（控制理论与控制工程专业论文）基于web的城市级景观照明远程监控平台的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 城市景观照明作为城市建设的一部分，是改善投资环境，展现一个城市现 代化、国际化水平的重要标志。城市级的景观照明控制通过整体规划，合理布 局，既要实现城市景观照明的本体功能，还要以信息化为基础，充分利用先进 的网络与远程控制技术来实现全城区的景观照明远程监控。 本论文主要对城市级景观照明监控系统制定可行的实现方案，详细构建了 主控中心与各子区监控中心之间的通信传输协议和具体的通信方式，以及现场 照明设备的接入技术等。在j 2 e e 平台上，采用j a v a 、j d b c 、j n i 等技术开发 建立一个基于w e b 的城市级景观照明的远程信息监控平台。本文的工作主要集 中在以下几个方面： 第一，城市级景观照明远程信息监控平台主、子区监控中心之间的双向自 动通信实现，包括从主监控中心到子区监控中心再到下位机的自动 通信以及反向通信的细节设计。 第二，城市级景观照明监控系统通信传输协议的制定，新设备的注册和接 入远程信息监控平台等技术。 第三，在j 2 e e 平台上采用j a v a 、j d b c 、j n i 等技术具体构建主、子区监 控中心服务器上的应用程序及其双向自动通信，实现新设备的接 入，连通整个监控平台。 关键词：远程监控、照明、协议、j a v a 、j d b c v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h el a n d s c a p el i g h t i n go f t h ec i t yi sa ni m p o r t a n ts y m b o lo f t h ec i t y sm o d e r n i z a t i o n a n di n t e r n a t i o n a ll e v e lw h i c hc a l l i m p r o v ei t si n v e s t m e n te n v i r o n m e n ta n dl o c a l p e o p l e sl i f e t h ec i t yl a n d s c a p el i g h t i n gs y s t e r n c a l lb em o n i t o r e du s i n gt h e a d v a n c e dn e t w o r ka n dr e m o t ec o n t r o lt e c h n i q u e i nt h i sp a p e r , am o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mo f l a n d s c a p el i g h t i n gi sd e s i g n e da n d d e v e l o p p e d i te c n 扭i n sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h ec e n t e r s e r v e ra n dt h e s u b s e r v e ro fd i f f e r e n tz o n e s m e a n w m l et h ef i e l d l i g h t i n gd e v i c e sm t e r f a c o t e c h n i q u ei sa l s od e 丘n e d o nt h ep a l t f o r mo fj 2 e e ，ac i t yl a n d s c a p el i g h r i n gr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e du s i n gj a v a ，j d b ca n dj n i t h em a i nt a s k so f t h i s p a p e ra r et h ef o l l o w i n g ： 1 b i d i r e c t i o nc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mb e 柳e e nt h ee e u t e r s e r v c ra n dt h e s u b s e r v e ro ft h ew h o l ec i t y s l a r m s c a p el i g h t i n g i s d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e dd e t a i l e d l y i tc o n t a i n sc o m m u n i c a t i o n 矗o m t h ec e n t e r s e r v e rt o s u b s e r v e r , a n dt h e nt of i e l dl i g h t i n gd e v i