无线LED路灯的智能监控软件设计

卢允伟+周明达+夏文杰

摘要：为了能够智能监控无线LED路灯，分析由Zigbee路灯控制器、子网控制器和监控中心组成的LED路灯监控系统，设计监控中心上的智能监控软件。该软件基于Qt图形界面平台，采用C++语言编写，采用模块化的解耦设计思路，分别设计数据管理模块、主界面模块、数据库模块、用户管理模块和通信管理模块五个模块，最终实现了智能监控软件。实验结果可知：该软件能够采集无线LED路灯的工作状态和智能控制无线LED路灯，具有较好的图像化界面，通用性和可靠性，具有一定的应用价值。

关键词：LED路灯；智能监控；软件设计；无线

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）34-8271-04

《“十二五”城市绿色照明规划纲要》指出虽然全国各地都在积极推行城市绿色照明，加强节能管理，并取得明显发展。但是城市绿色照明工作还处于起步阶段，仍存在城市照明质量和节能缺乏有效的监管，无法达到国家的节能减排要求，管理方式比较粗放，大都采用人工方式，缺少精细化管理，城市绿色照明发展的体制机制还不完善，存在薄弱环节，发展不平衡等问题[1].

在城市照明用电中，路灯占有相当的份额。由于路灯工作时间长，耗能非常大，因此同样需要开展绿色照明工作。与《城市道路照明设计标准》CJJ45-2006规定的高压钠灯、金属卤化物灯、紧凑型或细管径荧光灯等传统路灯相比，作为本世纪新型光源的LED灯具有节能、环保、长寿等优点，可选用作为道路照明用光源，已开始在道路上获得应用，是未来路灯发展的趋势[2]。目前，勤上光电股份有限公司、四川新力光源有限公司、孝感市捷能特种光源照明器等众多国内公司纷纷致力于该领域，从事LED灯的研发和推广。

如何建立有效的LED路灯监控系统是路灯节能的一个重要方面，它可以实时控制LED路灯的开关状态，收集LED路灯各个具体参数，定量描述路灯运行的状况（如故障率、温度、开关状况等），是路灯节能工作的重要基础[3]。目前国内应用比较多的节能设备当属高压钠灯的电压调节设备。由于高压钠灯消耗的电能和电压可以用方程式来表示，因此降低高压钠灯的电压可以降低消耗的电能，但是高压钠灯的能耗仍然较高。

总之，我国的路灯监控系统的发展还处于发展阶段，大部分城市路灯的开、关控制仍由变压器分散控制，统一性差，故障率高，且由于没有远程数据采集和通讯功能，无法实现集中监控，且大部分城市仍是延用传统的以钟控、人工控制为主的管理系统，存在以下问题：系统复杂，难以统一管理；灯光系统覆盖面广，维护困难，维护力量严重不足，疲于应付；开关控制效率低，用电浪费现象严重；存在安全隐患，无法快速掌握运行状态，安全无保障，统计困难。因此，利用无线方式来采集信息的思想越来越受到人们的关注。目前国外大多采用的是WLAN、 CDMA/GSM等网络，但其组网受限制、运行成本相当高。随着无线传感网技术的发展，应用该技术进行LED路灯监控成为新的课题[4]。因此结合无线传感网和LED路灯，研究基于无线传感网的无线LED路灯监控系统，设计监控中心上的智能监控软件，实现对路灯的实时监控和管理，确保高效稳定，全天候运行，监控不必要的“全夜灯照明”，有效节约电能消耗。对于城市公共照明系统来说，采用智能化的管理系统是实现能源节约、减少资源浪费、满足人们生活要求、显示现代化城市靓丽风景的科学解决方案。

1 路灯监控系统结构

LED路灯监控系统包括Zigbee路灯控制器、子网控制器和监控中心三个部分组成[4]。

Zigbee路灯控制器控制路灯开关（最多可单独控制9路灯）、亮度调节、电流采集、温度采集、开关状态采集、电压采集等。Zigbee路灯控制器分为模块式（内置灯具中）和外挂式（可内置灯杆中），可分别满足路灯企业和工程企业的使用需求。

子网管理器接收和发送子网内的所有路灯控制信号、数据记录、报警处理等。它负责监控子网内的Zigbee路灯控制器运行，将监控中心的命令下达给Zigbee路灯控制器，将Zigbee路灯控制器及线路信息反馈监控中心。子网控制器处于监控中心和各子网内Zigbee路灯控制器的中间，向上通过485、RS232等方式同系统中心通信。向下则是通过ZigBee通讯协议方式，同各个路灯控制器通信，无需通讯费用。

