基于智慧灯杆应用的关键设备智能控制器设计

2020-03-10俞青松江中舟

智能物联技术 2020年2期

俞青松，江中舟，陈晨

（浙江意博高科技术有限公司，浙江杭州 311100）

0 引言

智慧灯杆基于道路照明分布，可以挂接多种感知、控制、显示、指示设备，如监控摄像头、LED显示屏、5G微基站和无线充电、环境数据感知、运动数据感知、道路数据感知设备等，是城市信息基础设施的优质载体。

智能控制器用于接入挂接在智慧灯杆上的各种设备，实现设备的自动识别、即插即用、数据加密、VPN传输和策略存储、策略联动、自动运行功能，是智慧灯杆建设的关键设备。该设备的使用，可以有效降低工程安装难度，减少技术人员现场调试和后期维护运营的工作量，加快工程进度，降低项目综合成本。

1 设计需求介绍

控制器安装在室外道路灯杆杆体内，应具有良好的环境适应性，工作环境温度应满足-40℃~85℃，工作环境湿度应该满足5%~95%（无凝露），同时还应该满足电磁防护的要求。

控制器需具备多种硬件接口（100/1000M自适应网口，RS232/485，USB接口）、无线WIFI/ZigBee连接和多种设备协议自适应性，可以方便地接入基于智慧灯杆上挂接和道路周边感知控制的各种设备，对设备数据、设备状态、设备控制进行离线和在线管理，同时可以对设备数据进行存储、处理、分析、关联，数据加密、VPN传输。

控制器可以存储和自动执行控制中心下发的策略，应具备完备的日志保存和日志管理功能，对其的设置、修改、资料删除等进行完整记录；对出现的异常死机具备自动恢复功能，同时具有应用程序远程升级和远程维护功能。

2 硬件设计

2.1 核心板设计选型

产品从可靠性、稳定性、性能满足性方面考虑，采用成熟稳定的核心板+自己设计的扩展底板方案。

核心板型号：HTGY-i.MX8M Mini-CORE，采用高性价比的NXP i.MX8M Mini CPU，主CPU 4×Cortex-A53@1.8GHz，512kB L2，微处理器Cortex-M4 400MHz，GPU GC NanoUltra 3D（1 shader）+GC320 2OpenGL ES 2.0，芯片尺寸14×14mm，工作温度-40℃~105℃（Tj），同时集成了ROHM电源芯片、DDR4、eMMC存储器及200PIN工业连接器。如图1所示为NXP i.MX8M Mini芯片的系统框图。

图1 NXP i.MX8M Mini芯片的系统框图Figure 1 System block diagram of NXP i.MX8M Mini chip

2.2 控制底板设计

控制底板设计主要是满足外围设备接入、显示要求。主要包括以太网口（RJ45）、液晶显示接口（MIPI to LVDS）、USB接口、WIFI接口、M2PCIE固态硬盘接口以及SD卡接口电路。

串口设计：从核心板引出1路串口用于调试，引出1路串口通过max232芯片进行电平转换用于RS232通信，引出1路串口通过max485芯片进行电平转换用于RS485通信，引出1路串口做备用；

实时时钟设计：采用I2C通信方式，外接时钟芯片PCF8563及高精度晶振，并使用纽扣电池进行掉电时钟维持；

WIFI接口设计：采用SDIO接口，使用LSD5WF-3018模块，用于实现手机APP和智能控制器的数据交互；

USB接口设计：从核心板上引出1路USB采用microUSB接口用于下载；引出另1路USB通过USB hub芯片GL850A进行USB口扩展，扩展后1路用于4G模块通信，2路采用USB Type-A接口，用于外部U盘、鼠标、键盘等USB设备接入，保留1路USB做备用；

电源设计：使用TLV62130 DC/DC芯片、AP3410 DC/DC芯片、ASM1117 LDO芯片等电源转换芯片把输入的12V电压转换为5V，3.3V和1.8V等不同的电压，供不同的电路模块使用；

SD卡接口设计，如图2所示。

图2 SD卡接口设计Figure 2 SD card interface design

固态硬盘接口设计，如图3所示。

图3 固态硬盘接口Figure 3 SSD interface

整机硬件可靠性设计，如图4所示。USB、RS485等接口处加ESD保护芯片；电源输入采用防反接电路及过流保护；处理器加装散热器，保证工作在合适的温度范围；选用工业级芯片；在电路设计时考虑器件降额设计。

图4 硬件可靠性设计Figure 4 Hardware reliability design

3 软件设计

3.1 软件设计原则

（1）设备自动识别和配置

接入智能控制器的设备来自不同的厂家，需在使用前进行一定的配置。软件设置原则是通过在上位机服务或本地服务实现对各厂家设备的远程或者本地配置，实现传感设备接入即可用的目的。

