嵌入式路燈遠程監控系統的研究與設計

張小平，牛晉平，李 亞

(1.新疆輕工職業技術學院 信息與軟件分院，烏魯木齊 830021；2.新疆招生辦公室，烏魯木齊 830021)

嵌入式路燈遠程監控系統的研究與設計

張小平1，牛晉平1，李 亞2

(1.新疆輕工職業技術學院 信息與軟件分院，烏魯木齊 830021；2.新疆招生辦公室，烏魯木齊 830021)

隨著眾多科技成果產業化實踐，路燈種類數量猛增；其中，嵌入式路燈憑借安裝簡便、外觀一體化強、整體美感突出等諸多優點，被廣大使用者所推崇；但是，傳統嵌入式路燈監控系統存在多組燈系啟動、關閉、維護、巡查困難，故障排除時效長、人力資源開銷大的弊端；針對問題產生根源，提出針對嵌入式路燈遠程監控系統的設計研究方法；采用高集成低頻無線對接模塊，對每個燈組進行編碼橋接，采用網絡大數據FGT-J5i處理單元，對燈組進行網絡遠程智能化監控，同時，搭建配套智能監控平臺；通過仿真實驗測試證明，提出針對嵌入式路燈遠程監控系統的設計，滿足日常使用與遠程監控要求。

嵌入式路燈；遠程監控；大數據

0 引言

隨著現代化進程的加速，互聯網智能技術產業化取得了長足發展。路燈作為一座城市中必不可少的城市建設基礎設施，日常維護問題成為城市建設中首要的解決問題。隨著嵌入式路燈監控系統的出現與廣泛使用，給日常路燈維護工作減少了一部分工作量。但傳統的嵌入式路燈監控系統依然存在單一或多組監控點損壞[1-2]，難以繼續反饋路燈狀態。傳統的嵌入式路燈監控系統單一采用電流檢測方式，無法實時反饋路燈狀態，造成送電后路燈亮度異常、不能反饋報警等一系列問題[3-4]。不利于路燈的動態實時管理、維護工作的開展，同時，路燈監控、維護上的資金、人員開銷過大也是傳統路燈維護工作中的一大難題。

針對上述一系列問題，經過深入分析研究后提出嵌入式路燈遠程監控系統的設計。依托互聯網技術，采用網絡大數據FGT-J5i處理單元，將嵌入式路燈進行低頻專屬橋接綁定，配合PGKFV技術對橋接組群中的每個路燈進行特征綁碼，保證每一個嵌入式路燈都有一個自己專屬的身份信息。利用數字網絡信號轉輸算法，將路燈狀況實時通過網絡專線傳輸到監控終端，完成對嵌入式路燈的遠程監控。最后，搭建終端監控平臺，采用無人值守的智能BHQK算法，創建平臺底層框架，使平臺具有智能化運算核心，保證日常嵌入式路燈監控與維護工作的需要。

通過對提出嵌入式路燈遠程監控系統的設計方法的仿真實驗測試證明，提出的嵌入式路燈遠程監控系統，各項測試數據優于傳統路燈監控方式滿足日常嵌入式路燈監控維護工作要求。

1 嵌入式路燈遠程監控系統的研究與設計

1.1 嵌入式路燈遠程監控系統的組成及原理

嵌入式路燈遠程監控系統主要由兩個部分組成，即監控中心的主控計算機和道路兩旁路燈現場的多臺嵌入式路燈終端，他們之間通過 GPRS-Internet連接。監控中心主控計算機通過與 Internet 連接，可以采集到路燈的實時運行參數，并且對路燈進行遠程監測、控制和管理。

嵌入式路燈終端的設備要求位于移動通信覆蓋的區域范圍內。嵌入式路燈終端接收的執行來自監控中心的各個命令，如開關路燈命令、設置路燈開關時間、校對時鐘命令等，該系統通過傳感器能夠自動檢測出終端路燈設備的異常事故，并及時將信息上傳給主控中心計算機。嵌入式路燈遠程監控系統組成結構見圖 1。

