智慧城市中智能路灯网络设计

    吴权晖+林启英

    

    摘 要：文章结合智慧城市的需求，对智能路灯网进行了设计，提出了安防、交通服务、环境监测以及照明等多项功能，并就其网络结构、硬件以及软件设计进行了总结。

    关键词：智慧城市；智能路灯；设计

    2008年IBM公司首次提出了“智慧地球”这一理念，而“智慧城市”作为其中非常重要的一部分，其在推动“智慧地球”发展上发挥着至关重要的作用。智慧城市主要是指采用一系列较为典型的智能应用系统共同组合而成，例如：智能照明系统、交通系统以及智能环境监测等。为此，加强智能路灯网络的建设在推动智慧城市发展中具有非常重要的作用[1]。本研究拟结合6LoWPAN技术对智能路灯网络进行设计。

    1 智能路灯的网络结构

    通过6LoWPAN技术的运用，可从根本上实现对物联网感知延伸层传感器节点的有效接入，从而更好地实现与互联网的有效接入，并能够因此实现传感器网络末梢节点IP化的有效实现。智慧城市中智能路灯网络具体如图1所示，该网络仍然是以当前最主流的协议IPv4为依托，并基于此逐渐向IPv6实现有效过渡。

    基于物聯网技术来进行网络的架构设计可将智能路灯网划分为非常典型的3层，分别为：网络层、感知延伸层以及应用层，其中网络层主要是对6LoWPAN技术进行运用，基于路由器来组建网络；感知延伸层则主要是在6LoWPAN基础上，通过各种执行器节点以及各种类型的感知节点而构建起来的一个数量较为庞大的网络；应用层则主要运用的云架构技术，能够通过服务器群模式来实现系统对各种服务功能的有效执行，针对不同的感知层节点功能和服务系统功能，其能够进行相应的分类，部分还可进行复用，例如：转发、存贮、管理等。

    感知层的传感器以及应用层功能本身就存在着相应的映射关系，智能路灯网的感知延伸层节点通常是由系统的路灯开关继电器以及光明传感器等构成；智能交通系统的传感器包括计数器、摄像头、ETC读卡器等；空气污染检测器、噪声污染检测器以及烟雾感应器等组成了智能环保系统的延伸层；红外感应器、摄像头以及报警器则为智能安防系统的延伸层。

    最原始的感知延伸层其节点均是在非IP基础上的，但因受到物联网发展的影响，其对智能系统提出了更好的要求，这就需要通过端与端之间进行有效的执行和访问[2]。为此，在6LoWPAN系统的基础上，通过各种感知延伸层的节点，即可促使互联网与智能路灯网络进行有效连接，从而更好地推动智慧城市的建设。

    2 智能路灯的硬件设计

    2.1 6LoWPAN普通路由器

    通过操作系统来实现6LoWPAN协议栈需要的支持，结合6LoWPAN的特点，我们在设计中主要运用了Contiki操作系统进行6LoWPAN普通路由器的实现。路由器核心芯片主要采用的是TI的CC2538。该芯片的性能非常强劲，并且内部的资源非常丰富，可有效实现对Contiki的支持。

    2.2 6LoWPAN节点设计

    为了能够更好地实现对6LoWPAN的有效扩展，在对其硬件进行设计时，应当将其模式进行统一，简单来说，即为插入式+底板模块的处理方式。在设计中，将所有接插件之间的间 距确定为标准的2.54 mm，其能够用于对传感模块、无线通信模块等多个模块进行有效连接。例如：运用LX1970芯片来作为照度传感器，该芯片传感器主要为可见光亮度传感器；运用DS18B20主芯片作为温度传感器的芯片，这种芯片传感器属于单线智能温度传感器；运用CX20106a芯片的接收模块来作为超声波；电源模块则主要为多路输出模块，其能够实现对各个节点的有效供电；路灯的控制器主控开关主要采用的是附带有光耦合的多路继电器[3]。