c e s ，t h er e w e r s ec o m m u n i c a t i o ni s a p p l i e ds i m i l a r l y 2 c o m m i n u c a t i o nt r a n s p o r tp r o t o c o la n dr e g i s t e r i n gp r o t o c o lf o rn e wd e v i c e s a r ed e s i g n e d c o n n e c t i n gt e c h n i q u e st or e m o t ec o n t r o ls y s t e mp l = f o r ma r e d e s e r i b e d 3 r e a l i z a t i o no f t h es u p e r v i s i n gs y s t e m t h es u p e r v i s i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d w i t hs e r v e r a ld i f f e r e n tp r o g r a mt o o l k i t ss u c ha sj a v a ，j d b ca n dj n ib a s e d o nj 2 e ep l a t f o r m t h em a i nw o r ki sf o c u s e do nt h ea c t u a lm o n i t o r i n g a p p l i c a t i o np r o g r a m s o nt h ec e n t o r s c r v e ra n dt h es u b s e r v e r sa n dt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e m k e y w o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，l i g h t i n g , p r o t o c o l ，j a v a , j d b c v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：卑日期：丑坐 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 背景及意义 城市景观照明从上世纪白炽灯问世以来，已有l o g 多年的历史。所谓景观 照明是指既有照明功能，又兼有艺术装饰和美化环境功能的户外照明设施。随 着城市的发展、经济的繁荣、社会的进步，城市景观照明已经逐渐成为城市建 设的一项重要工作。城市景观照明重塑和美化了城市形象，为城市注入了生机 和活力，呈现出强烈的时代气息，展示了城市丰厚的文化底蕴，也充分体现出 城市的建设成就和管理水平。在城市现代化建设进程中，道路照明、广场照明、 建筑物照明、园林绿地照明以及景点、景区照明构成了城市夜晚环境的一道亮 丽风景线，发达国家大城市的夜晚灯光照明令人惊叹，国内北京、上海等城市 的灯光艺术也取得了飞速发展1 1 1 。 中央与上海市政府依据全球经济与社会发展的趋势，明确将上海发展的目 标定位为逐步建成国际经济、金融、贸易和航运中心。上海南汇的洋山深水港 及其沿海陆地部分的临港新城，即是上海市为构筑上海国际航运中心、实施上 海新一轮发展目标的一项重大战略决策，亦将是上海进一步优化产业布局，提 升产业能级的重要战略举措。上海临港新城是一座全新构建的城市，有此得天 独厚的优势，它的建设完全可以走跨越式、集中式的特色发展道路。它将以一 种全新的建设模式，即对城市以信息化为基础的全过程管理，包括城市规划、 建设与运营管理等，不仅可为加强政府对城市的综合管理能力提供全方位的数 据及决策支持，而且将为上海实现国际航运中心的目标奠定重要的基础。 上海临港新城景观照明系统必须整体规划，合理布局，将运用现代化高科 技手段来构建一个城市的“第四维空间”，通过系统规划的光和影、虚和实、动 和静的有机组合，融文化性、趣味性、知识性、艺术性于一体，充分展现港城有 别于白天的时空夜景，它将极大地丰富这座新兴城市的内涵，还将成为港城现 代化、国际化水平的重要标志。临港新城城市级景观照明信息监控系统作为其 中一个重要的组成部分，既要实现城市景观照明的本体功能，还要以信息化为 基础，充分利用先进的网络与远程控制技术，实现临港新城景观照明的数字化 全程控制与可持续发展。随着上海社会信息化进程的推进，临港新城城市级景 上海大学硕士学位论文 观照明信息监控系统将愈发显示出重要的战略意义。 1 2 城市级景观照明远程监控平台国内外研究现状 近几年来，城市夜景照明正在悄然地改变着城市的面貌、改变着人民的生 活方式。同时，城市夜景照明也是改善投资环境，展现一个城市现代化、国际 化水平的标志，受到各级政府的高度重视和广大市民的普遍欢迎，成为城市生 活中不可缺少的重要组成部分2 1 。夜景照明不仅能丰富人们的文化生活和创造 良好的生活环境，而且对促进城市商业和旅游业的发展、塑造城市形象起到良 好的作用u 1 。