圖1 嵌入式路燈遠程監控系統圖

系統運行的基本原理為，一是控制方面：到達指定時間，單片機控制打開GPRS模塊，并且通過GPRS模塊發送IP地址到上位機程序，上位機程序接收到GPRS 模塊此時的IP地址后，實行控制單片機的功能，發送指定的指令到GPRS模塊，通過GPRS 模塊控制單片機輸出高低電平，從而控制路燈開關。二是監測方面：路燈罩內裝置光敏傳感器，為光敏傳感器設置一個閾值，在開路燈的時段，若光敏傳感器的值低于閾值，說明該路燈沒有打開，傳感器將信號通過GPRS傳送到上位機程序，監控中心便可及時了解路燈運行狀況。

1.2 嵌入式路燈終端設計

傳統的嵌入式路燈監控系統采用路燈監控方式為電頻監控與視頻點反饋監控。盡管今年來技術有所升級，但究其原理還是上述兩種方式。電頻監控通過監控終端對所有路燈位置點的通電信號進行監控，實現對路燈的監控；其方式存在路燈狀態數據監控信息過于單一，且準確性不高。當外界電路出現短路現象時，無法準確定位問題路燈位置[5]，給嵌入式路燈的維護工作帶來很大的不便。視頻點反饋監控，采用燈位加裝視頻采集裝置對其進行狀態圖像的24小時不間斷采集監控，其弊端就是資金開銷大，后期視頻采集設備維護人員開銷大[6]，視頻值守人員數量多。

針對上述問題，采用網絡大數據FGT-J5i處理單元，將網絡大數據FGT-J5i處理單元集成在傳統嵌入式路燈電源兩極，使之成為新型智能化嵌入式路燈，網絡大數據FGT-J5i處理單元具有低頻專用信號頻率，可與同頻率信號進行低頻專屬橋接綁定。網絡大數據FGT-J5i處理單元內部采用的寬頻電流光頻轉換式，可根據路燈使用電流狀況與路燈亮度光頻信號，分析出嵌入式路燈實時狀態信息，并將數據信息通過互聯網大數據高速專用通道，經數字網絡信號轉輸算法處理，回傳給監控控制終端。寬頻電流光頻轉換式與數字網絡信號轉輸算法如下所示。

(1)

(2)

網絡大數據FGT-J5i處理單元數據處理程序編排，信號回傳、轉換式執行等一系列動作通過底層ISP數據庫執行程序代碼，控制執行。作為嵌入式路等狀態數據監測采集端，設計代碼采用組鏈對接形式。可以有效壓縮代碼體積，同時保證代碼執行過程中的穩定。代碼分為電流監測代碼，光頻監測代碼與轉換式執行回傳交互代碼。具體代碼部分主體如下所示。

電流監測代碼：

include

struct Student

{

char name[10A];

float score[3A];

};

int main()

{

int n;

struct Student stu[1000],stud;

scanf("%d",&n);

int i;

for(i=0;i

{

scanf("%s %d %d %d",&stu[i].name,&stu[i].score[0],&stu[i].score[1],&stu[i].score[2]);

}

int j,k;

光頻監測代碼：

k=i;

for(j=i+1;j

{

if(stu[k].score[0]

{監測=1

k=j;

if(k!=i)

{

stud=stu[i];

stu[i]=stu[j];

stu[j]=stud;

}

}

else if(stu[k].score[0]==stu[j].score[0])

{

if(stu[k].score[1]

轉換式執行回傳交互代碼：

stud=stu[i];

stu[i]=stu[j];

stu[j]=stud;

}

else if(stu[k].score[1]==stu[j].score[1])

{

if(stu[k].score[2]

if(k!=i)

{

stud=stu[i];

stu[i]=stu[j];

stu[j]=stud;

}

}電頻轉換載體式載入....

}

}回傳=1

for(i=0;i

{

printf("%s ",stu[i].name);

}

return 0;

}

網絡大數據FGT-J5i處理單元工作原理如下圖所示。

圖2 網絡大數據FGT-J5i處理單元工作原理

1.3 PGKFV技術設計

在上述的網絡大數據FGT-J5i處理單元設計中，單一憑借網絡大數據FGT-J5i處理單元無法完成多組嵌入式路燈信息準確無誤的信息回傳。外界環境空間中的諸多信號源形成的干擾波頻對網絡大數據FGT-J5i處理單元多組燈系的低頻專屬橋接綁定造成影響。

