基于智慧燈桿的智能網關產品設計

盧陽 李付偉 馬榮兵 李堯奇 萬貴洲

上海五零盛同信息科技有限公司，上海 200063

0 引言

隨著智慧城市發展以及5G建設加速落地，智慧燈桿作為新一代信息基礎設施最佳載體，集成智慧照明、智能監控、汽車充電樁、公共廣播、環境監測、氣象監測、LED廣告屏、物聯網基站、5G微基站等產品[1]，已經逐步從被認可到小規模試點再到批量推廣應用，成為市政行業創新應用的標配[2]。深圳、廣州、重慶等城市政府層面已編制標準規范，把智慧燈桿建設作為今后智慧城市建設的重點。[3]

智慧燈桿推廣應用過程中，一個難點是如何解決智慧燈桿集成功能設備的接口轉換、數據處理、數據交換、數據傳輸以及各個功能設備的聯動控制等問題。目前，行業普遍采用接口轉換模塊、工業交換機、路由器等設備來實現接口轉換、數據傳輸等，因此存在以下問題：

1)多個設備安裝在智慧燈桿設備箱體里，占用空間，不易于安裝及后期維護；

2)集成各設備的數據通過工業交換機或工業路由器直接透傳至后臺，數據安全存在隱患；

3)工業交換機或工業路由器不是智能設備，無法對燈桿上的每一個設備運行狀態進行判斷，無法對現場的數據進行處理，也無法實現對現場設備進行控制等；

4)工業交換機或工業路由器等沒有數據存儲功能，數據全部通過網絡傳送至系統平臺進行存儲，一旦網絡中斷，現場的數據將會丟失等。

針對以上問題，迫切需要開發一套既能解決智慧燈桿設備接入、數據分析處理、數據存儲和設備控制，又可以實現智慧燈桿設備的數據傳輸的設備，因此智慧燈桿智能網關產品應運而生。

1 智慧燈桿智能網關硬件框圖及原理

智慧燈桿智能網關的主要硬件框圖如圖1所示。

圖1 智慧燈桿智能網關硬件原理圖

智慧燈桿智能網關主要由電源模塊、PHY模塊、交換模塊和核心控制模塊4部分組成。電源模塊將照明供電網絡的交流220 V電源轉換為直流，再經DC/DC轉換為5 V和3.3 V，為交換模塊和核心控制模塊提供工作電源。

PHY模塊主要是實現CSMA/CD功能。它可以檢測LED大屏、充電樁、監控球機、公共廣播等以太網通信設備是否有數據在傳送，如果有數據在傳送中就等待，一旦檢測到網絡空閑，再等待一個隨機時間后將送數據發出去。

隨著我國經濟發展和改革步伐加快，水利工程概（估）算實行定額量價分離，引入了“靜態控制，動態管理”的理念。21世紀初，相關部門又對定額表現形式進行了改革，將沿用了幾十年的人工消耗量工日、機械消耗量臺班改為工時、臺時，將以價目表表現的安裝定額改為以實物量表示。這些改革豐富和發展了水利工程造價管理理論，為水利工程投資的合理確定和有效控制作出了積極貢獻。但近10年，水利工程概（估）算改革步伐有些遲緩，一些因素的存在造成水利工程概（估）算脫離了客觀實際，達不到工程投資“合理確定，有效控制”的目標，給水利工程建設造成一些負面影響。

交換模塊識別每一端口相連設備的MAC地址，將地址同相應的端口映射起來存放在交換模塊緩存中的MAC地址表中，并處理接收的業務幀，對業務幀進行速率適配、過濾和發送控制等。

核心控制模塊是智能網關的核心部分，可以對交換模塊轉發的數據及接入的RS485、RS232、CAN等通信設備數據進行協議解析[4]，從而實現對智慧燈桿設備的識別，并將關鍵數據進行存儲。同時，它也可以對燈桿設備數據進行分析處理、加密，再進行協議轉換，最后通過網絡控制接口發送給管理中心服務器。核心控制模塊也可以實現本地邊緣控制功能，可以根據智慧燈桿設備的應用場景對智慧燈桿設備的數據進行分析以及開關量輸入狀態的檢測判斷，對設備進行聯動控制、參數設置等。此外，核心控制模塊也支持WIFI及4G/5G通信，當智慧燈桿現場沒有有線網絡時，可以通過 WIFI實現智慧燈桿之間的級聯，最后通過4G/5G模塊實現與管理中心服務器通信。

