GIS开发技术、ZigBee通信技术等设计一种可以实现对路灯状态信息实时监控调度、空间信息的展示、智能报警维修、智能应急响应的GIS终端控制系统。经测试，系统实现了预期的设计目标，能安全、稳定、高效地运行，符合功能应用需求。

GIS；智能路灯管理系统；ZigBee；空间数据库；属性数据库

城市的管理经历了从单纯的人工化到信息化过程，再到当下提出的智能化建设目标［1］，实现这一目标，任重道远，是一项复杂的系统工程，涉及到城市规划建设管理的方方面面，其中，路灯管理是城市管理中最基本﹑最重要的一个方面，涉及到生态环保﹑管理效率﹑日常检修的时效性﹑科学照明等问题。

本文从智慧城市建设的需求出发，以实际应用为任务驱动，拟设计一种基于GIS的智能化城市路灯照明管理系统，系统的设计思路是充分运用物联网技术﹑GIS开发技术﹑无线通信技术等，拟实现智能实时监控路灯运行状况﹑自动报警维修﹑空间可视化分析处理﹑空间数据操纵等功能，从而提高路灯管理效率和智能化水平。本文重点从系统的功能结构﹑模块组成﹑设计架构﹑GIS平台设计等方面着手进行分析和研究。

1 智慧城市与GIS概述

智慧城市是在数字化﹑信息化基础上进一步提升技术水平和管理效率，实现城市管理的智能化，综合运用多种新技术，充分挖掘城市生活中各种数据资源进行科学分析﹑监测﹑决策﹑统筹利用等，实现城市中各种硬件资源和软件资源的协调管理﹑智能调度﹑科学供给﹑高效运转，从而实现人与居住环境的和谐共处﹑智能共存［2］。智慧城市能给人类提供一个快捷﹑便利﹑高效﹑温馨﹑智能的生活空间［3］。

GIS是一种整合了信息﹑通信等多种技术，能描述﹑存储﹑处理空间特征信息的专门软件，能与属性数据信息建立链路，实现交互功能，能发现隐含的数据信息，揭示内在的空间关联性［4］。本文拟基于GIS技术开发一种能进行空间数据分析﹑管理，能对路灯状况实现智能响应的城市智能路灯管理系统。

2 系统总体结构设计

系统严格按照软件开发流程进行模块化设计，首先给出系统设计目标，再进行详细地需求分析，最后确定系统的总体架构设计。

2.1 系统设计目标

系统设计的目标是解决路灯管理与维护过程中实际存在的各类问题，拟解决的问题如下：

1）构建一套系统实现控制中心与单个路灯互联通信，实时控制路灯设备的运行状况；

2）单个路灯出现故障，不能实现照明功能，系统能自动响应，后台控制中心也能实时监测；

3）系统根据光照情况和下半夜行人状况决定单个路灯的开和关；

4）系统控制中心平台基于GIS开发，实现路灯空间特性的管理和各类空间应用操作。

2.2 系统需求分析

系统基于GIS技术设计，能实现相应的空间特征分析展示等功能，因此系统要具备运行稳定﹑网络通信可靠﹑实时响应﹑智能化处理等特征，本文主要从三个方面进行需求分析：

1）功能需求。系统必须满足各类用户的操作需求，用户类别包括：路灯管理部门行政管理人员和一线维修保障人员等。路灯行政管理人员期望系统具有很强的适用性﹑高可靠性﹑高准确性，能实现人工业务操作到数字化操作再到智能化操作的转变，同时具备安全性；路灯设施设备的一线维保人员期望系统模块之间运行稳定﹑具有高可靠的智能响应能力﹑全天候的实时处理能力等。功能需求主要是弄清系统能解决什么样的实际问题﹑具备什么样的能力﹑代替人工到什么样的程度等。

2）数据需求。重点从数据模型﹑数据的存储方法等方面进行分析，单从路灯的智能化管理角度分析，数据类型为属性数据，即非空间数据，主要有路灯实体的属性数据和灯箱﹑线缆﹑电气控制设施等实体的属性数据等，系统采用SQL Server2008实现存储操作；系统基于GIS构建，具备空间可视化的各类操作功能，因此，系统数据类型还应包括空间数据，即描述路灯﹑线缆［5］等实体的空间特征信息，例如路灯所处的经纬度信息等。系统数据模型如图1所示。

图1 系统数据模型图

3）性能需求。系统设计成功与否﹑性能优劣如何，要靠性能指标来评判，系统要满足以下性能要求：①确定系统中应包含的相关类型数据，系统要具备对这些数据处理﹑操纵的能力；②系统要具备较好的容错性﹑易使用性，实现安全稳定运行； ③系统运行时保持高效性，时间开销和空间开销要适中，满足较好的时空占比；④系统修改﹑升级维护要简便，同时应具备可移植性。

