包子建

摘要：針對目前城市道路照明系統(tǒng)效率低、照明方式單一、可擴(kuò)展性差的問題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市道路智能照明監(jiān)控系統(tǒng)，將城市道路照明與環(huán)境監(jiān)測相結(jié)合并融入新的城市物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，將嵌入式技術(shù)與無線通信相結(jié)合。利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能化、數(shù)字化的城市道路智能照明，并具有環(huán)境溫濕度、PM2.5等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能照明；環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）10-0213-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

目前，城市道路智能照明系統(tǒng)的首要任務(wù)是根據(jù)節(jié)能減排的要求，改變以往的照明方式。人們不只關(guān)注路燈所發(fā)揮的照明作用，更加注重路燈的使用情況，在路燈有損壞或者線路發(fā)生問題時(shí)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并維修，有效避免意外事故的發(fā)生。本系統(tǒng)主要針對路燈的照明情況進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)的主要功能有：通過遠(yuǎn)程監(jiān)控路燈照明情況，根據(jù)溫濕度傳感器、PM2.5傳感器和光照傳感器來檢測外界環(huán)境的變化，路燈由此自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

照明系統(tǒng)主要采集城市路燈的亮度、電壓、電流等數(shù)據(jù)。而輔助系統(tǒng)則主要對外部的氣象環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，以便實(shí)時(shí)地監(jiān)測到外界的環(huán)境，如溫濕度、PM2.5、光照度等，因此在STM32單片機(jī)上集成了溫濕度、光照等模塊，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于組織網(wǎng)絡(luò)并實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要包括路燈控制器、集中控制箱、環(huán)境采集器、遠(yuǎn)程控制中心等部分：

（1）路燈控制器：安裝在路燈燈柱上，實(shí)現(xiàn)路燈開關(guān)的控制、調(diào)節(jié)路燈亮度以及電壓、電流信息的采集；

（2）集中控制箱：安裝在路燈配電箱內(nèi)，負(fù)責(zé)管理控制多個(gè)路燈控制器，實(shí)現(xiàn)路燈的集中控制以及數(shù)據(jù)的匯總與傳輸；

（3）環(huán)境采集器：根據(jù)合適的間隔距離安裝在多個(gè)路燈燈柱內(nèi)，用于進(jìn)行環(huán)境的溫濕度、光照度以及PM2.5數(shù)據(jù)的采集與傳輸；

（4）遠(yuǎn)程控制中心：集中顯示城市路燈信息和路燈配電網(wǎng)信息，可以實(shí)現(xiàn)城市路燈的大規(guī)模監(jiān)控和點(diǎn)亮。

系統(tǒng)硬件模塊組成如下：

（1）ZigBee通信模塊

本系統(tǒng)的ZigBee無線通信模塊采用CC2530模塊，包括主Zigbee模塊和從Zigbee模塊。主從模塊需要完成同一頻率之間的數(shù)據(jù)通信。Zigbee無線通信的主模塊通過串口與主控模塊連接，實(shí)現(xiàn)Zigbee無線通信的主控模塊與從控模塊的通信。

（2）主控終端

主控模塊采用STM32系列，STM32是意法半導(dǎo)體公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的MCU。CORTEX-M3是一個(gè)32位的內(nèi)核，具有72 MHz的工作頻率和內(nèi)置高速存儲器。它具有豐富的I/O端口和外圍設(shè)備。特別適用于高性能、低成本、低功耗的場合。它適合于該系統(tǒng)的芯片要求。

（3）傳感器模塊

溫濕度傳感器DHT11模塊，DHT11溫濕度傳感器是一種具有校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。其組成主要包括一個(gè)電阻式感濕元器件和一個(gè)NTC測溫元器件，可以檢測周圍環(huán)境的濕度和溫度。

光照傳感器BH1750FVI 模塊，可對廣泛的亮度進(jìn)行1勒克斯的高精度測定，直接數(shù)字輸出，無復(fù)雜的計(jì)算，使用方便快捷。

PM2.5模塊，采用GP2Y1010AU0F粉塵傳感器。其特點(diǎn)是取消了模擬輸出端口，不需要建立外圍電路，節(jié)省了成本，其采用標(biāo)準(zhǔn)串行通信，串行輸出更加穩(wěn)定，只需要三根導(dǎo)線即可操作，提高了測量精度。

GPS模塊，接收衛(wèi)星定位信號運(yùn)算出自身的位置、時(shí)間和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，每秒1次送給單片機(jī)并存儲，將正確的信息反饋給遠(yuǎn)程控制中心，使遠(yuǎn)程控制中心分析數(shù)據(jù)后對節(jié)點(diǎn)的集中控制箱進(jìn)行控制，進(jìn)而控制每個(gè)路燈控制器。

