1、基于Delphi 的 风 光 互补 路 灯 多 平台 远 程监控系统 齐丽强 黄清 龙 中 船 重工 第 715 研究 所 摘 要： 随着风能和太阳能等新能源技术的快速发展, 作为早期应用的新能源路灯也得 到了愈加广泛的推广。 针对目前风光互补 LED 路灯趋向智能化发展的趋势以及系 统可靠性低 、 工作寿命短、 维护成本高等实际问题, 文中提出了一种智能的基于 GPRS 通信并使用 Delphi 开发的风光互补LED 路灯远程监控系统。该系统通过 GPRS 无线通信网络将路灯控制器终端与PC 机 或手机平台监控终端互联, 路灯控 制器中的实时数据通过 ZigBee 节点经由数据集中器传输到云
2、端服务器, 云端服 务器处理完数据后分发到相应的监控终端, 同时, 亦可通过各终端实现对各风 光互补路灯的远程控制。实践证明, 所设计系统数据通信安全可靠, 运行稳定, 具有良好的工程应用价值和经济推广价值。 关键词 ： 风光互补路灯; 远程监控; GPRS; Delphi; 作 者简 介： 齐丽强 (1987) , 男, 河南省长葛人, 硕士研究生。 研究方向为神 经网络控制和学习控制。 作 者简 介： 黄清龙, 男, 浙江省杭州市人, 高级工程师。 0 引言 随着我国经济力量的不断壮大, 国内对能源的需求也越来越大, 石油和煤炭等 化石能源未来将会愈发紧缺。 同时, 化石能源的大量使用导致
3、环境污染, 国内雾 霾天气频发。 为了尽快解决此类问题, 大力倡导可再生能源的开发利用不仅是当 前急需解决的问题, 更是具有长远需求的工程。 太阳能与风能同是目前发展最成 熟的可再生能源, 我国幅员辽阔, 风能和太阳能 潜力巨大, 对其进行大力开发 并应用在新能源领域有着广阔的前景。 风光互补路灯是风光互补发电技术的典型应用, 自2009 年开始试点应用。相比 太阳能路灯, 风光互补路灯中, 风力发电和太阳能发电能够弥补彼此单独发电 量不足的缺憾, 具有良好的资源互补性、 供电安全性和稳定性。 相比传统市电路灯, 风光互补 LED (Light Emitting Diode, LED) 路灯的
4、建设与发展在为政府 节约大量经费的同时, 也为城市节能减排作出了巨大贡献。 尽管风光互补LED 路灯系统在一些地方得到了大力推广, 但由于技术及维护等 问题导致项目频频失败, 夜间亮灯时间逐步缩短, 使用寿命大打折扣等现象屡 见不鲜。 因此, 如何保证路灯的安全、 稳定、 可靠运行成为新的课题。 针对市电 路灯系统, 文献1 和文献2分别通过GPRS (General Packet Radio Service, GPRS) 和电力线载波的方式搭建了智能监控系统, 对路灯的节能减排以及智能 控制都起到了良好的辅助作用。文献3则将无线通信技术应用在太阳能和市电 互补路灯中, 并在路灯智能控制方面做
5、了进一步研究。 本文针对目前使用较为广 泛的风光互补LED 路灯系统, 基于Delphi 最新的并不断成熟的多平台开发和 Data Snap 技术, 使用 GPRS 无线通信网络、Zig Bee 物联网和阿里云技术, 设计 了一种智能风光互补 LED 路灯多平台远程监控系统。 该系统在保证系统可靠性和 稳定性的同时, 延长了系统的工作寿命, 大大减少了项目投资建设和运营费用, 有利于风光互补LED 路灯系统的进一步推广。 1 路灯监控系统总体 设计 风光互补LED 路灯监控系统结构如图 1 所示。 图1 风光互补路灯监控系统结构图 下载原图 系统由道路 现场的风光互补 LED 路灯、Zig B
6、ee 无线通信节点、集中器网关、远 程监控平台以及云端通讯服务器和数据库服务器构成。 每个风光互补路灯都设有 一个风光互补路灯控制器和对应的无线通信节点。 所有路灯节点和集中器网关内 的无线通信模块构成了一个无线自组网数据通信网络。 每盏风光互补路灯的数据 都可以通过对应路灯内的无线通信节点发送至对应路段的集中器网关, 并通过 GPRS 通信上传到云端服务器, 并最终由其传送到远程的 PC 机和手机监控平台。 随着近几年Delphi 的不断更新与发展, 其依然处于主流软件开发工具的地位, 同时也已 具备快速开发 Windows、i OS、Android 等平台的应用程序。本系统的 PC 机和手