随着生活水平和审美情趣的不断提高，人们对夜景照明的质量也 提出了更高的要求。城市夜景照明应更好地体现“以人为本”，使城市夜景形 象更加亮丽，特色更加鲜明，更加规范化、科学化、艺术化、社会化，创造良 好的环境效益、社会效益和经济效益；应采取相应对策，采用新技术、新光源， 进一步提高城市景观夜景照明的水平。 城市级景观照明系统平台在国内外的发展现状都并不是十分理想，能够上 升到城市级别的景观照明规划与控制的成功案例并不是很多，大多数都在试用 或者完善阶段。 法国里昂从1 9 8 9 年开始以“1 kc i t yo f n i g h t ( 不夜之城) ”为主题，开始对 整个城市进行整体的景观照明规划，对1 3 0 多处建筑和桥梁的夜间景观照明进 行了整修。为了促进城市景观照明技术的发展，1 9 9 7 年法国里昂建立了一个 4 7 0 0 0 m 2 的室外照明应用中一i ：, ( o u t d o o rl i g h t i n ga p p l i c a t i o nc e n t r e 简称o l a c ) 。 1 9 9 5 年在日本大阪，著名的城市景观照明专家m o t o k o l s h i i ( 石井斡子) 博士发起 召开了首次城市景观照明专题学术会议。国际照明界的权威学术组织国际 照明委员会( c i e ) 对城市景观照明问题十分重视。c i e 的几个技术委员会组织了 各国一大批照明专家对城市景观照明进行了长期的研究，总结各国景观照明经 验后，编辑出版了城市景观照明技术文件( “室外环境照明”、“泛光照明”及“城 区照明”) 成为指导各国城市景观照明的重要依据 4 1 。 北京作为我国的首都，几年来城市夜景照明得到了迅猛发展，取得了令人瞩 目的成绩。首都的夜景照明以“庄重、大方、恢弘、亮丽”的独特风格呈现于世 人面前，已经形成较完整的规模并走在了全国的前列。其夜景照明监控管理系统 2 上海大学硕士学位论文 1 2 , 5 , 6 1 , 是一个城市级景观照明信息监控管理系统的成功尝试。杭州市公用照明网 络的监控管理系统订1 ，对电力网络的各种终端设施进行远程自动化集中监控，是 电力系统自动化发展技术和监控管理系统结合的成功应用。 城市级景观照明的监控点数量庞大，系统或设备在地理上分布分散，系统 包罗整个城市各色多样的照明对象和显示终端，其涉及范围很广泛，相应的实 时数据数量和监控点也将是空前繁复，因此研究城市级景观照明远程监控平台 技术具有重要意义。 1 2 1 城市级景观照明通信方式和传输协议的研究现状及发展趋势 城市级景观照明控制系统的控制集合了通信功能、软件功能及自动化功能 等技术。远程监控系统可按要求对任何一点进行自动开关控制，进行相应的实 时数据的采集、现场照明设备的故障检测和报警。实现通常自动化系统所具有 的远程监测、控制和管理功能以及现场的实时监控功能。系统软件可按实际需 要设置功能，实施图文界面的监视和控制。 对于通信方式来说，一般使用有线通信方式或无线通信方式。无线通信一 般使用u h f 频段、新的无线通信技术如g p r s 等亦可；有线通信可基于各类 通信网络来实现，如全光网a o n 、i n t c m c t 网等。在国外，悉尼2 0 0 0 年城市夜 景照明控制系统就应用了许多更为细致的控制手法，采用了照明的控制总线系 统通过m o d e m 和公共交换电话网( p s t n ) 来远程控制城市某一重点区域照明 系统 8 1 0 北京市的城市景观照明系统采用目前最先进的通用分组无线业务 ( g p r s ) 无线通讯技术进行主从站间的通信，集计算机网络、通信、自动控制等 多种先进技术于一体，成功实现了对全市夜景照明设施大范围、多区域、全天 候的实时监控和管理1 2 1 通过g p r s 无线通信发送和接收终端，以及其无线网 络通信系统，实现现场实时操作数据的采集及上传汇总至监控中心；监控中心 的控制信息下传至各个现场监控点，很好地实现了监控系统关键的数据传输通 信问题。 城市级的景观照明监控对象包罗万象，为保证传输数据的准确性与实时性， 发送方和接收方必须遵循相同的数据传输协议。在通过计算机网络进行数据传 输时，被传输的内容不仅包括数据本身，还包括一些传输控制信息。前者包括 上海大学硕士学位论文 两种：一种是实现用户管理和系统管理的数据，称之为管理数据；另一种是实 现远程控制功能的数据，包括控制命令和反馈信息，称之为控制数据。数据加 上传输控制信息构成了数据传输协议。文献 9 】在数据采集系统网络接入中，根 据具体的应用设计了一种能够满足不同要求的网络传输协议。文献 1 0 在通信 协议的设计上考虑到g p r s 通信方式的特点和系统的要求，制定了基于g p r s 的d d n 系统的通信协议来满足路灯主站与从站之间的通信，既考虑了监控点 的数量和类型又兼顾了实时性和可靠性的要求。传输协议的制定还应考虑使用 环境的多样性，同时还需提供多种通信接口，允许多种传输介质以及多种网络 拓扑结构的使用，甚至针对不同的应用平台开发出不同的应用层协议。 1 2 2 城市级景观照明接入技术的研究现状及发展方向 城市级景观照明信息监控系统对全城各类景观照明对象进行监控与管理， 包罗万象覆盖面很广。该监控平台是一个开放的信息系统，留有各种标准接口， 允许任何符合标准的系统或设备接入此平台。