都妍美

摘 要：將Arduino Nano作為主控芯片的智能路燈控制系統(tǒng)包括道路照明系統(tǒng)管理平臺(tái)、路燈集中控制器和路燈單/雙燈控制器三部分，能對(duì)整個(gè)城市的道路照明設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制和統(tǒng)一管理，并實(shí)現(xiàn)車來燈亮車走燈滅功能，同時(shí)也能進(jìn)行設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷維護(hù)和自動(dòng)故障報(bào)警。此外，系統(tǒng)還配套有安卓客戶端以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，以便維修人員及時(shí)知曉故障路燈的相關(guān)信息。

關(guān)鍵詞：智能路燈；ZigBee；Arduino；集中控制；故障報(bào)警

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)不斷推動(dòng)著智慧城市的創(chuàng)新發(fā)展，智能路燈系統(tǒng)作為智慧城市必不可少的設(shè)備，其技術(shù)也在不斷成熟。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)劃的不斷推進(jìn)，城市面積不斷增大，城市照明路燈數(shù)量龐大且增長(zhǎng)迅速，使城市照明管理難度不斷增加。因此開發(fā)一款具有監(jiān)控、省電、提示和信息集成功能的智能路燈系統(tǒng)對(duì)于提高管理效率、節(jié)電節(jié)能、綠色照明具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)城市的智能路燈系統(tǒng)普及度并不高，大部分城市路燈在傍晚開啟后整夜全亮。部分智能路燈系統(tǒng)在高峰期之后采用每隔一盞路燈亮一個(gè)的方式來節(jié)省電能。但是這種方法還不能實(shí)現(xiàn)路燈的最佳利用，并具有一定的局限性，無法及時(shí)、高效地實(shí)現(xiàn)路燈系統(tǒng)的管理與維護(hù)。真正的智能路燈系統(tǒng)應(yīng)能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)獲取路燈周圍人或車輛的信息并做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)車來燈亮車走燈滅，減少電能消耗；實(shí)時(shí)分析路燈的損壞情況，通過手機(jī)APP通知維修人員，盡早排除路燈故障，提高維護(hù)效率，確保城市夜間道路正常照明；同時(shí)集成多種傳感器來收集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，可與城市管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合，確保路上行人和車輛的安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能路燈系統(tǒng)存在耗電量大、使用范圍廣泛、數(shù)量龐大、單個(gè)控制復(fù)雜、維護(hù)不易等問題，為了解決城市道路路燈系統(tǒng)的相關(guān)問題，系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)原則如下：

（1）節(jié)能性。路燈控制模式分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。在自動(dòng)模式下，當(dāng)夜幕來臨或者光照強(qiáng)度很低的情況下，路燈自動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行模式，天明時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，有人或車輛通過時(shí)開啟路燈，無人車通過時(shí)關(guān)閉路燈，實(shí)現(xiàn)節(jié)能最大化。

（2）及時(shí)性。當(dāng)路燈出現(xiàn)故障，系統(tǒng)能在第一時(shí)間檢測(cè)出故障路燈的個(gè)數(shù)與位置，同時(shí)推送給對(duì)應(yīng)的維修人員，向其提供問題路燈的位置信息等，極大地提高了檢修工作效率。

（3）先進(jìn)性。充分利用現(xiàn)代化信息技術(shù)，結(jié)合實(shí)際城市道路情況進(jìn)行系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及硬件設(shè)備選型，確保建設(shè)方案的合理性。采用模塊化方式進(jìn)行軟硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，保證了良好的擴(kuò)展能力，方便系統(tǒng)升級(jí)和更新，也提供了數(shù)據(jù)接口方便與其他系統(tǒng)相連。同時(shí)保證無線通信設(shè)備的先進(jìn)性，使得整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)體系實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。

（4）實(shí)用性。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下城市路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則還應(yīng)包括符合一般傳統(tǒng)行業(yè)產(chǎn)品的基本設(shè)計(jì)原則和規(guī)范，即美學(xué)特征、可持續(xù)性、環(huán)保性等。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有利于在城市道路管理領(lǐng)域推廣，是一種解決現(xiàn)有實(shí)際問題的設(shè)計(jì)方案。

基于以上原則，設(shè)計(jì)的智能路燈系統(tǒng)整體架構(gòu)包括感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層三部分。

