基于智慧灯杆的智能网关产品设计

卢阳 李付伟 马荣兵 李尧奇 万贵洲

上海五零盛同信息科技有限公司，上海 200063

0 引言

随着智慧城市发展以及5G建设加速落地，智慧灯杆作为新一代信息基础设施最佳载体，集成智慧照明、智能监控、汽车充电桩、公共广播、环境监测、气象监测、LED广告屏、物联网基站、5G微基站等产品[1]，已经逐步从被认可到小规模试点再到批量推广应用，成为市政行业创新应用的标配[2]。深圳、广州、重庆等城市政府层面已编制标准规范，把智慧灯杆建设作为今后智慧城市建设的重点。[3]

智慧灯杆推广应用过程中，一个难点是如何解决智慧灯杆集成功能设备的接口转换、数据处理、数据交换、数据传输以及各个功能设备的联动控制等问题。目前，行业普遍采用接口转换模块、工业交换机、路由器等设备来实现接口转换、数据传输等，因此存在以下问题：

1)多个设备安装在智慧灯杆设备箱体里，占用空间，不易于安装及后期维护；

2)集成各设备的数据通过工业交换机或工业路由器直接透传至后台，数据安全存在隐患；

3)工业交换机或工业路由器不是智能设备，无法对灯杆上的每一个设备运行状态进行判断，无法对现场的数据进行处理，也无法实现对现场设备进行控制等；

4)工业交换机或工业路由器等没有数据存储功能，数据全部通过网络传送至系统平台进行存储，一旦网络中断，现场的数据将会丢失等。

针对以上问题，迫切需要开发一套既能解决智慧灯杆设备接入、数据分析处理、数据存储和设备控制，又可以实现智慧灯杆设备的数据传输的设备，因此智慧灯杆智能网关产品应运而生。

1 智慧灯杆智能网关硬件框图及原理

智慧灯杆智能网关的主要硬件框图如图1所示。

图1 智慧灯杆智能网关硬件原理图

智慧灯杆智能网关主要由电源模块、PHY模块、交换模块和核心控制模块4部分组成。电源模块将照明供电网络的交流220 V电源转换为直流，再经DC/DC转换为5 V和3.3 V，为交换模块和核心控制模块提供工作电源。

PHY模块主要是实现CSMA/CD功能。它可以检测LED大屏、充电桩、监控球机、公共广播等以太网通信设备是否有数据在传送，如果有数据在传送中就等待，一旦检测到网络空闲，再等待一个随机时间后将送数据发出去。

随着我国经济发展和改革步伐加快，水利工程概（估）算实行定额量价分离，引入了“静态控制，动态管理”的理念。21世纪初，相关部门又对定额表现形式进行了改革，将沿用了几十年的人工消耗量工日、机械消耗量台班改为工时、台时，将以价目表表现的安装定额改为以实物量表示。这些改革丰富和发展了水利工程造价管理理论，为水利工程投资的合理确定和有效控制作出了积极贡献。但近10年，水利工程概（估）算改革步伐有些迟缓，一些因素的存在造成水利工程概（估）算脱离了客观实际，达不到工程投资“合理确定，有效控制”的目标，给水利工程建设造成一些负面影响。

交换模块识别每一端口相连设备的MAC地址，将地址同相应的端口映射起来存放在交换模块缓存中的MAC地址表中，并处理接收的业务帧，对业务帧进行速率适配、过滤和发送控制等。

核心控制模块是智能网关的核心部分，可以对交换模块转发的数据及接入的RS485、RS232、CAN等通信设备数据进行协议解析[4]，从而实现对智慧灯杆设备的识别，并将关键数据进行存储。同时，它也可以对灯杆设备数据进行分析处理、加密，再进行协议转换，最后通过网络控制接口发送给管理中心服务器。核心控制模块也可以实现本地边缘控制功能，可以根据智慧灯杆设备的应用场景对智慧灯杆设备的数据进行分析以及开关量输入状态的检测判断，对设备进行联动控制、参数设置等。此外，核心控制模块也支持WIFI及4G/5G通信，当智慧灯杆现场没有有线网络时，可以通过 WIFI实现智慧灯杆之间的级联，最后通过4G/5G模块实现与管理中心服务器通信。