在各种接入方式下，现场的景观 照明系统和设备与信息监控平台之间的数据交互通过统一的接入协议完成，任 何符合协议要求的设备都可以接入此信息监控系统，并接受系统远程监控。 目前，景观照明的现场照明设备主要有现场照明控制系统和现场智能照明 设备两大类。要实现系统实时信息的交互与远程监控功能，现场照明设备必须 将状态信息传送到远程监控平台上进行分析并接受监控平台的控制指令。现场 照明系统或设备与远程监控系统之间的网络介质主要有i n t e r a c t 网和g p r s 网两 大类1 1 1 , 1 2 1 s 通信仍然需要采用专用的通信协议i 1 3 i 。 对m 设备或者非婵设备，装入支持口的嵌入式系统，可利用双绞线、同 轴电缆或光纤进行网络通信；有的现场照明设备带有嵌入式串口以太网转换器 或者m o d e m ，通过这类接口可接入i n t e r n c t ，将现场设备接入监控中心 1 4 1 0 对 于这些标准的接口实现，一般p c 机都配置有这些网络通信标准的通用以太网 网卡。如需实现高性能的以太网连接，高带宽传输，也有一些高端高性能产品 可供选择，如著名的d u 【1 l 【公司的千兆网卡系列及l o l o o m 以太网卡系列。这 些高性能网卡，有的可用于服务器的连接，只要把该网卡插入到计算机扩展插 槽内，就可以全双工模式以1 0 0 0 m b p s 2 0 0 0 m b p s 速率不等地进行数据传输，可 4 上海大学硕士学位论文 运行在w i n d o w s9 5 、9 8 、2 0 0 0 、m e 、x p 、n t 、n e t w a r e 和l i n u x 等操作系统 中，也可允许工作站同步地对数据库进行访问、发送文件及e - m a i l ；有的可用 于台式p c 机的以太网连接，这些类型的网卡可直接安装到p c 机的p c i 扩展插 槽内。该类网卡可使一台普通台式机成为一台在全双工运行模式下运行，速度 可达到2 0 0 0m b p s 的高带宽千兆位工作站或服务器。 还可以采用串口通信，通常的r s 2 3 2 接口通信距离较短，采用r s 4 8 5 接口 或光隔离长线收发器可以大大延长传输距离t l s i 可靠通信的传输距离可达数千 米。使用r s 4 8 5 总线组网，只需一对双绞线就可实现多系统联网构成分布式系 统，设备简单，价格低廉，通信距离长。在串口传输数据时，比较常用的方法 就是将数据打包发送，每传输一个包后再校验数据的准确性，这样既保证了数 据的正确传输，又兼顾了数据的传输速度。串口传输在工业中得到广泛的应用， 已有的串口传输协议也有很多种，如x m o d e m 协议、k e r m i t 协议、y m o d e m 协 议、z m o d e m 协议等t 1 6 | , 这些协议在工业控制中都己经使用了很长一段时间， 一般的工控设备都支持这些协议。通用串行总线u s b 是一种快速、灵活的计算 机外设接口，与传统的串口和并口等通信接口比较，u s b 接口的最大特点是易 于使用、支持热插拔和即插即用，并且所有的配置过程由系统自动完成，无需 用户手工操作，数据传输速率在1 1 版本时支持1 2 m b p s ，2 0 版本支持4 8 0 m b p s ， 而且用于外设端的接口芯片价格低廉，一个支持u s b l 1 规范的u s b 接口芯片 价格在l - 2 美元之间。 同样的也可以采用无线通信，使用w a p 技术、蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术以及 本地多点分配系统技术( l m d s ) 等，其最大优点是无需架设通信线路，但传输距 离受建筑物和地形的影响较大。w a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 是一种向移 动终端提供互联网内容以及先进增值服务的全球统一的开放式协议标准，是简 化了的无线i n t e m e t 协议1 1 7 1 。w a p 定义可通用的平台，把目前i n t e r n c t 网上h t m l 语言的信息转换成用w m l 描述的信息，显示在移动电话或者其他手持设备的 显示屏上。它不依赖某种网络而存在，今天的w a p 服务在3 g 到来后仍然可能 继续存在，不过传输速率更快，协议标准也会随之升级。蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m 频段，全球大多数国家i s m 频段的范围是2 4 也4 8 3 5 g h z ，使用该频段 5 上海大学硕士学位论文 无需向国家的无线电资源管理部门申请许可证，它采用电路交换和分组交换技 术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信 道。当采用非对称信道传输数据时，单项最大传输速率为7 2 1 k b p s ，反向为 5 7 6 k b p s ：当采用对称信道传输数据时，速率最高为3 4 2 6 k b p s ，网络中的蓝牙 设备可以建立临时性的对等连接，蓝牙模块具有很好的抗干扰能力，体积小可 以方便的集成在各种设备中k i s l 。