感知控制層通過傳感層的智能傳感節(jié)點(diǎn)，分別利用空氣質(zhì)量傳感器對(duì)室外環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)；利用外置光敏傳感器采集的光照強(qiáng)度控制路燈開關(guān)；利用內(nèi)置光敏傳感器采集的光照強(qiáng)度來判斷路燈是否開啟。用紅外對(duì)射模塊檢測(cè)是否有人車通過，當(dāng)檢測(cè)到有人車通過時(shí)，打開前方的路燈，等人車通過后，路燈緩緩關(guān)閉。紅外對(duì)射模塊反應(yīng)靈敏，檢測(cè)可靠度高，安裝在道路兩側(cè)，并通過調(diào)節(jié)安裝的高度來盡量減少小動(dòng)物等因素引發(fā)的誤操作。路燈采用穿透性強(qiáng)的黃色LED燈，利用電壓對(duì)燈的亮度、強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。配置空氣質(zhì)量傳感器和光照強(qiáng)度傳感器以實(shí)時(shí)檢測(cè)空氣質(zhì)量信息及光線強(qiáng)度。此外還間隔附加了報(bào)警燈和警報(bào)器，當(dāng)監(jiān)控到車禍或者其他緊急情況時(shí)可以打開，提醒路人注意當(dāng)前緊急情況。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用頻段在2.4 GHz的無線ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)短距離通信，保證現(xiàn)場(chǎng)為無線覆蓋。ZigBee網(wǎng)絡(luò)一般傳輸距離在70～150 m之間，城市道路路燈的間距一般為30～50 m，完全可滿足大眾需求。且其還具有低功耗等優(yōu)勢(shì)，在無人通過的深夜能夠節(jié)約用電，同時(shí)還具有低成本、短時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)。本地監(jiān)測(cè)終端到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端可以實(shí)現(xiàn)信息推送，數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多終端跨平臺(tái)應(yīng)用實(shí)施，只需一個(gè)瀏覽器即可實(shí)時(shí)查詢與監(jiān)測(cè)任何一終端。

應(yīng)用服務(wù)層主要包括監(jiān)測(cè)控制客戶端、本地服務(wù)器端和故障維修人員APP。

本地監(jiān)測(cè)終端通過Web頁面監(jiān)測(cè)控制客戶端，與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，包括問題路段展示、天氣狀況、維修數(shù)據(jù)等信息，以網(wǎng)頁形式為主，含有設(shè)備狀態(tài)信息檢測(cè)、各區(qū)域的維護(hù)負(fù)責(zé)人查詢、空氣質(zhì)量檢測(cè)、故障信息推送等功能。監(jiān)控平臺(tái)通過數(shù)據(jù)處理決定控制決策，如將故障路燈信息發(fā)送給對(duì)應(yīng)的維修人員等。

本地服務(wù)器端主要用以保存設(shè)備數(shù)據(jù)，保障與設(shè)備的通信連接，在穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議連接服務(wù)器與客戶端，由控制器的特定協(xié)議連接服務(wù)器與控制器；控制器端的數(shù)據(jù)通過特定協(xié)議實(shí)時(shí)上傳給服務(wù)器，服務(wù)器解析處理后呈現(xiàn)在客戶端界面。

APP主要為維修人員使用，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)推送故障信息到對(duì)應(yīng)負(fù)責(zé)人員的APP中，維修人員也可用其對(duì)故障路燈進(jìn)行拍照并上傳，保存維修記錄等。智能路燈控制系統(tǒng)管理平臺(tái)主要包括路燈開關(guān)、單獨(dú)控制、故障路燈檢測(cè)、及時(shí)通知維修、檢測(cè)實(shí)況空氣質(zhì)量等功能。該管理平臺(tái)采用超強(qiáng)直觀的可視化界面，不僅可準(zhǔn)確控制每盞路燈，還可以檢測(cè)每盞路燈的狀態(tài)并迅速準(zhǔn)確地判斷出哪盞路燈出現(xiàn)了故障。監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，制定控制決策，并向APP推送故障路燈消息，同時(shí)路燈系統(tǒng)還可以通過智能傳感終端實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，也可利用無線自組網(wǎng)技術(shù)和WiFi通信技術(shù)等將無線傳感終端匯聚的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至本地服務(wù)器端；服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新，用戶可在本地查詢路燈是否損壞等。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以路燈為控制對(duì)象，完成軟件和硬件的設(shè)計(jì)開發(fā)。系統(tǒng)可設(shè)置為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，根據(jù)檢測(cè)到的光照強(qiáng)度和是否有人車通過來智能控制路燈的緩慢開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約最大化，手動(dòng)模式可以單獨(dú)控制每盞路燈的亮滅。硬件電路部分包括通信電路、人車檢測(cè)電路、路燈狀態(tài)電路、路燈控制電路、光照強(qiáng)度檢測(cè)、空氣質(zhì)量檢測(cè)、報(bào)警提醒電路等。

硬件電路方面，主控芯片采用體積較小的Arduino Nano，每個(gè)路燈之間采用ZigBee短距離無線通信方式，無需大規(guī)模布線，降低了安裝成本。主控芯片利用PWM調(diào)光以控制燈的緩慢開啟和關(guān)閉。為了提高城市的安防質(zhì)量，路燈之間間隔安裝了報(bào)警燈和警報(bào)器，不僅可以遠(yuǎn)程控制，而且在燈桿上有開關(guān)，可人為開啟。每隔一定數(shù)量的路燈上安裝了空氣質(zhì)量傳感器等，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)某一地區(qū)的空氣質(zhì)量，并將質(zhì)量信息提供給氣象部門。光照強(qiáng)度傳感器能及時(shí)檢測(cè)光照強(qiáng)度，紅外對(duì)射可準(zhǔn)確檢測(cè)是否有車，因此能更加智能地控制路燈運(yùn)行。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