7、机监控平台以及云端服务器程序都基于Delphi 开发完成, 在提高程序 开发效率的同时, 也极大地满足了各部分之间兼容性的要求。 通讯服务器主要负 责数据链路的维护以及数据交互的可靠与稳定, 基于Data Snap 技术的不断发展, 数据库服务器采用 Data Snap+Access 搭建。Data Snap 解决了Access 本地小型 数据库跨网络通信的问题, 后期还会根据系统需求不断推广替换成中大型数据 库。 通过服务器远程终端便可实时监 控路灯的运行状态, 也可以查询备份在数据 库内的历史数据, 并对底层风光互补 LED 路灯的参数进行远程设置。 2 无线数据传输设计 在整个系统中,
8、数据的无线可靠传输是系统能够稳定运行的关键, Zig Bee 无线 通信节点、相应的数据集中器以及云端服务器便是数据传输设计的核心所在。 2.1 Zig Bee 无线 通信节 点 在风光互补LED 路灯监控系统底层组成的风光互补LED 路灯中, 除设置有风光互 补LED 路灯控制器之外, 还对应设置一个无线通信模块, 我们称之为无线通信 节点。 无线通信节点的主要功能是负责将路灯数据发回 所属的集中器网关, 并最 终通过集中器将数据发送回远程监控中心, 接收平台通过集中器发给对应控制 器的命令。 Zig Bee 技术是近几年兴起的一种短距离无线通信技术, 其工作于免费的 ISM 频 段 (2.
9、4 GHz) , 主要用于低成本、低功耗、低复杂度、低数据速率、近距离、 高可靠性的多设备联网应用。Zig Bee 技术具备强大的自组网能力, 支持三种主 要的自组网无线网络类型, 即星型结构、 网状结构和链状结构。 根据开发对象的 特点和Zig Bee 的传输特性, 设计了基于链状结构的风光互补路灯 Zig Bee 节点 网络, 并 取得了很好的效果。 2.2 数据 集中器 通常所监控路段的路灯都远离监控中心, 甚至是跨区域监控, 因此数据集中器 尤为重要。 近距离上, 由于Zig Bee 自组网技术的灵活可靠性, 只需保证有任意 一个与风光互补路灯控制器相连的Zig Bee 节点可将数据传
10、输给数据集中器即可; 远距离上, 数据集中器通过内部的无线通信模块将路灯数据接收后, 由内部的 GPRS 模块通过公共 GSM 网络发送到远程服务器。从服务器传送过来的数据亦通 过上述链路逆向回传。 2.3 云端 服务器 设计 随着阿里云技术的不断发展和推广, 从缩减企业开发成 本和提高传输便利性角 度考虑, 使用云技术进行相关技术开发成为越来越多公司的选择, 本系统采用 的通讯服务器和数据服务器都基于云端支持。从 Delphi2009 开始, Data Snap 技术采用全新的多层架构, 不再基于微软的 COM, 而摆脱COM 就意味着摆脱了 Windows 的束缚。相较于以前, TCP/I
11、P 通信也变得简单许多, 全新的 Data Snap 只需一个中间件就可以开发普通的 TCP/IP 通信。 本系统的通讯服务器基于 Data Snap 技术进行设计与开发, 其核心围绕 TDSServer 控件、TDSServer Class 控件和 TDSTCPServer Transport 控件展开。 TDSServer 控件是Data Snap 服务端程序的逻辑核心, 用来启动和停止服务。 Auto Start 属性默认设置为 true, 程序一旦运行就自动启动服务。 TDSServer Class 控件代表一个服务器类, 服务端的方法由它来引出供客户端远 程调用。Data Snap
12、Server 可自动创建和销毁一个服务器类的实例。该实例的 生命周期受TDSServer Class 的Life Cycle 属性控制。 TDSTCPServer Transport 控件可实现一个多线程的 TCP 服务器, 多线程监听客 户端连接。 而数据服务器则通过 Data Snap+Access 来完成。 作为典型的三层 C/S 构架, Data Snap 解决了 Access 本地小型数据库跨网络通信的问题。而其关键便是 TClient Data Set 控件和TDataset Provier 控件。 TClient Data Set 控件继承自 TData Set, 其最大的特点是
13、不依赖 BDE (Borland Database-Engine, BDE) , 但需要一个动态链接库的支持, 该动态链接库为 dbclient.dll 。由于客户端并不直接连接数据库, 因此客户端无需 TDatabase 构件。 TDataset Provier 控件是存在于应用程序服务器上的一个组件, 负责取出Tdata Set 中应用程序所要求的数据, 并进行封装提供给客户端程序。 3 多平台监控软件设 计 一直以来, Delphi 都是 Windows 平台开发软件的主流选择4, 但随着 Web 和移 动终端开发需求的日益旺盛, Delphi 逐渐被其他开发软件超越。而 2013 年E