l m d s 即本地多点分配业务，是一种微波宽带 业务，工作在1 0 g h z 至4 0 g i i z 频段，在近距离内进行语音、数据、图片和图象 等信息的双向传输t 1 9 1 。l m d s 采用一种类似蜂窝的服务区结构，将需要提供业 务的地区划分为若干单元，每个单元至少设一个基站，固定或移动用户通过基 站接入骨干网，单元之间可相互重叠。 无线接入方面还有红外无线技术、i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术和h o m e r f 家用无线局域网技术等。其中符合i e e e8 0 2 1 l a b g 系列无线局域网接入标准的 产品，在市场上有许多选择，很多知名厂家都有相关产品的推出，如3 c o m 、e i s c o 、 d 1 i n k 、港湾网络、华为和美国网件等。 近几年，覆盖全国的g p r s 网络已成为一种可持续利用和开发的资源，因 而在此基础上开发出满足需求的无线接入产品也就成为可能啪。g p r s 网络是 在g s m 网络基础之上，新增两个节点s g s n 和g g s n 而形成的移动分组数据 网络。因此可以说，g p r s 的基本功能就是在移动终端与计算机通信网络的路 由器之间提供分组传递业务。g p r s 针对数据通信的特性对无线部分进行了改 造，提高了无线资源的利用率；在核心网部分吸纳了g s m 和口技术的精华， 使其既保留了良好的移动性，又具备了m 的灵活性。g p r s 允许服务用户采用 端对端的分组传递模式，而不是利用电路交换模式下的网络资源发送和接收数 据。g p r s 可提供高达l1 5 k b p s 的传输速率，使一些对传输速率要求较高的无 线数据传输系统的组网也成为可能。g p r s 支持因特网上应用最广泛的口协议 和x 2 5 协议。而且由于g s m 网络覆盖面广，使得g p r s 能提供i n t e m e t 和其 它分组网络的全球性无线接入。中联视迅的s g 2 0 1 0g p r sm o d e m ，它基于 g s m g p r s 公网平台，内置g p r s 模块，支持g p r sc l a s s8 ，能支持语音、短 信息、数据通信，支持i po v e rp p p ，还可支持p c 机、笔记本电脑、掌上电脑 6 上海大学硕士学位论文 等各种t c p i p 终端设备通过g p r s 无线接入i n t e m e t 或i n t r a n e t ；s g 2 0 2 0g p r s 嵌入t c p i p 协议栈，通过r s 2 3 2 接口可直接与r t u 、p l c 、工控机、p o s 等 数据终端无缝连接，实现透明传输，可广泛用于遥测，数据采集与监控，自来 水和废水管网自动化，油田数据采集等领域；s g 2 0 3 0g p r s w l a n 双模无线网 卡可同时支持与g p r s 移动数据网络的连接以及与i e e e 8 0 2 1 l b 无线局域网的 连接，并具有双模自动切换功能，可支持用户在g p r s 移动数据网络和符合 i e e e 8 0 2 1 l b 标准的无线局域网之间方便和容易地进行自动转换；s g 2 0 4 0g p r s p c m c i a 无线网卡具有支持实时在线和多媒体数据传输的能力，可提供随时随 地的无线网络连接，是一种理想的移动办公解决方案。哈工大卫星公司的g p r s 终端产品，该g p r s 双向透明数据传输终端支持4 + 1 和4 + 2 通道，终端内封装 了t c p i p 和u d p 协议，提供r s 2 3 2 r s 4 8 5 标准接口的双向透明数据传输， 支持g p r s s m s 两种通信方式，广泛应用于数据采集和工业远程监控的各种场 合，它的特点是不需要计算机的配合，可以与任何单片机产品进行无缝连接， 适用范围广且成本低廉。广泛用于工业监控如气象局数据采集，城市路灯控制， 电力机房的监控，电表的远程抄表，环保局数据采集等。交通管理、p o s 机、 自动售货机、移动银行等也有大量的应用，该终端具有完善的断线自动重连功 能。 电力线载波通信是电力系统特有的通信方式，它是利用现有电力线，通过 载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。由于使用坚固可靠的电力线 作为载波信号的传输介质，因此具有信息传输稳定可靠、路由合理、可同时复 用远动信号等特点，是唯一不需要线路投资的有线通信方式。它将数据调制成 载波信号或扩频信号，然后通过耦合器耦合到2 2 0 v 或其它交直流电力线上， 甚至是没有电力的双绞线上。电力线载波通信不仅提供了实用的新型通信手段， 而且具有现存物理链路易维护、易推广、易使用、低成本等优点，显示了诱人 的前景和潜在的巨大市场。 1 3 目前存在的问题 城市级景观照明的监控点数量较已往监控系统更为庞大，此研究领域在国 内外的发展现状都并不是十分理想，能够上升到城市级别的景观照明规划与控 7 上海大学硕士学位论文 制的成功案例并不是很多，目前大多数都在试用或者完善阶段。系统包罗整个 城市各种各样的照明对象和显示终端，其涉及范围很广泛，这样在构建系统时 会遇到很多困难。