智能路灯控制系统设计实现*

刘紫燕，罗　超，杨　扬，杨通杰，罗厚德，胡红博（贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025）

智能路灯控制系统设计实现*

刘紫燕，罗超，杨扬，杨通杰，罗厚德，胡红博
（贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025）

传统的路灯管理和维护采用人工巡查的方式，效率低下，费时费力。城市智能路灯控制系统借助无线传感器和GPRS，实现对路灯实时控制和检测。系统采用C/S结构，以PC为客户端，通过GPRS无线通信方式接入服务器终端，实现基站与客户终端的连接。PC客户端通过处理数据来提醒用户基站存在的异常和手动控制基站。实验测试表明，系统运行正确，稳定可靠。

智能路灯；基站；服务器；PC终端；GPRS

0　引言

城市路灯系统是现代城市建设中重要的组成部分，它服务于交通安全和人们的出行、休闲及生活，美化了城市容貌。目前，国内大多数城市的路灯控制系统采用“全夜灯恒照度”的模式，其能源利用率低、资源浪费大。路灯分布在城市道路的每个角落，自然或者人为的损坏时常发生，由于其分布广泛，给路灯的管理、维护工作带来极大的困难。路灯管理部门多采用上路巡查的办法来发现故障、排除故障，不仅反应迟缓，且费时费力费钱，很难满足高“亮灯率”的管理要求，也远远落后于现代化道路照明的需要［1-3］。

本文设计的智能路灯控制系统将无线传感网络与现有移动通信网络相结合，整个智能路灯控制系统由无线传感网络（WSN）、移动通信网络、服务器、计算机控制中心等部分组成。无线传感器网络负责路灯运行状态数据的收集和路灯的亮度控制，而移动通信网络将相关数据在基站和网络服务器间传输［4-5］。计算机控制中心监控全部路灯的运行，对整个区域的光能进行合理优化，以减少电能消耗。

1　智能路灯控制系统总体设计

基于WSN的智能路灯控制系统由路灯控制节点、路灯协调器、远程终端控制系统组成，系统各部分连接图如图1所示。

图1　系统体系架构设计

路灯控制节点安装在每个路灯上，其与路灯协调器通过无线传输方式连接，多个路灯协调器及其所管辖的路灯控制节点组成了整个无线传感器网络（WSN）。整个智能路灯控制系统通过部署在无线网络节点上的传感器采集路灯运行过程中的光照强度、周围温度等状态信息，并通过nRF905芯片的无线传输方式将路灯运行状态信息传送至路灯协调器，路灯协调器负责对信息进行分类、计算、转化等初步分析。路灯协调器与GPRS模块直接相连，经GPRS网络将路灯运行状态信息储存至网络服务器。远程终端控制系统的操作人员只需登录Internet运行路灯控制程序即可了解路灯运行过程中的相关信息，同时将对路灯进行相关操作的控制信息发送到无线网络节点，进而控制运行中的每一盏路灯。

1.1GPRS通信方式

GPRS是基于GSM的移动分组数据业务，在现有GSM网络基础上叠加的一个新网络，可为用户提供端到端的、广域无线IP连接。GPRS是一项无线高速数据传输技术，以分组交换技术为基础，用户通过 GPRS可在移动状态下使用各种高速数据业务。

本系统采用GPRS无线通信方式。各个无线传感网络节点处采集的信息通过无线方式（nRF905芯片）传输到路灯协调器，在路灯协调器的微处理器中进行分析、计算、转化等信息处理，处理后的信息传送至GPRS模块等待发送出去，并利用GPRS网络将处理后的信息传输至网络服务器并存储，其过程如图2所示。

图2　协调器和GPRS的连接

1.2路灯控制节点

路灯控制节点是系统重要组成部分，安装在每个路灯上，其不仅能接受来自控制中心的命令对该节点路灯进行控制和检测，还能通过温度和光传感组成的传感器电路采集外界自然环境状态信息，经STC52（MCU）处理传感器电路采集的信息，进而由自适应调光电路实现路灯的自动控制。其结构框图如图3所示。