14、MB 发布了XE4, 则开启了 Delphi 直接开发苹果 App 的篇章。同时, Orange UI 开始 了紧锣密鼓的研发, 耗时四年。期间EMB 也发布了 XE5、XE6、XE7、XE8、D10 Seattle, 直到D10.1 Berlin 版, Delphi 已经可用一套代码, 同时开发稳定的i OS 和Android 两个平台的 App 了。 此外, 由于 Data Set Provider 需返回Ole Variant 格式的数据集, 而PC 机或 手机客户端也用Delphi 开发, 因此产生的效能是最高的。 因此, 本系统选择D10 Seattle 来开发基于 Windows
15、和Android 系统的远程监控终端软件。 3.1 基于 Windows 系统远 程监 控软件 设计 3.1.1 远程监 控软 件功能 设计 (1) 数据传输功能 监控平台可以通过数据集中器接收现场路灯控制器通信节点上的数据, 也可以 在监控平台上通过通信服务器的逆过程下发数据给指定的路灯控制器通信节点。 (2) 工程信息管理 可以在平台单独或者批量录入风光互补路灯基础信息, 包括项目、区域、路段、 网关地址、路灯地址、经纬度、路灯配置信息等。 (3) 监测功能 可以通过监控平台实时显示路灯、 风力发电机、 太阳能板、 蓄电池的 状态等信息。 (4) 数据管理功能 对于所收集的底层路灯数据,
16、远程监控中心可对数据进行编整和初步分析, 存 储和归档处理, 并对错误数据进行报警。 考虑到数据的安全需求, 监控中心必须 具备对数据进行定期备份和还原的功能。 (5) 控制功能 可以对整个风光互补 LED 路灯或者选定的某几盏风光互补 LED 路灯进行开关控 制、风机刹车和解刹车及对时等远程功能控制。 (6) 设置功能 可以设置风光互补 LED 路灯的照明策略 (如开关灯周边环境光线亮 度、 负载工作 模式、 亮灯时间、 亮灯时长及亮灯功率等) 。 可对风光互补LED 路灯蓄电池的充 放电参数和风机运转的参数进行设置。 (7) 告警功能 风光互补LED 路灯监控系统可根据不同的故障代码生成相
17、应的告警码, 应及时 通过无线通信节点和数据集中器将故障代码上传到远程监控中心, 监控中心及 时回应故障告警, 必要时监控中心可通过短信或电话拨号的形式通知相应的责 任人。 (8) 数据存储及统计功能 远程监控中心可保存过去一段时间的运行数据, 并对运行数据进行统计, 生成 报表, 以方便分析系统运行是否正常, 为今后同类型项 目提供设计参考, 改善 系统运行状况。 3.1.2 远程监 控软 件界面 概要 设计 按照风光互补路灯远程监控中心的要求, 远程监控平台软件结构如图 2 所示。 主 要包含首页、 项目管理、 实时数据、 远程控制、 路灯设置、 历史数据、 告警处理、 系统日志和系统设置
18、, 每个模块之间可以相互切换。 图2 远程监控平台软件结构图 下载原图 3.2 基于 Android 系统远 程监 控软件 设计 在基本功能上, 基于Android 系统远程监控软件与基于Windows 系统远程监控软 件最大的 差别在于设备的局限和操作的不便, 前者侧重于单灯的远程控制, 包 括数据传输功能、监控功能、数据管理功能、控制功能、设置功能、告警功能、数据存储及统计功能, 由于是在相同软件平台上进行开发的, 具体界面设计便 不再赘述。 4 结语 通过上述分析与设计可以看出, 智能风光互补 LED 路灯多平台远程监控系统在 实现多终端便捷操作的同时, 能最大限度地发挥无线通信的快捷性
19、, 实时掌握 路灯的运行状况, 保证路灯系统的可靠性和稳定性, 延长系统工作寿命, 大大 减少路灯的建设与维护费用。 但如何最大化地利用云端大数据对系统运行状 况进 行自调整以及对故障状况进行自诊断依然是下一步需要深入研究的内容。 参考文献 1 张卿杰, 徐友, 薛 国庆.基于Web Service 的无线路灯远程监控系统J.现代 电子技术, 2015, 38 (11) :5-9. 2 刘伊莎, 黄胜明, 毛周明.基于电力线载波的 LED 路灯监控系统设计J.电 测与仪表, 2015, 52 (22) :113-118. 3 朱向庆, 廖桂明, 崔廷佐, 等.远程分布式无线智能路灯监控系统设计
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