其中涉及到了多个领域的知识，包括城市级景观照明、远程 监控技术、计算机通信及网络互联技术、信息自动化处理技术以及软件工程等 技术，这样对整个监控平台的构建及应用带来了一定的困难。 欲建立起通用可行的监控平台，首先要解决好如何将这些领域的知识有机 地整合成为一个整体，但同时又要使系统不失其开放、通用、可控、可重组、 易实现等特性。现今比较成熟的城市级照明控制系统往往都是一些对象较为单 一的监控系统，例如针对道路照明这一类型的路灯监控系统，它并不涉及其它 景观照明设备的规划及控制。但是这些照明控制系统都很好地将上述各个领域 中的新技术运用到了监控系统中，我们可以吸取其优秀的监控技术。随着网络 技术的广泛应用，对控制系统的理论和应用也都提出了新的挑战，我们在进行 城市级景观照明系统平台的构建时，也涉及到了很多关于网络控制技术，包括 i n t e r n e t 网和g p r s 网。在类似人与人交流的通信过程中，实现整个监控平台的 信息互通又涉及到通信方式的选择和制定传输协议等技术。为了便于可持续发 展，构建的监控平台必须留有许多接口以便于新设备的接入，如此一来又包括 了许多接入协议的制定过程。这给我们的研究工作提供了新的机遇及发展空间。 1 4 本论文的主要研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于2 0 0 4 年上海市科学技术委员会的重大科技攻关项目“上海临 港新城建设关键技术研究”中的一个重要子项目“临港新城l e d 光电照明应用 技术及示范”，该子项目的课题编号为0 4 d z l 2 0 4 6 。 该子项目的总体目标为： ( 1 ) 完成临港新城照明系统的整体规划； ( 2 ) 完成跨海大桥和港区照明系统的整体规划方案设计； ( 3 ) 完成跨海大桥照明工程的方案实旌； ( 4 ) 完成一套具有智能控制功能的防盐雾全彩色l e d 显示屏系统； ( 5 ) 完成一套智能车道导向太阳能交通指示器系统； 上海大学硕士学位论文 ( 6 ) 完成一套能实现应用于临港新城和跨海大桥的l e d 照明灯具。 本论文研究重点主要集中在“完成跨海大桥和港区照明系统的整体规划方 案设计”中临港新城城市级景观照明远程监控平台的研究。 1 4 2 论文主要研究内容 本论文主要对城市级景观照明监控系统平台制定可行的实现方案，详细构 建了主监控中心与各子区监控中心之间的通信传输协议和具体的通信方式，实 现了子区监控中心与下位机的通信，包括下位机采集现场设备状态信息上传到 子区监控中心直至主监控中心，主监控中心发送控制信息到子监控中心直至下 位机，下位机翻译执行操作现场照明设备；新设备的注册和接入远程信息监控 平台的协议制定也是本论文的研究内容。在j 2 e e 平台上采用j a v a 、j d b c 、j n i 等技术具体构建主、子区监控中心服务器上的应用程序及其双向自动通信，实 现新设备的自动接入，连通整个监控平台。 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在第一章中阐 述了课题研究的背景、意义以及国内外的研究现状。第二章阐述了城市级景观 照明监控系统平台总体方案的设计以及关键使能技术。第三章阐述了城市级景 观照明远程监控平台主、子区监控中心具体设计以及接入技术和传输协议的设 计。第四章对接入技术及制定的传输协议在实验室环境下进行了具体实现。第 五章对全文进行了总结和展望。 9 上海大学硕士学位论文 第二章城市级景观照明远程监控平台总体方案 临港新城景观照明远程监控平台在根本上是一个信息平台，它应具有信息 平台所具备的可重组性，允许各应用模块系统在信息系统中可以方便的实现 “p i l p ( 即插即用) ”1 2 1 。 本系统将是一个开放式系统，参照i e e e 标准对开放式系统的规定2 2 1 ，既 包括接口的开放性，又包括自身功能的开放性：它提供标准化环境的基础平台， 允许不同功能的模块接入；有良好的移植性，不同应用程序模块可运行于不同 生产商提供的系统平台，同时系统软件也可运行于不同特性的硬件平台之上； 具有可扩展性，其功能的增减只需功能模块的装卸；有很强的操作性，拥有标 准化接口，通信和交互模型。因此，开放式系统从一个全新的角度分析和实现了 远程监控系统的控制功能，强调向模块化、平台化、工具化和标准化发展。 系统的接口和通信标准应具有兼容性，在进行景观照明监控系统的功能设 计及实现时，都要考虑不同景观对象的不同需求和特点，并尽可能地满足这些 需求，使系统具有通用性。首先，在系统的功能设计中，将系统在逻辑上分成 用户层、应用层、工具层、数据支撑层、物理通信层及环境支持层等层次。在一 各个层次的功能实现都将尽可能采用通用标准的组件、接口和协议。针对不同 的景观对象如单体景观灯、一个景点的景观灯或更大照明系统对象的监控要求， 进行整个信息监控平台的功能设计，实现对各级照明的不同照明对象的统一控 $ 1 h 然后，根据这些功能设计，对所需功能进行具体构建时，其实现技术的选 用也要充分考虑到各类照明对象的特点，提供丰富的软硬件接口及其标准，使 监控系统能够适应和应用于各种景观照明设备。 临港新城的城市级景观照明信息监控平台应有良好的易实现性。