    在智能路灯的网络中，摄像头最主要的作用是进行视频识别、远程监控以及探测报警等作用。在网络设计中，选取了较高性价比的网络摄像头。在对视频进行传输的过程中，因其对带宽的要求非常高，为了能够更好地提升其稳定性，我们在研究中将路灯杆的AP专门设置为了无线网桥模式，通过这种方式的设置，其能够通过多跳连接，经过6LoWPAN的边界路由器来进行互联网的连接，同时还可经过4G移动网络或者PON网络来实现与互联网的连接。各种照片的信息可由网络摄像机进行获取，并且因其相较于视频数量较小，故能够直接经由6LoWPAN网络来实现转发。因各种多媒体设备其不仅成本较高，同时对供电的需求也相对较高，为此，目前并不建议对每个路灯杆进行相关设备的配置，而是在道路相对较为重要的位置进行配置，并进行6LoWPAN路由器的安置。终端用户则能够通过PC或者手机端来实现对视频的访问，并可经由远程控制的方式来实现对摄像机焦距、视频探头云台等设备参数进行控制和调整。视频探测则是在硬件的基础上，通过识别算法来实现，能够对不同场景的视频数据进行分析和展现，从而深度挖掘视频数据，例如：经由人脸识别算法来实现对人员目标的追踪，基于车牌识别算法而进行车辆记录和车流量的统计。

    2.3 6LoWPAN边界路由器

    为了能够更好地实现对6LoWPAN节点互联网的直接访问，就必然需要一个协议来实现有效转换。6LoWPAN边界路由器主要是为了能够实现6LoWPAN与IP协议栈之间的有效转换，从而促使IPv4网络协议及IPv6网络协议能够实现互通。6LoWPAN边界路由器主要采用的是异构网络系统中的网关设备，其能够实现对6LoWPAN网络的建立，并实现对无线mesh网络拓扑结构的有效维护，同时还可实现数据的相互转发等。为了能够更好地实现对开发复杂程度的控制，本研究在对智能路灯网络设计时，主要是将CC2538作为主控单元。此外，其硬件还包括了随机存储器单元、电源管理模块、以太网控制单元。

    3 智能路灯的软件设计

    3.1 软件整体架构

    智能路灯网络除了需要依靠较好的硬件设备之外，同时其对软件设计也有着较高的要求，我们在对软件整体设计中，主要是基于Contiki操作系统来实现。在软件整个架构中，硬件系统属于最底层，中间层则主要为驱动程序，其主要用于实现与硬件设备的相互连接，以便上层软件进行有效调用，操作系统内核可有效实现对管理系统任务的运用，并能够结合系统事件来实现对各项任务的调度执行。用户的主要应用程序是基于UDP协议的基础上来实现对各种传感节点以及应用程序的管理和开发[4]。

    3.2 6LoWPAN网络层软件设计

    就当前实际情况来看，TCP/IP协议栈是当前最主要的栈，其与6LoWPAN协议栈本身就存在着密切的对应关系。边界路由器在运行中，主要是IPv6与IPv4两种通信协议来实现，其中IPv6主要发挥的是自动隧道寻址协议ISATAP机制，而IPv4则主要是对uNAT-PT机制进行发挥。在其与IPv6网络通信協议时，可对ISATA隧道处理模块进行合理的选取，并基于此实现主机与隧道之间的连接。

    3.3 应用层设计

    在智慧城市面向服务的体系结构（Service-Oriented Architecture，SOA）标准中，智能路灯网络的合理运用可以说是其中非常重要的一部分，其能够从流程、业务来对相应服务元素进行增加或者删减。在SOA框架的条件下，各种功能可经由ESB总线来实现有效的连通，并能够对现有的资源进行充分的运用，从而实现对应用软件各种信息孤岛等一系列问题的有效解决，同时还可对服务功能拓展空间进行更好的保留。

    基于SOA框架基础上，智能照明系统能够对6LoWPAN节点红外感应器以及亮度传感器等进行相应的调用，从而实现对行人、车辆以及光线等各方面情况，来确定是否需要进行照明，同时路灯还能够结合周围光线情况来适当的调节其亮度，同时还可对照明进行启动和关闭。除此之外，当出现无法进行照明的情况时，还可及时向供电部门或者控制中心发出警报，以便工作人员能够对路灯进行及时有效的维护处理。

    此外，本研究所提出的智能路灯网络还具有交通服务、环境监测等多项功能，其中交通服务则是基于地理信息系统（GIS）的基础上，来提高智能灯杆的定位作用，并结合超声波测速、网络摄像头以及ETC读卡器等相关设备为交通控制中心提供有效的服务。环境监测则能够通过空气污染检测器、噪声传感器等的配置来实现对城市空气质量等方面的监测。安防服务则主要是在灯杆中增加红外感应器以及摄像头等，实现对覆盖范围城市安全的有效监控，同时还可通过报警以及特定目标识别等功能来提升其作用，更好地服务于城市安全。

    4 结语

    总而言之，在智慧城市建设中，通过对智能路灯网络的构建设计，能够路灯充分发挥照明、安防、交通服务以及环境监测等作用，为智慧城市提供多项服务功能，使得城市更加智能化。