图3　路灯控制节点结构框图

2　软件设计

该智能路灯控制系统以PC为客户端，在软件开发中使用Net Framework 4.0搭建应用开发环境进行系统开发，使用 VS2010和 C#语言开发应用程序，其框架图如图4所示，主要包含PC服务终端模块和PC客户端模块两个部分。

PC服务终端模块主要功能是为基站和客户终端建立联系，以及提供一些能够自动处理的功能。它包含数据收发和数据处理两个模块，数据收发模块负责数据的网络传输和识别；数据处理模块处理终端的数据请求和逻辑请求，对远程基站进行控制，这些控制信息将由用户界面交互得到，同时还具备数据异常处理功能。

图4　智能路灯控制系统开发框架

PC客户端的主要功能有数据收发、数据处理和界面交互。其中数据处理是终端的核心，用户通过界面交互了解到基站的相关信息，从而手动控制基站。此外，终端软件本身具备通过数据处理来提醒用户基站存在的异常（比如路灯损坏等）的功能。

2.1PC服务终端软件设计

PC服务终端的基本原理是：建立一个专用的接收连接主服务，在接收到连接后建立一个专用的处理数据逻辑的数据处理服务，这个处理服务将接收和处理来自客户终端的获取和控制请求［6］。该部分的实现主要由以下函数构成：

public void Run（）//处理客户端请求

public Socket Accept（）//建立数据服务功能

On Start Server（）//提供开关服务器服务接口

流程图如图5所示。

图5　服务端程序流程图

主要工作流程如下：

（1）服务端程序启动，并开启数据监听程序。系统采用TCP协议进行网络数据传输，所以对运行监听程序的服务器要求有对外独立的可供访问的IP地址，本系统的对外IP是210.40.16.55，开放端口为7777。由于监听程序将处于一直循环监听状态，如果该监听程序在界面UI线程中运行，将会导致UI反应迟钝，故将监听程序放到一个新的线程中运行。

（2）当监听程序接收到连接后，为改连接开启一个数据处理服务。连接来源有三种：基站、PC客户端以及手机终端。之后建立一个数据处理服务程序，并将其放到一个新的线程中去运行。

（3）在数据处理服务开启后，它将一直处于数据接收状态，并预处理数据接收，直到数据接收完毕。该部分的功能主要是数据接收功能。本文制定的网络传输协议包括基站与服务端的协议、PC客户终端与服务器的网络协议、手机客户终端与服务器的网络协议。

（4）将接收到的数据转换成系统数据转换器，数据转换器保存需有数据的类型以及真正需要交互的数据。

（5）根据转换器得到处理类型，不同处理类型作相应的处理并发回客户终端。如果发送成功，程序将继续回到步骤（3），如果发送过程出现异常或连接断开等情况时，数据处理接听程序将结束。

2.2 PC客户端软件设计

PC客户端的工作原理是：建立一个数据处理监听程序不停地监听由界面交互产生的数据处理命令，并根据处理命令与服务器进行交互，提交相应的命令和控制［7-8］。该部分的实现主要由以下函数构成：

Private voidWindow_Loaded（object sender，RoutedEventArgs e）//初始化UI界面

Private void btn_Click（object sender，Routed Event Args e）//建立界面与服务器交互

VoidTimer_Elapsed（object sender，System.Timers.Elapsed Event Args e）//定时向服务请求更新数据

Void run（）//与终端保持数据接收，处理数据请求Void command（string cmd，object data）//命令组织发送接口

Void CloseAll（bool isturnon）//控制所有灯泡信息开关

主要工作流程为：

（1）程序开启，连接服务器。通过固定的服务器 IP：210.40.16.55，端口7777连接到远程服务器。

（2）连接成功，建立数据处理程序，与服务器进行交互，定时系统开启。其中包括数据的接收预处理、数据处理程序开启、定时命令提交系统三个部分。数据网络传输是基于TCP协议，通过预处理可以得到数据转换器。定时命令提交系统中会定时向系统服务器提交由交互界面产生的控制命令。