系统还应包括GIS的各类空间操作功能﹑属性信息与空间信息双向操作功能以及具有模块化开放接口，可以与智慧城市中其他应用系统互联。

2.3 系统结构设计

系统的结构模块主要包括：总控中心模块﹑中间控制模块﹑信息通信模块［6］﹑单灯控制终端模块［7］。系统智能化的特点决定了系统模块间通信链路是双向的，总控中心的指令可以到达各单灯设备终端，单灯设备的实时状态信息亦可反馈到总控中心。图2所示为系统的设计架构：

图2 系统设计架构图

系统运行处理流程如下：

1）中间控制模块与单灯控制终端模块通过ZigBee技术［8］组成无线传感网络，每个单灯的实时状况信息可以传递到中间控制模块继而传给总控中心，实现交互通信，单灯控制模块通过装载的传感器亦可实现智能调节开关灯；

2）中间控制模块与总控中心模块间通过GPRS通信技术实现数据通信，中间控制模块能将单灯的状态信息实时传递给总控中心终端。

3）总控中心模块通过通信模块接收到相关的状态数据信息后，作出分析识别，并通过GIS系统终端做出处理和响应：首先，能进行属性信息分析处理；其次，充分发挥GIS系统的空间处理能力，实现空间分析以及空间特征展示。

3 系统模块分析设计与关键技术分析

按照设计流程，对系统中的功能模块需作进一步分析与设计，从而完成系统的全部设计工作。

3.1 系统功能模块分析设计

1）单灯控制终端模块。主要功能是实现有关光照度和路面移动物体等环境信息的采集和传输﹑将自身的电压等状态信息实时上传﹑接收来自总控中心的有关指令。通过集成光照度﹑多普勒等类型传感器实现环境状态信息的采集：光照度传感器即为感应光照强度实现动态开关灯；多普勒传感器即为感应物体移动状态从而判断是否开关灯。

本模块实现无线传感功能的控制芯片可采用JN5139-X01-M0X［9］系列或CC2530系列芯片，它们同时支持IEEE802.15.4以及ZigBee，通过微型模块化技术使用户开发者减去很多中间开发环节，能使用户以最低成本实现快速组网。

2）中间控制模块。主要功能是实现与各个单灯控制终端模块组成ZigBee无线通信网络，收发并传递数据信息。

中间控制模块充当网络中继协调连接器的作用［10］，中间控制模块功能上主要包括GPRS［11］通信控制模块﹑射频通信控制模块﹑电源供电模块和主控芯片。射频通信模块充当ZigBee协调器角色，包含全功能设备（FFD），从而实现组网功能；主控芯片可选用CC2530或LPC2138等系列芯片。图3显示了中间控制模块主要硬件模块。

图3 中间控制模块主要硬件结构

3）信息通信模块。主要功能是实现各功能模块间的数据通信，从而实现无线控制功能，主要由GPRS无线通信模块和ZigBee模块组成，GPRS用于总控中心模块与中间控制模块间的数据通信，ZigBee则用于中间控制模块与单灯控制终端模块间通信。

4）总控中心模块。主要功能是实现人机交互功能，对从单灯控制终端传来的数据进行分析处理，发出相应的操作指令，并可进行相关属性数据和空间数据的统计分析。该模块是系统核心功能模块，是系统关键性的开发设计环节，主要包括：①首先要完成数据平台的开发设计工作［12］，即构建数据管理﹑操纵﹑应用﹑展示﹑分析的软件平台，可以利用的GIS开发设计工具有：ArcGIS﹑MapInfo﹑MapGIS等；②其次用C/S模式开发设计工具进行操作平台的软件开发，同时加入GIS控件［13］来完成整个系统的构建，从而达到控制和操作空间数据的目标以及实现属性数据的操作﹑统计﹑分析等；③再次对单灯控制终端模块传来的数据信息进行准确分析﹑识别﹑响应﹑处理，例如：电压的数据信息传来后，通过分析识别可得出路灯是否正常工作，做到精确维修排障［14］。

3.2 系统关键技术分析

1）系统软硬件设计。

系统中的硬件设计包含：传感器﹑控制芯片等设备的选取［15］；外围电路的设计等。系统中软件设计包含：芯片控制程序的开发设计﹑数据平台开发设计以及总控中心操作平台软件开发设计等。

2）数据平台开发设计。

数据平台开发设计是系统实现GIS开发的关键一环，是系统实现空间操作能力的基础，简单讲，系统数据平台开发设计主要包括两个方面：

①空间数据库设计。主要是对地面上的建筑物等空间实体进行分层分类，首先进行概念模型的设计，进而进入到逻辑模型的设计阶段，最后完成物理模型的分析构建，最后根据系统特征，确立系统所需的点﹑线﹑面﹑体图层。

