智慧城市物联网网关解决方案案例解析

智慧城市物联网网关

(一) 产品概述

网关主要作用是接收和发送LoRa自组网内的所有路灯信号、数据记录、报警处理等。它负责监控自组网内的路灯管理器的运行，将系统中心的命令下达给路灯管理器，将路灯管理器及线路信息反馈管理中心系统。网络管理器处于系统中心和自组网内路灯管理器的中间，向上通过GPRS/CDMA、TCP/IP等方式同系统中心通信，向下则是通过LoRa通讯协议方式，与各个路灯管理器进行通信。

中心网关是实现路灯单灯监控的重要硬件设备，它使用LoRa无线技术和路灯管理器通信，与系统中心的通信可以使用CDMA、以太网，同时采集路灯控制箱内相关的电压、电流等数据，电缆报警信号，室外控制箱门开关等其它需要接入的模拟量和开关信号。

集中管理器内置多种功能，包括：时序调度功能、报警功能、类型转换功能、内部实时时钟，数据采集等功能。

一般情况下，一个集中管理器可以管理200至500个左右的路灯传感器。

性能特点：  
Ø 向上行可通过3G、以太网等方式和管理中心通讯；
Ø 向下行可通过LORA协议连接各种终端
Ø 具有自检功能保证设备安全：具有故障自动诊断、自动恢复功能，通过指示灯的闪烁，能确保系统运行的可靠性；
Ø 数据保护功能：在掉电后数据不会丢失。
基于 LoRa TM扩频调制技术，安装高增益 490MHz 玻璃钢天线，网关与终端有 效通信距离空旷可达 2-3km。特别适合于户外通信场景，如：智慧工厂、智慧农 业、智能建筑、智能仓储等。
Ø 多通道：基于 SX1301 芯片，8 通道，最大支持 10,000 个 LoRa 终端。
Ø 长距离：空旷环境可覆盖半径 5km 的区域。
Ø 全网通：支持 LTE (4G/3G/2G)，网关“免接线”即可连接 server（选配）。
Ø 自适应：支持 ADR，更高的速率，更低的能耗，轻松扩容。
Ø 兼容性：完全兼容 LoRaWAN，与各厂家设备“互联互通”。
Ø 高品质：工业级 ARM 平台，高效稳定；基于 Linux 系统，成熟易用。
Ø 户外型：IP65 防水，POE 供电，GPS 定位对时（选配），防雷（选配）。
Ø 低成本，流量 免费
Ø 标准化，互联互通；

(二) 产品架构
 

(三) 产品功能及参数
 

 

项目	物联网技术参数指标
通信协议	Lora
接收灵敏度	-140dBm
最大发射功率	+20dBm
通信频率	400 MHz -500MHz
通信速率	300Kbps
通信校验	256 bytes CRC
项目	网络部分
千兆以太网	一个10/100/1000M自适应，网络接口
Wifi	支持Wifi通信，支持IEEE 802.11 a/b/g/n/ac 协议
无线通信	支持3G通信
路由	静态路由；RIP v1和V2
VLAN	基于 802.1Q 的 VLAN；WIFI Guest VLAN
IPV4	动态主机配置协议 (DHCP) 服务器
	以太网点对点协议 (PPPoE)
	PPTP 透传 (PPTP Pass-through)
	L2TP 透传 (L2TP Pass-through)
	IGMP 代理以及组播转发
	动态域名系统 (dyndns/tzo/he.net/easydns)
	网络地址转换 (NAT), 端口地址转换 (PAT),Port Forwarding, DMZ
安全	全状态检测(SPI)防火墙
	端口转发与触发
	防火墙访问控制列表和内容过滤
	DoS 防护
	基于 MAC 的无线访问控制
	HTTPS 网络访问的设备管理器
项目	硬件指标
功耗	AC220V   <1W
防护等级	IP67
外壳材质	铝
产品尺寸	224x224x107mm
工作环境	-20-75℃，10%-90%RH（不凝结）
存储温度	-40-80℃，5%-90%RH（不凝结）