2 智慧灯杆智能网关实现的功能

针对智慧灯杆的应用场景及数据传输方式，主要具有以下功能。

1)具有数据交换的功能：可以接入多个具有以太网接口的智慧灯杆设备，支持网络管理；具有2层网络交换网管功能，支持802.1QVLAN、端口镜像和端口状态监控；支持IGMP侦听、QOS、端口汇聚、静态多播过滤、带宽管理和广播风暴抑制等；支持环网冗余、多种环网结构和端口数据帧统计；支持 MAC地址自动学习、自老化；支持 ARP、ICMP、TCP、UDP、DHCP、DNS、HTTP、Telnet、SNMP、RSTP等协议等。[5]

2)具有本地存储功能：可将智慧灯杆数据存储其中，当网络连接异常时可将智慧灯杆的实时数据存储到本地储存设备中。

3)具有协议转换功能：能对接收到的智慧灯杆各种功能设备数据进行解析、处理和转换，转换为统一协议格式的数据后再传输给管理中心服务器。

4)具有设备识别与状态监听功能：通过数据协议解析能自动识别智慧灯杆设备类型，并对设备的工作状态进行监听。

5)具有设备故障分析能力：对智慧灯杆设备的运行状态进行判定，通过融合管理中心平台定位设备的故障，减少运维人员对智慧灯杆设备故障的定位时间。

7)具有数据加密功能：智慧灯杆集成的功能设备较多，一些关键设备数据采用明文的方式，数据安全性较低；智能网关可以进行端口数据加密，采用国密算法，保障前端数据传输安全。

8)具有多种通信链路：智能网关支持光纤、4G/5G、WIFI等多种通信方式，可以实时监测网络质量及网络状态，智能切换通信方式，保证控制链路的畅通性和可靠性。

3 智慧灯杆智能网关的结构设计

智慧灯杆智能网关作为智慧灯杆的配套产品，安装于智慧灯杆箱体内部。因其工作于湿热环境中，所以对散热及防水有一定的要求。此外，智能网关的长、宽尺寸需根据智慧灯杆的内部空间设计，便于安装维护。因此，智慧灯杆智能网关的外壳采用铝型材开模，并对其进行无风扇设计，依靠外壳散热，外壳两个侧面设有散热齿，以增加散热面积，提高产品运行的可靠性。同时，智能网关的所有端口均设计在一个面，雨水即使滴溅在智慧灯杆内部的网关表面，也不会进入侧面的端口，其外观结构及尺寸如图2所示。

图2 智慧灯杆智能网关外观结构及尺寸

4 智慧灯杆智能网关应用效果

智慧灯杆智能网关研制完成后，已被应用在多个城市智慧灯杆的项目中。它解决了智慧灯杆设备较多、接口不统一等问题，从而简化了智慧灯杆配套的接口转换设备的数量，节约了智慧灯杆的内部空间。智慧灯杆智能网关不仅是一个智能控制设备，也是一个网络通信设备，解决了智慧灯杆中存在的设备识别、数据分析、数据存储、数据加密、边缘控制等问题。大量的数据处理在现场端得到解决，从而降低了管理中心服务器的负荷。此外，智能网关可以支持光纤、4G/5G、WIFI等多种数据通讯方式[6]，满足目前智慧灯杆中多组合通讯要求，彻底打通设备层到服务器端的链路，实现以智慧灯杆为基础的各种公共设施设备数据与管理中心互联互通，为市政部门提供了一个全面的市政设施运维管理手段。

5 结束语

随着智慧城市和新基建建设在全国范围内兴起，以照明灯杆为载体，集智慧照明、智能监控、汽车充电桩、公共广播、环境监测、气象监测、LED广告屏、物联网基站、5G微基站等各种功能为一体的智慧灯杆已成为现代城市建设必不可少的公共设施。[7]智慧灯杆智能网关强大的数据分析和网络通信能力，彻底解决了智慧灯杆集成的各种功能设备数据接入问题，能够更好地推进数据融合、技术融合、数据安全、数据传输。同时，结合智慧灯杆的综合管理平台实现跨层次、跨系统、跨部门、跨业务、跨地域的协同管理和服务，为将来的智能驾驶、智能城市打下坚实的技术基础。[8]