2 智慧燈桿智能網關實現的功能

針對智慧燈桿的應用場景及數據傳輸方式，主要具有以下功能。

1)具有數據交換的功能：可以接入多個具有以太網接口的智慧燈桿設備，支持網絡管理；具有2層網絡交換網管功能，支持802.1QVLAN、端口鏡像和端口狀態監控；支持IGMP偵聽、QOS、端口匯聚、靜態多播過濾、帶寬管理和廣播風暴抑制等；支持環網冗余、多種環網結構和端口數據幀統計；支持 MAC地址自動學習、自老化；支持 ARP、ICMP、TCP、UDP、DHCP、DNS、HTTP、Telnet、SNMP、RSTP等協議等。[5]

2)具有本地存儲功能：可將智慧燈桿數據存儲其中，當網絡連接異常時可將智慧燈桿的實時數據存儲到本地儲存設備中。

3)具有協議轉換功能：能對接收到的智慧燈桿各種功能設備數據進行解析、處理和轉換，轉換為統一協議格式的數據后再傳輸給管理中心服務器。

4)具有設備識別與狀態監聽功能：通過數據協議解析能自動識別智慧燈桿設備類型，并對設備的工作狀態進行監聽。

5)具有設備故障分析能力：對智慧燈桿設備的運行狀態進行判定，通過融合管理中心平臺定位設備的故障，減少運維人員對智慧燈桿設備故障的定位時間。

7)具有數據加密功能：智慧燈桿集成的功能設備較多，一些關鍵設備數據采用明文的方式，數據安全性較低；智能網關可以進行端口數據加密，采用國密算法，保障前端數據傳輸安全。

8)具有多種通信鏈路：智能網關支持光纖、4G/5G、WIFI等多種通信方式，可以實時監測網絡質量及網絡狀態，智能切換通信方式，保證控制鏈路的暢通性和可靠性。

3 智慧燈桿智能網關的結構設計

智慧燈桿智能網關作為智慧燈桿的配套產品，安裝于智慧燈桿箱體內部。因其工作于濕熱環境中，所以對散熱及防水有一定的要求。此外，智能網關的長、寬尺寸需根據智慧燈桿的內部空間設計，便于安裝維護。因此，智慧燈桿智能網關的外殼采用鋁型材開模，并對其進行無風扇設計，依靠外殼散熱，外殼兩個側面設有散熱齒，以增加散熱面積，提高產品運行的可靠性。同時，智能網關的所有端口均設計在一個面，雨水即使滴濺在智慧燈桿內部的網關表面，也不會進入側面的端口，其外觀結構及尺寸如圖2所示。

圖2 智慧燈桿智能網關外觀結構及尺寸

4 智慧燈桿智能網關應用效果

智慧燈桿智能網關研制完成后，已被應用在多個城市智慧燈桿的項目中。它解決了智慧燈桿設備較多、接口不統一等問題，從而簡化了智慧燈桿配套的接口轉換設備的數量，節約了智慧燈桿的內部空間。智慧燈桿智能網關不僅是一個智能控制設備，也是一個網絡通信設備，解決了智慧燈桿中存在的設備識別、數據分析、數據存儲、數據加密、邊緣控制等問題。大量的數據處理在現場端得到解決，從而降低了管理中心服務器的負荷。此外，智能網關可以支持光纖、4G/5G、WIFI等多種數據通訊方式[6]，滿足目前智慧燈桿中多組合通訊要求，徹底打通設備層到服務器端的鏈路，實現以智慧燈桿為基礎的各種公共設施設備數據與管理中心互聯互通，為市政部門提供了一個全面的市政設施運維管理手段。

5 結束語

隨著智慧城市和新基建建設在全國范圍內興起，以照明燈桿為載體，集智慧照明、智能監控、汽車充電樁、公共廣播、環境監測、氣象監測、LED廣告屏、物聯網基站、5G微基站等各種功能為一體的智慧燈桿已成為現代城市建設必不可少的公共設施。[7]智慧燈桿智能網關強大的數據分析和網絡通信能力，徹底解決了智慧燈桿集成的各種功能設備數據接入問題，能夠更好地推進數據融合、技術融合、數據安全、數據傳輸。同時，結合智慧燈桿的綜合管理平臺實現跨層次、跨系統、跨部門、跨業務、跨地域的協同管理和服務，為將來的智能駕駛、智能城市打下堅實的技術基礎。[8]