（2）设备异常处理机制

由于智能控制器运行环境复杂，在系统运行过程中较大概率会出现异常状况，包括异常断电、异常断网以及频繁断电。针对以上情况，在设计中应包含异常处理、主板硬件电源部分改造、软件远程/本地启停服务等应对方式。

（3）远程跨网穿透访问机制/数据安全传输

在设备运维过程中，通过远程或本地，针对软件应用、设备升级、组件维护等工作的数据分发；嵌入式实时操作系统、专用通讯协议、数据通道加密，实现数据的安全传输。

（4）负载均衡

随着智能控制器应用数量的增加，单服务器应用难以满足低延迟、高负载的业务需求，因此将智能控制器服务器端的工作负载分布到多个服务器上，以提高上位机服务的性能和可靠性，提高并发处理能力。

（5）集成小型化平台

在配置完成后，能实现本地设备自管理控制、接入设备之间的联动等功能；在断网的情况下，也不影响接入设备的正常运行和控制，在恢复网络后，自动同步给上位机。

（6）自动化运维

解析接入设备的协议，监控设备的状态、故障信息，精确定位设备故障点和故障时间；接入设备联动服务，如感知数据自动投放至大屏。

3.2 软件功能

如图5所示为软件总体框图及拓扑图。软件功能主要包括系统首页、设备管理、场景策略管理、设备运维、系统工具五大模块。软件系统以嵌入式开发方式和固件一同烧录在智能控制器中，提供给设备管理人员、运维人员、现场实施人员，使用用户名和密码实现远程和本地登录访问和管理。

图5 软件总体框图及拓扑图Figure 5 Software overall block diagram and topology diagram

（1）系统首页

登录后，系统展现首页信息，除了展示智能控制器当前运行情况、设备IP地址、MAC地址、当前设备版本以及系统软件版本等信息外，还展示智能控制器当前管理的接入设备。

首页除信息展现外，包含设备管理、场景策略管理、报警管理、设备运维和系统工具五大一级功能菜单。

（2）设备管理

设备管理实现对接入的其他感知设备，主要包括视频监控、环境监测、WIFI、积水监测、一键呼叫、智慧路灯等设备的管理功能，包括设备总览、设备接入配置、设备参数修改等子功能。

设备总览以列表方式对接入设备进行概览。列表内容包括设备名称、类型、型号、ID、IP地址（如有）、MAC地址、本地策略（如有）、接入方式、是否正常运行、报警信息等内容。列表支持设备增、删、改操作功能。

外接设备接入系统后，硬件设备实现即插即用，软件系统识别到系统后，通过接入设备配置功能在设备列表中增加设备、配置参数和实现设备总览。设备信息被软件系统读取后，完成设备接入动作，并可通过远程或本地的方式，对接入设备参数进行配置。

（3）场景策略管理

场景策略功能包括通用策略、数据存储配置、报警逻辑配置功能。通用策略配置实现本地时序控制策略配置，满足智能控制器断网后感知设备仍然正常运行，并持续和智能控制器保持数据通信。数据存储配置实现接入设备数据存储频次、存储时长、存储形式的配置。报警逻辑配置实现各个感知设备对应的业务功能预警的上下阈值、报警次数记录和报警通知。

（4）设备运维

电源控制功能面向设备维护、管理人员，实现接入设备的统一电源控制、单路电源控制。该功能通过接入电源控制模块实现。设备状态功能实现接入设备运行状态实时监控，供运维、管理人员人工监测设备状态，便于判断设备真实情况。

（5）系统工具

系统工具包括系统升级、重启系统、修改登录口令、系统日志5个二级功能。系统升级功能实现远程、本地升级方式。恢复出厂设置实现系统设备恢复到出厂状态，将清空所有配置数据（支持恢复前配置数据导出）。重启系统实现远程、本地操作，系统重启后会自动连入网络。修改登录口令实现管理员登录口令修改。系统日志实现系统操作日志查看。

3.3 重点功能设计

（1）设备接入流程设计

在灯杆上挂接的设备有很多种，同时道路周边也有很多设备需要通过接入智能控制器进行数据传输、状态反馈和策略控制（如井盖监测设备、智能垃圾桶），还有基于智能灯控系统的单灯控制器、基于移动设备的手持控制器、智能手机等设备的接入。

所有接入设备按照连接方式可以分为有线连接和无线连接；按照协议提供方式可以分为具有底层控制协议（AT命令）和提供SDK包控制方式。为了实现现场挂接设备的即插即用，需要对设备进行匹配识别、协议解析。因此对提供AT命令控制的设备，协议解析可以直接做在智能控制器端，而通过SDK包进行协议解析的设备，需要通过平台端进行。

智能控制器接入设备的主要流程如图6所示。