(四) 产品特点

作为物联网网关，可以为物联网终端提供接入云平台的通道。物联网采用LORA协议无线组网，覆盖半径可达1.5Km。带有各种路由功能，提供多种上行通道3G、WIFI。完备的网络安全机制，防止网络入侵。断网可自行按照已设定策略控制路灯。
Ø 前端路灯控制接入管理；
Ø 实现前端路灯控制器与平台交互；
Ø 支持LoRa协议传输；
Ø 支持TCP/TP传输协议
Ø 支持多节点传输与管理；
Ø 独特的网络密钥（EU164），保证网络层安全；
Ø 独特的应用密钥（EU164），保证应用层终端到终端之间的安全；
Ø 低功耗；

物联网软件平台

(一) 智慧路灯的体系架构

智慧路灯体系结构在通信基础资源之上分为四层：感知层、通信层、数据层、应用层，同时各层与信息化数据进行对接。智慧路灯基础资源主要是指光缆网、城域网、互联网、移动网等网络基础资源。智慧路灯建设的基础为通信网络，可以为承载智慧路灯的各项应用提供高速、安全、可靠的传输通道。智慧路灯体系架构如下图所示：
 

1感知层
感知层是指利用RFID、传感器、摄像头等传感设备和技术，实现对人与物的全面感知。感知层是首要环节，主要进行信息的的采集处理。感知层是人的感知延伸，它扩大了人的感知范围、增强了人的感知能力，极大的提高了人类对外部世界的了解水平。
感知方式是根据被感知的信息类型，继而采取相对应的感知技术及方法。目前主要的信息类型有：数字信息、原始信息以及其他相关信息，所以主要的智慧城市感知方式可分为四类：
①身份感知：通过条形码、RFID、智能卡、信息终端等对物体的地址、身份及静态特征进行标识。
②位置感知：利用定位系统或无线传感网络技术对物体的绝对位置和相对位置进行感知。
③多媒体感知：通过录音和摄像等设备对物体的表征及运动状态进行感知。
④状态感知：利用各种传感器及传感网对物体的状态进行动态感知。
通过身份、位置、多媒体和状态感知等多种相结合的感知方式，实现信息从汇聚阶段向“人—人”、“人—物”、“物—物”之间协同感知阶段和泛在融合阶段迈进。
 
2通信层
智慧路灯通信层主要完成所有感知控制网络的接入，同时提供安全、可靠、准确、及时的数据传送，实现更全面的互联互通。通过各种形式的高速率高带宽的通信网络工具，将各种电子设备、组织和政府信息系统中收集和储存的分散信息及数据连接起来，进行交互和多方共享。从而更好地对环境和业务状况进行实时监控，从全局的角度分析形势并实时解决问题，使得工作和任务可以通过多方协作来得以远程完成。
由于处于下层的感应层设备种类繁多，数据接口也千差万别，因此网络层在满足多种业务接入需求的同时必须具备丰富的数据接口，处理层所需的海量数据也由网络层完成传送，这就要求网络层必须具备超大容量的网络传送能力。结合以上两方面的需求，可将网络层分为接入层和传送层。各种应用的网络传送主要差别在接入层，传送层对于各种应用基本没有差异。
①传输层解决方案
传统的以SDH/MSTP为主的传送网已不能适应未来业务的需要。传输层呈现出分组化和智能化的趋势。其主要目标是简化网络层次和增加网络的智能特性，实现数据感知、降低网络复杂度和运营成本。
网络IP化的趋势越来越明显，随之而来的是传送层所承载的业务发生了巨大的变化。IP数据业务发展非常迅速，特别是宽带、IPTV、视频业务的发展，对传送网络提出了新的要求：传送网络能适应这种海量增长的带宽需求，并可以进行快速灵活的业务调度，完善便捷的网络维护管理。为了适应这些新的需求，传送网络分组化是必然趋势。
②接入层层解决方案
接入网主要的趋势是宽带化和无缝移动性。在有线接入领域，“光进铜退”成为毋庸置疑的趋势，在无线接入领域，HSPA、WiMAX、LTE和AIE等技术将推动移动接入宽带化的发展，同时，手机的智能化和PC的移动化将大大促进宽带需求。
未来很长的时间内，多种接入技术将和谐共存。从带宽、覆盖范围、移动性和成本等综合考虑，没有任何一种技术能满足智慧城市所有的应用场景，多种技术接入之间的无缝移动将成为关键。
 