监控中心主要实现对不同子网下的Zigbee路灯控制器进行远程数据访问和监控，包括参数配置，监控命令发送、现场灯具状态收集等。当该路段路灯监控系统发生故障（包括：跳闸、电压低限、电压高限、电流低限、电流高限、白天亮灯、亮灯率低限、损坏、被盗）及时进行反馈报警，特别是各路段亮灯率、白天亮灯报警、电流高限报警，不用派人巡查也能及时清楚该路段的工作情况，及时安排人手维护，既保证亮灯率和行车安全，还能够根据路段日照和人车流量的变化设定路灯的照明时间和开关，在满足基本照明的前提下节约能耗。

2 智能监控软件设计

在无线LED路灯监控系统中，智能监控软件是系统的一个重要组成部分，实现系统的各个数据存储和管理，提供人机交互界面。因此以下介绍智能监控软件的设计。

2.1 功能需求

1） 自动巡测功能：监控中心可以自动巡测每路路灯的开关状态。

2） 数据采集功能：采集电流电压、电量、温度等数据。

3） 控制功能：监控中心可以随意开关任何一路路灯或开关自定义群组的路灯。

4） 自动控制功能：现场按预先设计好的时间计划自动调节路灯开关时间。

5） 报警功能：将过去的巡逻式维护报警改为预防式等待报警，这样监控中心可以得到第一手资料从而进行调度协调。故障出现后，监控中心可以准确获取故障灯的位置信息，工作人员可以在最短时间内赶到现场迚行维护。通过采集电力线的电流、电压值，通知系统中心，从而进行防盗处理。endprint

6） 显示功能：可以根据电子地图上显示每路路灯的开关状态及其它重要信息。

7） 数据存储功能：可对路灯安装和时间、地点、运行参数等用户关心的信息进行记录存储。

8） 数据查询功能：监控中心可以通过互联网查询任意时间段每路路灯数据信息。

9） 曲线功能：可以生成电流、电压、功率因素、亮灯率、开关时间的分析曲线。

10） 拓展功能：如调光监控，配合LED调节灯光亮度，在不影响照明前提下，达到最大节能效果。系统可自由增减路灯控制器的数量；路灯控制器可以扩展其它功能，配合其他节电监控技术进一步降低路灯能耗。

2.2 软件整体框图

如图1所示，软件采用Qt的图形界面平台和C++语言[5，6]分别编写数据管理模块、主界面模块、数据库模块、用户管理模块、通信管理模块五个模块，最终实现智能监控软件[7]。

2.2 软件模块功能

2.2.1 数据管理模块

如图2所示，数据管理模块负责完成软件中控制器模块相关部署运行数据（区域数据、街道数据、部署配置数据和运行状态数据两种控制模块数据）、用户账户相关数据和通信配置相关数据等数据的管理，并对其它模块提供数据支付服务[7]。

如图3所示，软件采用继承机制，设计DataItemBase抽象基类，并实现类型、部署信息、父对象等信息的申明，重新定义了获取/设置类型函数，获取/设置部署信息函数等函数。在抽象基类DataItemBase的基础上，利用C++的多态性设计了区域数据类（Zone）、街道数据类（Street）和控制模块数据类（Controller）。定义了各个对象和虚接口函数，实现控制模块相关数据的统一接口。

如图4所示，软件设计了用户名、密码、权限等用户账户参数，并提供了用户验证函数、权限验证函数、各个参数设置等多个函数，实现了对系统中各个用户账户的管理。

通信配置相关数据主要考虑串口的波特率、数据位、停止位、校验位和流控制等参数，提供串口数据发送和接收函数，能完成数据的通信任务。

整个数据管理模块的数据在软件开始运行时创建并初始化，具体数据由数据库管理模块提供。在软件运行过程中，数据的任何改动都将及时反馈给数据库管理模块。数据库管理模块寻找对应的数据项，并执行数据的更新和添加等操作。

2.2.2 主界面模块

主界面模块负责与用户的交互和界面维护的工作，其功能主要集中在运行数据显示和处理用户图形化界面输入两个方面。按照系统需求，如图5所示，主界面部分主要包括以下几个组件：

街道与控制模块管理组件主要提供用户管理和查询街道和控制模块的图形化接口。该组件从数据管理模块获取相关街道及控制模块的部署信息，并按控制模块的街道部署顺序以树形结构显示，同时提供指定街道与指定控制模块的快速搜索功能。

地图管理组件主要负责管理和显示地图信息、显示部署在地图指定位置的街道和控制模块的图形化数据信息，并负责用户对显示的图形化数据信息进行的交互工作。该组件同时还和街道与控制模块管理组件进行协调工作，实现指定街道或控制模块在地图上的快速定位。