②电子地图开发设计。主要包括以下两个环节：一是确定电子地图获取的方法。包括自己动手开发﹑向专业机构购买以及现场测绘自动生成等，本文从经济实用原则出发，确定采用自己动手开发的方法实现；二是确定具体的实现细节。自己动手开发的基本方法是在纸质地图的基础上通过GIS软件来完成地图实体的数字化工作，需要确定的开发细节包括：纸质地图比例尺问题；经纬度参数配准设置；图元信息结构的描述以及地物的属性要素信息的表述等。

3）总控中心终端应用平台研发。

该系统利用GIS技术开发了主控中心的操作平台，确定了开发工具为：MapX控件，Visual Basic，主要包括以下功能组件：

①实现数据信息从单灯控制终端到总控中心终端平台的传输，设计并实现数据接收端口的功能；②实现GIS系统的基本功能和特殊功能，包括地图控制操作﹑属性分析﹑空间信息展示﹑空间特征分析等；③实现系统所必需的分析识别﹑自动响应﹑智能处理等功能。

图4显示了系统总控中心操作平台的功能结构层次。

图4 GIS系统功能结构层次图

4 系统实现

本文在完成系统总体结构设计后，详细分析了系统功能模块及系统实现的关键技术，以九江市城区为研究背景，搭建了系统所需的硬件环境，开发设计了系统的数据平台，初步完成了GIS系统的软件设计工作，构建了原型系统，为系统的进一步研究奠定了基础。原型系统主界面如图5所示。

5 结束语

本文以实现系统的设计目标为导向，从解决实际问题和提高管理效率出发，设计并探讨了系统的设计流程和技术组成，实现了单灯控制终端状态信息的查询展示﹑异常信息的空间分析处理﹑依据环境状态信息自动开关灯﹑GIS的基本操作等功能，初步实现了城区路灯的智能化管理，为系统下一步开发升级﹑应用研究打下了根基。

图5 原型系统主界面

［1］ 李成名，刘晓丽，印洁，等. 数字城市到智慧城市的思考与探索［J］.测绘通报，2013（3）：1-3.

［2］ 王静远，李超，熊璋，等. 以数据为中心的智慧城市研究综述［J］. 计算机研究与发展，2014（2）：240-241.

［3］ 陈伟清，覃云，孙栾. 国内外智慧城市研究及实践综述［J］. 广西社会科学，2014（11）：141-145.

［4］ 周演汇，何立富. 基于 GIS的城区道路交通事故管理系统的需求分析与功能设计［J］.晋城职业技术学院学报，2012（6）：65-66.

［5］ 胡志祥，陈春光. 北京路灯地下管线地理信息系统建设介绍及启示［J］.测绘通报，2013（S2）：27-29.

［6］ 刘曙光，朱祖港. 路灯监控系统中的通信技术应用及探讨［J］.浙江电力，2013（12）：30-31.

［7］ 姜玉奇.智能照明控制系统设计与实现［D］.合肥：合肥工业大学，2015.

［8］ 谢永，许炜，王新勇.基于ARM的智能节能照明系统设计［J］.计算机测量与控制，2012（10）：2794-2796.

［9］ 王璐.基于 GPRS技术的远程数据传输系统的研究［D］.济南：山东大学，2008.

［10］ 刘凤霞.基于ZigBee的Led路灯智能照明控制系统的设计［D］.曲阜：曲阜师范大学，2016.

［11］ 常敏，陈征.基于无线传输的智能路灯控制系统设计［J］.电子科技，2016（9）：111-113.

［12］ 周演汇，何立富. 基于 GIS 交通事故管理系统的数据平台设计与实现［J］.温州职业技术学院学报，2013（3）：54-57.

［13］ 周演汇，何立富.基于Map X交通事故管理系统的功能模块分析与实现［J］.顺德职业技术学院学报，2014（1）：28-32.

［14］ 刘紫燕，罗超，杨扬，等.智能照明控制系统设计与实现［J］. 微型机与应用，2015（6）：19-21.

［15］ 钱彬. 智能路灯控制系统设计［D］.长沙：湖南大学，2015.

Design of Intelligent Street Lamp Management System under the Background of Wisdom City：a GIS-based Exploration

ZHOU Yanhui
（Crane Ask Lake Campus Management Office，JiuJiang Vocational University，JiuJiang Jiangxi 332000，China）

In order to raise the maintenance efficiency of urban street lamp，and realize real-time monitoring，spatial analysis display，and intelligent warning response etc，this paper designed a terminal control system by adopting GIS and ZigBee technology. After testing，the system could achieve the pre-set goals of street lamp real-time monitoring，space information display，intelligent warning and emergency response. The system is proved to be able to run safely，steadily and efficiently，meeting the functional application requirements.

GIS；smart street lighting management system；ZigBee；spatial database；attribute database

TU113.666；TP315

A

1672-6138（2017）04-0021-05

10.3969/j.issn.1672-6138.2017.04.006

2017-09-02

周演汇（1982—），男，江西九江人，副教授，研究方向：GIS﹑智能控制系统。

曹娜］