3数据层
通信层之上是智慧路灯数据层。该层将感知层获取的原始数据（包括温度、湿度、视频等）按照各领域模型，整合到相应的领域数据库中，同时采用数据仓库技术，按照时间维度、空间维度等进行信息仓库的建立。运用具有高吞吐率和高传输率的数据存储技术、大数据分析技术和云数据库进行数据存储、处理和分析，从而能够满足上层应用业务需求。
云计算是网格计算、分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。它旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统，并借助SaaS、PaaS、IaaS等先进的商业模式把这一强大的计算能力分布到终端用户手中。云计算技术为智慧路灯的业务和应用提供虚拟的、强大的计算、存储能力。
 
4应用层
应用层直接面向最终用户，提供多样化的应用和服务。智慧城市三大核心领域应用系统——智慧城市管理、智慧产业、智慧民生，位于架构的应用层，通过与知识层的城市综合数据共享平台进行数据交互，实现各自的业务功能。
在整个信息通信系统架构中，应用信息系统属于最上层的应用层。在应用层，需要建设统一支撑平台，实现各类信息资源之间的关联、整合、协同、互动和按需服务。所有的智慧服务和应用都部署在统一支撑平台之上。
统一支撑平台需要提供分层、开放的体系架构，提供模块化设计，方便各种智慧应用的部署；屏蔽底层各种网络的差异；利用云计算技术，为智慧服务提供处理能力集和存储能力集；抽象出标准的服务能力，为智慧服务提供标准接口集，开放API供服务调用；提供统一的业务展现门户和统一的管理平台。
 
(二) 平台功能介绍
国信智城“明”智慧照明系统具有友好的人机界面和完善的图形数据处理功能，方式灵活、简单。地理信息（GIS）图形处理系统使操作人员可以在屏幕上实现图形的缩放、平移、导航及各种监视、操作、修改和定义功能。 整个系统具备的功能特点如下：

（1）远程控制
系统可以根据不同类型的监控终端控制要求，采用时控和光控相结合的控制方案，自动、手动、遥控开/关终端，或按需开关。

（2）自动巡测
监控终端能按设定的时间周期自动进行定时巡测。也可随时手动巡测和选测各监控终端的运行情况。包括电压、电流、开关状态、故障信息等。

（3）报警处理
当监控终端主动报警或调度端在巡测时发现有数据异常时，自动发出语音报警、自动存盘并在地图上显示相应的位置和故障类型。可通过设定的手机号码，向有关人员短信报警。