針對這一問題，提出嵌入式路燈遠程監控系統的設計方法，解決了上述問題的PGKFV技術。PGKFV技術采用低頻信號指紋提取算法，將空間中具有低頻特征信息的信號波提取出來，從而達到抗干擾目的。PGKFV技術設計中將其設計成三級架構的處理架構，首層架構為波頻放射架構處理層；負責生成監測低頻波束，同時具有波束回饋信號收集的作用。第二層架構負責波束回饋信號的處理與特征提取，第三級架構負責提取特征信號的放大增強，三級架構協同工作，達到剛干擾的目的。同時，第三層架構的ISP內寫有特征綁定命令。可以保證對橋接組群中的每個路燈進行特征綁碼，保證每一個嵌入式路燈都有一個自己專屬的身份信息。PGKFV技術在提出的嵌入式路燈遠程監控系統設計中執行代碼如下所示。

whxit(1);

}

while(i

{

fwrite(&stud[i],sizeof(STUDENT),1,fp);

i++;

}

fclose(fp);

printf("------波束聲稱成功%s中!------- ",outfile);

}

int fileRead(STUDENT*stud)

{

int i;

FILE *fp;

char infile[20];

printf("波束特征綁定中");

scanf("%s",infile);

if((fp=fopen(infile,"rb"))==NULL)

{執行=1 %

PGKFV技術使用前后信號強度、純凈度如下所示。

圖3 PGKFV技術使用前后信號強度、純凈度

1.4 終端監控平臺搭建

通過上述的設計，提出的嵌入式路燈遠程監控系統的設計初步建立完成。最后，需要搭建終端控制平臺，來完成與設計的嵌入式路燈進行信號對接，實現遠程監控路燈的功能。

終端控制平臺作為信息收集、處理與指令發出的綜合應用平臺，信號數據處理的邏輯嚴謹性是不言而喻的。終端控制平臺同樣采用3大架構的模式進行編寫搭建。第一架構為底層數據層架構，依托互聯網數據資源，實時更新嵌入式路燈最新維護相關數據，保證底層數據資源時效性，為上層架構服務的正常運行提供數據保障。第二層架構為信號數據處理交互層，所有路燈狀態數據信號都在此層進行分析、運算、對比、處理出精確結果后，上傳至第三架構。當第三架構做出相關指令后，第二架構的執行代碼激活，執行第三架構發送的最終指令。完成整套遠程路燈監控程序。

這里提到的第三架構就是熟知的控制系統交互界面，第三架構是一、二兩個架構層功能的聚合展現層。此層架構采用無人值守的智能BHQK算法與簡潔高效的圖形展示的交互方式進行編寫，充分減小了使用過程中的人員開銷問題。智能BHQK算法關系式如下所示。

(3)

P′=P(1)*X′^N'+P(2)*X′^(N-1)+

...+P(N)*X+P(N′+1)

(4)

關系式中，X,Y,N為三層架構中不同交互的數據流集合，且滿足X,Y,N起始數據節點保持一致。

三層架構的對接交互數據執行代碼如下所示。

x=[-0.4:0.04:3.6];

y=8+2*exp(1-x.^2).*cos(2*pi*x);

net=newff(minmax(x),[20,1],{'tansig','purelin'});

y1=sim(net,x);

net.trainParam.epochs=50;

net.trainParam.goal=0.01;

net=train(net,x,y);

y2=sim(net,x);

figure;

plot(x,y,'-',x,y1,'-',x,y2,'--');

[M,N]=size(X);q=10;[L,N]=size(T);

Wij=rand(q,M);

Wki=rand(L,q);

b1=zeros(q,1);b2=zeros(L,1)架構數據層、輸出層偏值

for epoch=1:max_epoch

Oi=tansig(Wij*X,b1);

Ok=purelin(Wki*Oi,b2);

E=T-Ok;

deltak=deltalin(Ok,E);%數據載入計算輸出層的delta

deltai=deltatan(Oi,deltak,Wki);%計算隱含層的deita

[dWki,db2]=learnbp(Oi,deltak,Ir);%調整輸出層加權系數

Wki=Wki+dWki;b2=b2+db2;

[dWij,db1]=learnbp(X,deltai,Ir);

Wij=Wij+dWij;b1=b1+db1;

SSE=sumsqr(T-purelin(Wki*tansig(Wij*X,b1),b2));

if(SSE

end

epoch %顯示中專交互指令

X1=X;