（4）PC終端

PC終端是電腦通過上位機(jī)查看接收到的數(shù)據(jù)，不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)控路燈的工作情況，還能實(shí)時(shí)地了解周邊區(qū)域的環(huán)境情況。監(jiān)控中心恢復(fù)和處理數(shù)據(jù)，并在控制界面上同步顯示它們。同時(shí)，將接收到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。上位機(jī)通過路燈管理系統(tǒng)發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的控制。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)由路燈控制器采集該路燈所在處位置的光強(qiáng)，根據(jù)集中控制箱發(fā)來與季節(jié)、地理等相關(guān)的系數(shù)計(jì)算出合適的亮度調(diào)節(jié)路燈；路燈之間每隔200米配置一個(gè)環(huán)境采集器，并將采集器采集的結(jié)果通過ZigBee發(fā)給集中控制箱，集中控制箱對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到較為準(zhǔn)確的環(huán)境信息，并通過DTU發(fā)往遠(yuǎn)程控制中心，以便總站查看數(shù)據(jù)。同樣，遠(yuǎn)程控制中心也可利用集中控制器反向控制某個(gè)路燈的亮滅及光強(qiáng)。此外每個(gè)路燈控制器都裝有自檢系統(tǒng)，通過采集實(shí)際輸出給電燈的功率值與理論值進(jìn)行比對，判斷路燈是否處于故障狀態(tài)，并將故障狀態(tài)通過集中控制箱發(fā)到遠(yuǎn)程控制中心。

（1）感知層：運(yùn)用溫濕度、PM2.5、光照等傳感器，在STM32單片機(jī)上集成了溫濕度、光照、PM2.5等模塊，對周圍環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集匯聚，輔助系統(tǒng)進(jìn)行氣象環(huán)境監(jiān)測，實(shí)時(shí)監(jiān)測外界的環(huán)境。

（2）傳輸層：在每個(gè)路燈中嵌入ZigBee無線通信模塊，使其自組織成網(wǎng)絡(luò)。然后通過自組織ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)單燈控制器和集中控制器的通信。監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)通過集中控制器向單燈控制器發(fā)送命令。單燈控制器采集路燈的周圍環(huán)境，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)郊惺娇刂破鳌＝?jīng)過分析，集中控制器通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。監(jiān)測中心收集和分析采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)被恢復(fù)和處理，并在主控制界面上同步顯示。同時(shí)，將接收到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。此外，監(jiān)控者可以通過路燈管理系統(tǒng)發(fā)送控制命令來控制遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。

（3）控制層：物聯(lián)網(wǎng)智能終端單元的主控模塊采用配備嵌入式ARM處理器的STM32系列。路燈控制器采集路燈位置的光強(qiáng)，根據(jù)集中控制箱發(fā)來與季節(jié)、地理等相關(guān)的系數(shù)計(jì)算出合適的亮度調(diào)節(jié)路燈；環(huán)境采集器將采集器采集的結(jié)果通過ZIGBEE發(fā)給集中控制箱，集中控制箱對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到較為準(zhǔn)確的環(huán)境信息，并通過DTU發(fā)往遠(yuǎn)程控制中心，以便總站查看數(shù)據(jù)。同時(shí)，遠(yuǎn)程控制中心也可利用集中控制器反向控制某個(gè)路燈的亮滅及光照強(qiáng)度。

（4）軟件開發(fā)環(huán)境：由于組態(tài)軟件在網(wǎng)絡(luò)通信和實(shí)時(shí)性方面的局限性，本系統(tǒng)采用Labview作為軟件開發(fā)工具。Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種圖形化編程語言開發(fā)環(huán)境，作為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，已被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室廣泛接受。Labview也是一個(gè)強(qiáng)大而靈活的軟件開發(fā)包。它集成了滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的所有硬件和數(shù)據(jù)采集卡通信功能。它還具有內(nèi)置的庫功能，易于應(yīng)用軟件標(biāo)準(zhǔn)，如TCP/IP和ActiveX。它可以方便地建立自己需要的虛擬儀器。同時(shí)圖形界面也使得編程和使用過程更加生動(dòng)有趣。

（5）云應(yīng)用：監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)終端通過集中控制器向單燈控制器發(fā)送命令。單燈控制器采集并分析從路燈設(shè)備采集的物理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)郊惺娇刂破鳌＝?jīng)過分析，集中控制器通過DTU（Internet網(wǎng)絡(luò)）傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。監(jiān)控中心負(fù)責(zé)恢復(fù)和處理數(shù)據(jù)，并在控制界面上同步顯示。同時(shí)，還將接收到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。需要時(shí)，監(jiān)控人員還可以通過路燈管理系統(tǒng)發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的控制。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)從當(dāng)今市場需求以及人們生活的實(shí)際需要出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于IOT的城市道路智慧照明系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)城市路燈的全網(wǎng)監(jiān)控，在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)的掌握路燈的運(yùn)行狀態(tài)，每組路燈可獨(dú)立控制，根據(jù)時(shí)間和光照實(shí)現(xiàn)開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)，也可實(shí)現(xiàn)集中聯(lián)網(wǎng)控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，節(jié)約能源，也體現(xiàn)了綠色環(huán)保的理念，擴(kuò)展能力也非常好，具有實(shí)際推廣價(jià)值和廣泛應(yīng)用。

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