2.1 通信電路部分

每個(gè)路燈間均采用ZigBee無線通信，間隔距離大約為10～35 m，完全可滿足通信需求。每個(gè)路口都設(shè)置有一個(gè)協(xié)調(diào)器，這條道路上的所有信號(hào)會(huì)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器匯入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器不僅要接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，而且當(dāng)人車檢測(cè)模塊檢測(cè)到有人車通過時(shí)，會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)給前方路燈至下一個(gè)路口的協(xié)調(diào)器。ZigBee無線通信模塊通過串口與主控芯片相連，互不干擾。通信電路原理圖如圖3所示。

2.2 人車檢測(cè)電路部分

人車檢測(cè)采用工業(yè)級(jí)紅外對(duì)射型光電開關(guān)，開關(guān)靈敏度高，準(zhǔn)確且反應(yīng)迅速。當(dāng)芯片引腳檢測(cè)到有障礙物信號(hào)時(shí)，會(huì)依次發(fā)送數(shù)據(jù)給下一個(gè)路燈使其開啟，裝置放在每一個(gè)路口處，連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，當(dāng)檢測(cè)到有人車信號(hào)時(shí)發(fā)送給往后的路燈模塊至下一個(gè)路口。人車檢測(cè)電路示意圖如圖4所示。

2.3 路燈狀態(tài)檢測(cè)部分

我們?cè)诼窡羯霞友b了光檢測(cè)模塊以監(jiān)測(cè)每盞燈的狀態(tài)，該模塊成本低廉，適合大規(guī)模使用，對(duì)比檢測(cè)到的狀態(tài)和控制燈的指令可以判斷路燈是否出現(xiàn)故障。路燈狀態(tài)檢測(cè)電路原理圖如圖5所示。

2.4 路燈控制電路部分

控制路燈緩慢亮滅，利用Arduino Nano輸出PWM信號(hào)接到兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管上，接入12 V電壓，通過調(diào)節(jié)電壓來控制燈的緩慢開啟和關(guān)閉。路燈控制電路原理圖如圖6所示。

2.5 光照強(qiáng)度檢測(cè)部分

每個(gè)區(qū)域的路燈上都裝有光照強(qiáng)度傳感器，可實(shí)時(shí)檢測(cè)本區(qū)域的光照強(qiáng)度，并通過主控芯片發(fā)送給ZigBee后經(jīng)協(xié)調(diào)器上傳到服務(wù)器。上位機(jī)可實(shí)時(shí)查看光照強(qiáng)度，以確定是否開啟路燈。

2.6 空氣質(zhì)量檢測(cè)部分

每個(gè)區(qū)域都裝有空氣質(zhì)量傳感器，檢測(cè)到的信號(hào)同樣通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)、協(xié)調(diào)器發(fā)送給服務(wù)器，可借助上位機(jī)實(shí)時(shí)查看。

2.7 報(bào)警提醒電路部分

道路上的路燈間隔安裝有小型報(bào)警燈和警報(bào)器。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，報(bào)警燈和警報(bào)器可以通過燈桿上的開關(guān)手動(dòng)打開，也能通過監(jiān)控查看緊急情況，然后遠(yuǎn)程控制打開，起到警示行人的作用。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)從人性化角度出發(fā)，基于B/S架構(gòu)分布式管理系統(tǒng)，分為客戶端應(yīng)用、服務(wù)器數(shù)據(jù)處理與通信保障、控制器協(xié)議處理三部分，各部分可在不同的機(jī)器上運(yùn)行，由不同的操作系統(tǒng)支持，被不同的通信網(wǎng)絡(luò)連接，大大提高了監(jiān)控軟件系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、易維護(hù)性及可靠性。軟件流程如圖7所示。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)

通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，且能對(duì)開關(guān)燈等控制指令準(zhǔn)確反應(yīng)，符合設(shè)計(jì)要求，適合大范圍普及、推廣。路燈測(cè)試數(shù)據(jù)見表1所列。

5 結(jié) 語

智能路燈控制系統(tǒng)主要由道路照明系統(tǒng)管理平臺(tái)、路燈集中控制器和路燈單/雙燈控制器組成。該系統(tǒng)能對(duì)整個(gè)城市的道路照明設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制和統(tǒng)一管理，完成了智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化改造，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷維護(hù)和自動(dòng)故障報(bào)警，有效提高管理人員的管控、維護(hù)、檢修能力和效率。系統(tǒng)配套有安卓客戶端以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，在安卓系統(tǒng)設(shè)備中安裝APP可實(shí)時(shí)接收故障信息，以便維修人員及時(shí)、準(zhǔn)確地獲悉故障路燈。在城市照明中應(yīng)用此系統(tǒng)不僅降低了電能消耗，減少了維護(hù)人員的勞動(dòng)量，更提高了城市道路照明的服務(wù)質(zhì)量，使得整個(gè)城市的管理和服務(wù)水平更上一層樓。

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