监控数据区组件采用表格显示方法，从数据管理模块中获取和显示节点编码、节点地址、电控箱编号、开关状态、亮度、当前电压、当前电流、当前温度等路灯控制器的工作状态数据，方便用户及时查看系统运行状况。

控制面板组件是用户控制Zigbee路灯控制器的人机交互界面，针对于用户选择的不同（是否为控制模块），进行相关路灯控制选项的显示。在用户完成相关运行选项配置后，控制面板组件将根据配置信息生成相应的控制命令信息通过通信管理模块发送给底层硬件，完成用户对底层硬件的图形化控制。

2.2.3 数据库模块

为实现数据的管理和存储，数据管理模块和数据库模块互相协调运行。如图6所示，数据库模块在提供对数据库操作的同时，还提供对数据库中数据的显示和简单分析功能。数据库管理部分主要实现数据管理模块中街道、控制模块的部署信息数据、系统运行配置数据，如通信配置数据、用户账户数据、控制模块的历史运行数据等数据的表创建、出库、入库、更新和添加等操作，并提供了各个操作接口，实现与数据管理模块的互动。数据曲线显示和数据分析是使用户对系统运行状态有一个直观的认识，具有实时数据的曲线显示功能，同时提供给用户简单的数据分析功能。曲线显示和分析的数据来源就是软件在运行过程中存入数据库的运行数据。软件系统采用的数据库为无服务免配置的Sqlite数据库，以方便软件的部署。

2.3.4 用户管理模块

用户管理模块提供了两个人机交互界面——用户的登入界面和管理员用户设置界面，实现了用户的图形化操作。该模块主要管理系统中的用户账户，即主要实现用户账户的创建、登入、修改和用户账户权限范围的设置、修改和管理。并防止未授权的用户修改系统软件，威胁系统的运行[7]。

2.3.5 通信管理模块

如图7所示，通信管理模块是软件利用电脑的通信接口，实现与系统底层各个设备的数据通信，从而实现用户对底层硬件的控制。控制管理模块主要负责对多种通信接口（如串口、以太网接口等）进行配置和管理，以完成数据的正确通信。主界面中控制面板模块根据用户设置生成的命令字就是通过本通信管理模块发送给底层硬件设备的。

通信控制管理模块还负责接收底层设备发送的各种控制器状态反馈信息数据，其还设有数据解析模块对接收的数据进行解析，并通过与数据管理模块的接口完成相应数据的更新工作。

4 设计效果图

如图8所示，软件按照路灯的部署信息以街道à控制模块的顺序进行树形结构的显示。

如图9所示，软件为了方便用户对特定控制器模块或街道的定位，提供对两个对象的快速查找功能和界面。endprint

如图10所示，软件同时设置地图定位功能，用户查询指定街道或控制模块的同时在地图管理模块中定位该街道或控制模块的位置。

如图11所示，软件为了便于较大地图信息的浏览，设置有地图导航工具栏，包括实现地图缩放（zoom）、导航（navigation）等功能。

如图12所示，软件将收集的信息根据表格型结构显示。

如图13所示，控制面板组件根据当前选择的控制对象进行相应的控制选项的显示。对于控制模块对象，主要选项包括开启时间段设置、亮度设置，而对于街道对象，则包括节能控制策略的设置。

如图14所示，左上角的系统配置菜单栏主要用来配置串口和波特率。左边一栏是控制箱，允许存在多个控制器，单个控制器代表一个Zigbee路灯控制器。右边的控制面板上对路灯控制器进行控制，只要选择当前的亮度值再执行即可。图下面的监控栏上显示当前路灯控制器的各个信息如节点编号、节点地址、开关状态、幅度、亮度、电压、电流和温度等状态。控制面板上还预留了点亮时间段、街道查询、控制模块查询等其它功能。

5 总结

针对无线LED路灯的智能控制系统，设计了由数据管理模块、主界面模块、数据库模块、用户管理模块和通信管理模块五个模块组成的无线LED路灯的智能监控软件。该软件基于Qt图形界面平台，采用C++语言编写完成。设计过程中充分考虑了各个模块间的依赖性关系，进行了模块化的解耦设计。软件平台对现场设备和数据通信依赖很小，对于不同的路灯监测应用，经过适当的配置和调整即可投入使用，且具有较好的图形化界面，通用性和可靠性。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房城乡建设部. 十二五城市绿色照明规划纲要[EB/OL].（2011-11-15）.http：//www.gov.cn/gzdt/2011-11/15/content_1993931.htm.

[2] 吴贵才，陈逸铭，杨彤.可见光通信在室外LED路灯上的实现[J]. 照明工程学报，2013，24（4）：71-75.

[3] 任条娟，陈友荣，王章权.交通路灯监控系统的无线传感网链状路由算法， 电信科学，2013，29（01）：88-94.