（3）响应或提交处理命令。该部分是客户终端的核心部分，针对不同的数据处理请求相应的操作。用户界面交互产生对服务器的控制信息，控制信息发送给服务器并得到响应后获取到SET请求，再解析数据转换器中基站信息，检查基站更新数据，如发现异常信息，界面交互提醒用户，最后更新到本地数据缓存，界面刷新，从而达到同步显示的目的。用户可以根据同步显示的信息或系统提醒的异常信息向客户终端提交相应的用户处理请求，这些请求最终转换成基站信息，然后通过CONTROL请求发送给服务器，从而实现客户终端对远程基站的实时监控与控制。PC客户端程序流程图如图6所示。

图6　PC客户端程序流程图

3　系统测试

（1）服务端运行结果

服务端运行结果如图7所示。从图7中可以看到整个连接的过程：

①启动服务器程序；

②服务端程序接收到PC终端连接；

③服务端程序接收到基站连接。

图7　服务端程序接收到PC终端连接

接下来服务端程序就可以处理PC终端请求并发回基站。

（2）PC终端运行测试结果

当路灯运行故障时，PC客户端错误消息窗口给出错误提醒，如图8所示。从图8可以看到，3号灯出现故障，系统初步判定是光敏电阻出现异常。

图9显示了PC客户端工作的界面，系统建立连接并可以正常进行数据通信。路灯控制节点接收来自控制中心的命令对该节点路灯进行控制和检测。如图9所示，当1、2号节点亮度不足时，终端发出指令调节1、2号节点的亮度，直至达到所需亮度。另外，可以很直观地看到3号灯出现故障并报警，同时系统初步判定是光敏电阻处出现异常。

图8　路灯出现故障报警

图9　PC终端控制路灯界面

4　结论

本文设计的城市智能路灯控制系统将无线传感器技术与GPRS无线通信技术相结合，由无数个路灯节点、多个中心节点（基站）、服务器和手机/PC客户端组成。各个部分通过通信介质传达控制命令，实现远程控制路灯。经实验测试，本系统不仅可以对故障路灯进行远程监控和定位，还可以通过移动或PC终端实现对路灯亮度的调节，大大提高了路灯管理水平和服务质量，实现了合理照明、美化照明及安全照明的理念。

［1］项新建.城镇路灯智能控制系统的研究［J］.仪器仪表学报，2006，27（6）：194-197.

［2］贺一鸣，王崇贵，刘进宇.智能路灯控制系统设计与应用研究［J］.现代电子技术，2010（1）：207-210.

［3］黎洪生，刘苏敛，胡冰，等.基于无线通信网络的智能路灯节能系统［J］.计算机工程，2009，35（14）：190-192.

［4］宋成艳，李扬，梅运华.基于无线通信的城市路灯监控管理系统［J］.微计算机信息，2007，23（21）：19-20.

［5］张伟，王宏刚，程培温.基于 GPRS的智能路灯远程监控系统的研究［J］.计算机测量与控制，2010，18（9）：2104-2106.

［6］刘三梅，程韬波，胡战虎.基于GPRS/WEBGIS路灯节能监控系统的设计与实现 ［J］.计算机工程与设计，2008，29（1）：187-189.

［7］张艳，赵衍娟，杨眉.基于 WSN技术的路灯控制系统的设计与实现［J］.东北电力大学学报，2011，31（1）：84-87.

［8］胡开明，李跃忠，卢伟华.智能路灯节能控制器的设计与实现［J］.现代电子技术，2009，32（9）：143-145.

Design and im plementation of intelligent street light control system

Liu Ziyan，Luo Chao，Yang Yang，Yang Tongjie，Luo Houde，Hu Hongbo
（College of Big Data and Information Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

The management and maintenance of the traditional street lamps use the manual inspections，which is inefficient and time-consuming.The intelligent street light control system achieves the real-time control and detection of the street lamps by wireless sensors and GPRS.The system uses C/S structure.The PC client gets access to the server through GPRS so that the connection between the base station and the client is established.The client reminds user the exception and controls base station by processing data.The experimental results show that the system runs correctly，steadily and reliably.

intelligent street light；base station；server；PC client；GPRS

TP273.5

A

1674-7720（2015）06-0019-04

2014-10-28）

刘紫燕（1977-），女，副教授，主要研究方向：无线通信，下一代通信系统。

贵州省软科学研究项目（黔科合R 字［ 2014 ］ 2025 号）

罗超（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式通信、电力线载波通信。