Oi=tansig(Wij*X1,b1);%各隱含層輸出

Ok=purelin(Wki*Oi,b2);%顯示監控出層的輸出

到此，終端控制平臺的搭建全部完成。同時，提出的嵌入式路燈遠程監控系統設計，也全部完成。提出的嵌入式路燈遠程監控系統設計的工作原理如圖4所示。

圖4 嵌入式路燈遠程監控系統設計的工作原理

2 實驗與結論

針對提出的嵌入式路燈遠程監控系統的設計進行仿真實驗測試。測試采用對比方式，對傳統路燈監控系統與提出的嵌入式路燈遠程監控系統進行對比測試，并對結果數據進行分析，得出結論。

測試環境配置為：CPU i5 6200 主頻3.4Hz，內存 4G，windows 10專業版操作系統。具體測試參數如下表所示。

表1 仿真實驗測試對比參數

通過上述表1的測試數據可以證明，提出的嵌入式路燈遠程監控系統的設計具有以下優點。

1)形成獨有路燈監控維護網路，可準確定位故障路燈位置坐標。

2)具有全天候監控功能，能夠對作嵌入式路燈使用狀況數據進行不間斷交互分析，提供相應解決方案。

3)無人值守技術大大減少人員投入，減輕嵌入式路燈監控維護的資金開銷。

4)圖形交互，操作難度低，提升操作員使用操作體驗。

上述優點充分證明提出的嵌入式路燈遠程監控系統的設計能夠滿足當今現代化網絡型嵌入式路燈遠程監控系統的應用要求。

3 結束語

針對傳統路燈監控系統存在的問題進行了分析，并對問題存在的根源提出了嵌入式路燈遠程監控系統的設計。通過仿真實驗測試證明，提出的嵌入式路燈遠程監控系統的設計各項測試數據都優于傳統路燈監控系統，滿足設計改進要求。為現代化網絡型嵌入式路燈遠程監控系統應用領域未來發展提供新的思路。

[1]徐 彪,朱健銘,蔣朝陽,等.通用型工業級數據采集和監控系統設計[J].計算機測量與控制,2014，2(10):3192-3195.

[2]尹文龍,李召瑞,郭麗華,等.嵌入式倉庫遠程監控系統的設計與實現[J].計算機與現代化,2014，2(3):61-64.

[3]張曉華,羅 進,王梓儒,等.基于組態技術的路燈遠程監控系統設計與實現[J].控制工程,2015，23(5):793-797.

[4]張卿杰,徐 友,薛國慶.基于Web Service的無線路燈遠程監控系統[J].現代電子技術,2015，16(11):5-9.

[5]孔令榮,王 昊.無線傳感器網絡的路燈遠程控制系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2014，12(9):63-66.

[6]郭倩倩,于會山,劉志建.基于物聯網技術的智能路燈遠程監控系統設計[J].科教導刊-電子版(上旬),2014，26(7):121-122.

Research and Design of Embedded Remote Monitoring System of Street Lamp

Zhang Xiaoping1，Niu Jingping1，Li Ya2

(1.Department of Information and Software, Xinjiang Institute of Light industry Technology, Urumqi 830021,China;2.Xinjiang Admissions Office, Urumqi 830021,China)

With the numerous scientific and technological achievement industrialization practice, street lamp type various. Among them, the embedded lamps with easy installation, strong integration, overall beauty is prominent, and many other advantages, was admired by the masses of users. However, the traditional embedded street lamp monitoring system exist multiple sets of lights system startup, shut down, difficulty of maintenance, inspections, and troubleshooting the disadvantages of long time and large human resource cost. Roots in view of the problem, put forward for the design of the embedded remote monitoring system of street lamp research methods. Using high integrated low frequency wireless docking module, to encode each chy-tech bridge, big FGT -J5i data processing unit, using network to network remote intelligent monitoring of headlamp unit, at the same time, build form a complete set of intelligent monitoring platform. Through the simulation test proves that the proposed for the design of the embedded remote monitoring system of street lamp, satisfies the requirement of daily use and remote monitoring

embedded lights; remote monitoring; big data

2016-10-14；

2016-11-21。

張小平(1982-)，女，陜西漢中人，碩士，講師，主要從事移動應用開發方向的研究。

1671-4598(2017)03-0101-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.028

TP29

A