我们的设 计都是基于一系列现今可实现的并且发展较好的技术，如计算机技术、网络技 术、信息自动化处理技术及远程监控技术等。将充分利用现有资源，实现港城 城区的集约化管理控制。在网络通信媒介的选择上，我们将利用城区现有的全 光网通信网络进行各种信息的传输，而不再新铺设其它通信网络。 总的来说，我们的设计总原则是利用现有资源建设一个可控的、可重组的、 开放的且易实现的信息监控平台。 1 0 上海大学硕士学位论文 2 1 城市级景观照明总体规划 根据临港新城城区布局特点，我们把整个城区分为以下8 大子景区照明体 系，如图2 1 所示。 图2 1 临港新城总体布局简图 景区( 1 ) 水系景观照明体系 景区( 2 ) 环湖商务休闲带景观照明体系 景区( 3 ) 环城公用绿化带景观照明体系 景区( 4 ) 城市居住岛景观照明体系 景区( 5 ) 道路系统景观照明体系 景区( 6 ) 城市标志系统景观照明体系 景区( 7 ) 制造物流区景观照明体系 景区( 8 ) 海事大学景观照明体系 景观照明体系是由景区中的单点景观和相关的干线景观等组合而成的，因 此在体系中的所有景观设计都必须根据该景区的总体构想实现各自的景观效 上海大学硕士学位论文 果，并组合成整个体系景观。其中，城市景观照明是融合在城市应用系统中的 一个组成部分，它包含着基本照明、景观照明、信息指示等多项具体的功能。 换句话讲，除了专用的景观照明外，城市中所有的其他照明都有可能经过专门 的设计而成为城市景观照明的组成部分。因此城市照明实现的是基本的照明功 能，但经过精心设计的基本照明功能，特别是如能与建筑设计相融合，同样将 展现出其特有的景观效果。所以必须将整个城市基本照明功能设计纳入景观系 统设计，并同时将其作为景观照明的一个重要组成部分。整个临港新城景观照 明将以三种模式进行表现，即： 节日模式：能体现整个临港新城、气象万千、繁荣耀眼的景象： 节能模式：以构建意境为主，突出表现临港新城的文化与内涵； 日常模式：表现主城区的宁静与安逸；东海大桥的雄伟与通畅；港区 的繁荣与奋进。 2 2 基于w e b 的信息监控系统总体方案 城市的景观系统将采用多层控制模式，即单体照明、区域、景点、景区子 系统和总的城市级景观照明控制系统层的控制模式。系统中除各单体景观系统 自身的照明控制外，更重要的是城市中各区所有的景观照明系统都将通过全光 网的联接，构建起一个庞大的远程集散监控系统。城市级景观照明信息监控平 台是一个非常复杂的系统，它的构建涉及到网络技术、集散控制技术、整体景 观照明控制技术等多项高科技技术的集成应用。根据其特点，该平台的总体框 架及运作模式为： 根据景观照明系统总体规划，在城市全光网的基础上拓展布设整个城 市景观照明系统平台的基础网络系统； 各单体照明系统，除了拥有自身照明与展示功能控制的特点外，还将 受控于景观照明区域、景观照明体系与整个城市景观照明系统，控制 信息将基于网络，并以协议的方式进行相关的控制； 要完成景观系统的集中控制，就必须有效地定义系统中各单体景观照 明系统功能以及相关的控制协议，这是临港新城景观照明系统成功运 行的一个关键，也是本项目研究的一项关键技术； 1 2 上海大学硕七学位论文 整个城市景观照明控制系统是临港新城建设的一个组成部分，受控于 临港新城的总控中心。 具体地，我们将建立一个主监控中心，即建立一个总服务器及数据库等作 为临港新城城市级景观照明监控系统的中央控制中心。各区建立子w e b 服务器， 受控于此中央控制中心。由此构成整个监控平台的骨干网络。也就是说，系统 将能通过一定的技术手段完成对全城景观效果的展示与现场运行状况的监控， 真正建立起一个城市级景观照明体系的网络信息平台，既能实现对全城景观照 明具体系统的远程监控和管理，又能进行动态信息交互及对内、对外的信息发 布，整个信息平台的传输数据是双向的，即有控制信息的下传和下位机或者智 能设备采集得到的数据等信息上传之类的功能。与此同时，监控平台也需要具 备计算机和网络控制功能，兼容目前通用的操作系统和网络支持等相关功能。 整个骨干网络建立后，由传输功能较为强大的全光网( a o n ) 作为通信媒 质，根据我们编制的特定的接入协议，通过各种网络接入方式，将临港新城全 城景观照明的各个景区或者各个景点的具体景观照明系统接入骨干网络中，应 用网络技术，实现全城级的景观照明多层控制。 总w e b 服务器是总监控平台的核心，各景区子监控中心与总服务器自动侦 听其它客户端的请求，各区服务器与总服务器能够实现双向通信，既能由上而 下对下位机动态发布信息、下达控制信号指令，又能采集下位机信息、上传采 集的数据。关于这些系统信息最终的具体命令解释和执行工作，将由现场具体 景观照明系统的下位机来实现，即各区子监控中心在接收到上级服务器下传来 的控制命令后，将进一步下传至现场景观照明系统下位机，由下位机对此控制 信息进行翻译和执行。如图2 2 所示为系统中涉及到的数据在整个系统中的工 作传输流程。 在实际系统的通信中，我们关心实时数据的高速、有效、准确、安全的传 输，各服务器能响应不同级别的请求，实现全城景观照明整体的远程控制、监 测、管理和w e b 浏览等。 上海大学硕士学位论文 !