（4）自动计算数据
根据现场运行电压、电流等参数能自动计算相应数据，耗电量、亮灯率等。

（5）独立运行
当指挥中心管理系统或通信线路发生故障时，终端会根据预先设定的程序自动运行，确保路灯的正常运行。

（6）终端断电运行
监控终端内装有不间断电源，具有断电运行功能，能在供电线路断电、缺相时及时报警，使有关部门在第一时间获知并抢修。

（7）远程实时查询（多终端支持）
通过因特网，实现手机或便携式笔记本远程实时查询，查询内容包括各终端的最新以及历史数据和故障情况，实现异地远程接入访问。

（8）查询打印
可以对各监控终端任意定时数据和年、月、日统计数据进行查询，显示的表格、曲线图、直方图均可打印；可以对历史故障进行查询和打印。

（9）性能参数

序号	名称	性能参数
1	单灯控制器	1.采用物联网协议，通过LoRa无线自组网进行通信连接，实时在线收发信息，实现路灯单灯控制； 2.高性能嵌入式微处理器技术，先进的电能测量计量专用芯片；自诊断和自恢复功能，断电数据保持功能； 3.远程或就地自动调光实现路灯的亮灯、暗灯的节能控制；对单盏路灯可以实时获知运行状态，包括开关，故障与否，对单盏路灯可以实时获知运行参数，包括电流，功率等参数； 4.远程控制单盏路灯的开、关，亮度调节； 5.根据路灯运行状态和运行参数，路灯故障时可以自动报警，实现智慧运维；可实现移动设备和监控室同时查看管理； 防护等级：IP67；外壳材质：防火ABS；工作环境：-20-75 ℃， 10%-90RH（不凝结）；存储温度：-40 -80℃， 5% -90%RH（不凝结）
2	物联网网关	1.采用LoRa无线技术和路灯管理器通信，与系统中心的通信可以使用CDMA、以太网；集中管理器内置时序调度功能、报警功能、类型转换功能、内部实时时钟，数据采集等功能。 2.理论传输半径1.5KM，可以管理200至500个左右的路灯传感器； 3.向上行可通过3G、以太网等方式和管理中心通讯； 4.向下行可通过LORA协议连接各种终端； 5.具有自检功能保证设备安全；能确保系统运行的可靠性；数据保护功能：在掉电后数据不会丢失；防护等级：IP67；外壳材质：铝；工作环境：-20-75 ℃， 10%-90RH（不凝结）；存储温度：-40 -80℃， 5% -90%RH（不凝结）
3	调光光源	180W驱动电源，PF>9.5;支持PWM调光
4	路灯标签	采用工程级膜，黑色透光油墨，PET高强环保材料，进口水泥胶组成一体
5	城市智慧照明 大数据平台	基于云计算技术，所有数据直接上云。且可提供基于GIS地图的管理界面；路灯自动巡检模块：监控中心能对安装了路灯监控器的路灯进行自动巡检，查报故障并自动生成报修单；路灯控制模块：能实时对安装了路灯监控器的路灯进行开、关、调节亮度等功能，或预设控制方案，使路灯按照预设方案进行亮灯；Web信息发布模块：与网站实现无缝对接，进行远程管理的功能；
6	智慧灯杆	一体化灯杆，石墨烯大功率LED模组，包括智慧照明、PM2.5、噪声、温湿度、和扬尘，车位，天气监测、视频监控、交流充电桩、LED信息发布、WiFi覆盖、一键报警等功能。
7	智慧灯杆 管理平台	对智慧灯杆进行监控管理，实现视频信号接入管理、环境监测采集展示，车位检测、信息发布管理、Wi-Fi覆盖管理、智能充电管理等功能

(三) 平台特点
通过“一个平台”，“两张网络”，多个无限扩张的智慧城市物联网管理平台系统对于子系统覆盖，打造具有良好扩展性、包容性的智慧城市新城市。通过先进的传感和通信技术，把所有智慧城市的载体，包括路灯、摄像监控系统、报警系统、城市发布系统等连成一张无形的“万物相联之网”。

名称	作用说明
远程开/关灯	根据需要，对一整条街道、一段线路或特定灯杆进行远程控制
远程调光	根据各路段的车辆和人流状况，分时分区域对照明路灯进行远程功率调节
策略设置	根据不同区域和日期（时间）对照明要求，设置区域分组分时分段运行策略
智能运行	除了按照经纬度生成时间表运行外，还可按照配置策略、节能目标、自然采光、季节更替、天气变化等自动调整
自动/人工功率调整	根据不同时段、路段和线路电压等情况，自动或者人工调整照明功率
数据采集	自动采集各节点运行状态（开或关）、数据（电压/电流/功率）
远程抄表	远程抄读电能数据（电量/电参数/运行状态/事件记录等）
报表与智能分析	各设备状况（路灯或整流器的型号/寿命等）进行统计、查询、分析、预测
异常告警	非正常开关灯、非正常打开等主动警示，并短信通知
故障告警	灯泡、通信、电源等故障自动报警，并通知维修
防盗报警	安装防盗报警终端。路灯系统遭到破坏时自动报警，并短信通知

 

编辑：黄飞