[4] 葛灵晓，陈友荣，俞晨波.基于无线传感网的LED照明控制系统[J].浙江树人大学学报：自然科学版，2012，12（1）：1-6.

[5] 谭浩强.C++面向对象程序设计[M].北京： 清华大学出版社，2006.

[6] 布兰切特，萨默菲尔德. C++ GUI Qt 4编程[M].2版.北京： 电子工业出版社，2013.

[7] 杨细银.基于传感网的楼宇环境在线监测管理平台设计[D].浙江工业大学，2011.endprint

如图10所示，软件同时设置地图定位功能，用户查询指定街道或控制模块的同时在地图管理模块中定位该街道或控制模块的位置。

如图11所示，软件为了便于较大地图信息的浏览，设置有地图导航工具栏，包括实现地图缩放（zoom）、导航（navigation）等功能。

如图12所示，软件将收集的信息根据表格型结构显示。

如图13所示，控制面板组件根据当前选择的控制对象进行相应的控制选项的显示。对于控制模块对象，主要选项包括开启时间段设置、亮度设置，而对于街道对象，则包括节能控制策略的设置。

如图14所示，左上角的系统配置菜单栏主要用来配置串口和波特率。左边一栏是控制箱，允许存在多个控制器，单个控制器代表一个Zigbee路灯控制器。右边的控制面板上对路灯控制器进行控制，只要选择当前的亮度值再执行即可。图下面的监控栏上显示当前路灯控制器的各个信息如节点编号、节点地址、开关状态、幅度、亮度、电压、电流和温度等状态。控制面板上还预留了点亮时间段、街道查询、控制模块查询等其它功能。

5 总结

针对无线LED路灯的智能控制系统，设计了由数据管理模块、主界面模块、数据库模块、用户管理模块和通信管理模块五个模块组成的无线LED路灯的智能监控软件。该软件基于Qt图形界面平台，采用C++语言编写完成。设计过程中充分考虑了各个模块间的依赖性关系，进行了模块化的解耦设计。软件平台对现场设备和数据通信依赖很小，对于不同的路灯监测应用，经过适当的配置和调整即可投入使用，且具有较好的图形化界面，通用性和可靠性。

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[4] 葛灵晓，陈友荣，俞晨波.基于无线传感网的LED照明控制系统[J].浙江树人大学学报：自然科学版，2012，12（1）：1-6.

[5] 谭浩强.C++面向对象程序设计[M].北京： 清华大学出版社，2006.

[6] 布兰切特，萨默菲尔德. C++ GUI Qt 4编程[M].2版.北京： 电子工业出版社，2013.

[7] 杨细银.基于传感网的楼宇环境在线监测管理平台设计[D].浙江工业大学，2011.endprint

如图10所示，软件同时设置地图定位功能，用户查询指定街道或控制模块的同时在地图管理模块中定位该街道或控制模块的位置。

如图11所示，软件为了便于较大地图信息的浏览，设置有地图导航工具栏，包括实现地图缩放（zoom）、导航（navigation）等功能。

如图12所示，软件将收集的信息根据表格型结构显示。

如图13所示，控制面板组件根据当前选择的控制对象进行相应的控制选项的显示。对于控制模块对象，主要选项包括开启时间段设置、亮度设置，而对于街道对象，则包括节能控制策略的设置。

如图14所示，左上角的系统配置菜单栏主要用来配置串口和波特率。左边一栏是控制箱，允许存在多个控制器，单个控制器代表一个Zigbee路灯控制器。右边的控制面板上对路灯控制器进行控制，只要选择当前的亮度值再执行即可。图下面的监控栏上显示当前路灯控制器的各个信息如节点编号、节点地址、开关状态、幅度、亮度、电压、电流和温度等状态。控制面板上还预留了点亮时间段、街道查询、控制模块查询等其它功能。

5 总结

针对无线LED路灯的智能控制系统，设计了由数据管理模块、主界面模块、数据库模块、用户管理模块和通信管理模块五个模块组成的无线LED路灯的智能监控软件。该软件基于Qt图形界面平台，采用C++语言编写完成。设计过程中充分考虑了各个模块间的依赖性关系，进行了模块化的解耦设计。软件平台对现场设备和数据通信依赖很小，对于不同的路灯监测应用，经过适当的配置和调整即可投入使用，且具有较好的图形化界面，通用性和可靠性。

参考文献：

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[6] 布兰切特，萨默菲尔德. C++ GUI Qt 4编程[M].2版.北京： 电子工业出版社，2013.

[7] 杨细银.基于传感网的楼宇环境在线监测管理平台设计[D].浙江工业大学，2011.endprint