现i m m 采l j l l ： 现场照明系统下 位机 ( 有线方式) 、 现场照明系统下 位机 ( 无线方式) 现场智能设备 ( 有线方式) 、 现场智能设蔷 ( 无线方式) 爱 l ，翟 图2 2 系统数据流程 关于具体数据传输、管理与实现方式，各区的实时数据由于过于庞大，我 们只能在各区现场设置数据库服务器进行现场处理，然后存入历史数据库中备 用，作为系统的基础数据。各个景区子监控中心有各自的实时数据库和历史数 据库。各区实时数据库存放从各区具体景观照明系统或者现场智能设备采集来 的电流、电压等电气参数，如经过处理发现现场电器运行正常，则将该实时数 据存入历史数据库中备用。即系统将建立分布式的数据库，供各服务器按各自 权限进行调用访问。 2 3 系统逻辑层次模型 临港新城城市级景观照明信息监控系统逻辑层次模型是对系统的结构、功 能及应用的集中描述。系统可以分为环境支撑层、物理通讯层、数据支撑层、 工具层、应用层和用户层等6 大层次，它们体现了系统中的信息、知识、方法 及应用的集成与组织策略。如图2 3 所示，描述了本系统的整个结构和各个功 能及应用。 1 4 上海大学硕士学位论文 固回 回 用户层 i 远程瞢盖用户界ii 致府面蔷用l再ii 器雯著嚣嚣l 信息埘览，发布及结果处理 应用层 圈囤圈匝囫圈 支持量观照明设备在境和冉境的远程监一、控制与臂理 工具层 j 信息臂理9买墨霁话9i 故障分析ii 积嚣釜理9视顿会议i 教据仓捌藏据库 数据 支撑层 圈圈围圈 物理 l 设鲁接入6l 同络遵讯 通讯层 环境 i 备受腻芦苌冉饭量5r 琴1 1 ：。寻_ |i 辊罱薹嚣照ii 相蠢? 萎蠢瑶5 支撑层 图2 3 系统逻辑层次模型 环境支撑层：包括各类照明灯具设备厂商、现场景观照明系统，多领 域专家、相关政策法规及决策等。各类照明灯具设备厂商资料，提供 相关夜景照明灯具详细的技术参数以及其背景信息；现场景观照明系 统是分布在各景区景点的具体夜景照明系统或者智能设备，是采集现 场实时操作数据的底层基本来源；多领域专家负责在我们的评价系统 中针对远程监控、信息发布、网络技术等方面的问题，提出指导性建 议、意见，使工作人员更好地进行景观照明的规划、控制和维护等； 相关政策、法规、决策是信息发布系统中所需要的。这些环境支撑层 的信息是系统数据、景观照明设备信息、照明领域知识、景观照明策 略的来源，它们的变化将会引起上层的数据支撑层、应用层、用户层 等中的相关数据、信息和知识的改变。 物理通讯层：系统平台的物理支撑，从现场具体各个景观照明系统及 智能设备到中央监控中心，提供一个安全、可靠的数据通道，保证系 统中数据访问的安全性和数据的可靠性、真实性。 上海大学硕上学位论文 数据支撑层：本系统中的数据库系统是一个分布式数据库系统，包括 数据库、知识库、方法库、实例库，它们为工具层提供数据支撑，为 工具层的功能实现提供数据环境。数据库存放所有与景观照明设备监 控运行有关的信息，如实时数据、历史数据等，提供原始基础数据支 持。知识库存储景观照明系统中各类照明系统的控制方案的定义、三 种控制模式( 节日模式、日常模式和节能模式) 定义、大量多领域专 家的经验，知识和采用这些知识的规则等。实例库存放的是用户提供 的各种景观照明方式模式的实例以及在景观照明规划配置过程中产生 的应用照明策略实例。方法库则存放整个数据库系统协调工作的方法 和策略，以及景观照明规划和配置的激励机制，是系统的控制中心。 工具层：应用服务器的主要功能，包括信息管理、实时数据统计、故 障分析、故障处理对策、视频会议等，支持景观照明设备在线和离线 的远程监测、控制与管理等业务逻辑，为景观照明设备远程监控管理 提供工具支持。视频会议作为其它工具应用的辅助手段。 应用层( w e b 服务层) ；提供用户界面，把所开发的应用工具与用户 景观照明设备的监控管理相结合，完成全城级景观照明信息监控平台 的信息浏览、发布与结果处理。应用层包括权限管理、远程规划、数 据维护、故障报警、预案评价、实时信息发布、登陆及注册等。 用户层：用户通过一个友好的w e b 界面与系统交互，系统的w e b 服 务器根据用户信息和请求定制用户想要的网页，实现数据库信息在 w e b 上的动态发布。 2 4 系统网络拓扑结构 城市级景观照明信息监控系统的网络拓扑结构如图2 4 所示。整个系统是 一个多层次的体系，包括远程浏览端、主控制中心、景区层、景点层等控制层 次。 1 6 上海大学硕士学位论文 图2 4 城市级景观照明信息监控系统结构示意图 远程浏览端为远程任意用户提供信息浏览及交互服务；信息监控平台位于 主控制中心，景区层的各景区子控制中心采用t c p i p 网络基础协议，通过全光 网a o n 的连接，与主控制中心的主监控中心系统组成信息监控系统的骨干网 络部分。在各区各景点，现场具体景观照明系统或智能设备有着特定的软硬件 接入方式，它们通过根据系统需求而制定的接入协议，接入到各自所属景区景 点的子控制中心子监控中心系统中。这些具体的景观照明系统既受控于各自的 控制系统，也受控于各区的子控制中心。 在远程浏览端，远程用户根据不同条件，通过m o d e m 拨号连接到i n t e r n e t ， 或是有局域网的通过统一的出口连接到i n t e r n c t ，根据各自的用户权限，进行远 程登陆，可以对中央控制中心的总w e b 服务器进行远程访问及浏览。也就是说， 授权用户通过严格的安全服务认证后，可以登陆到系