王軒力，秦煜軒

(1.山西工程技術(shù)學(xué)院信息工程與大數(shù)據(jù)系，山西 陽泉 045000；2.山西工程技術(shù)學(xué)院機(jī)械電子工程系，山西 陽泉 045000)

0 引言

本世紀(jì)是科技大爆炸的時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算等新技術(shù)新名詞層出不窮，我國作為地球大家庭中不可缺少的一員，也在新科技新技術(shù)方面有了自己的一席之地。經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步，國家更多注意點(diǎn)放在了全體人民的生活幸福感受，所以我國提出了建設(shè)“智慧城市”的口號(hào)?？萍际菫榱俗屓嗣裆罡奖愀娣?wù)的，我們可以通過各種先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市的基礎(chǔ)設(shè)施更加人性化、智慧化、智能化，使城市像機(jī)器人一樣會(huì)思考怎么更加有效、更加快捷、更加便利地服務(wù)于生活與此的人們，當(dāng)然智能照明系統(tǒng)也是智慧城市不可或缺的一部分。

當(dāng)今，我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、人民生活水平的日益提高,所以用電量是與日俱增，這樣造成了能源和資源變得日益緊張,電力的短缺已成為制約國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最主要矛盾之一。

因此本文設(shè)計(jì)了一款基于5G傳輸?shù)闹悄苈窡魜斫档吐窡粲秒?，減少能耗，提高用電效率，有效緩解城市公共用電問題。同時(shí)因?yàn)槭腔?G的，所以也提前為以后的無人駕駛提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｕ?，一個(gè)設(shè)備多個(gè)功能的效用。

1 研究方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套智能路燈照明系統(tǒng)，采用5G技術(shù)作為信號(hào)傳輸技術(shù)，通過軟件實(shí)現(xiàn)定時(shí)開關(guān)燈，或者根據(jù)光線的強(qiáng)弱調(diào)整燈的亮度。本系統(tǒng)還可以將發(fā)生故障設(shè)備的這個(gè)信號(hào)發(fā)送給控制中心，讓控制中心及時(shí)派人去處理，并且安裝空氣監(jiān)測裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測并反饋環(huán)境情況。具體可以從以下幾個(gè)方面去設(shè)計(jì)：

1) 每個(gè)路燈安裝光線亮度傳感器，可以把時(shí)刻采集到的亮度值傳回控制部分，控制部分設(shè)置幾個(gè)范圍，根據(jù)范圍的不同設(shè)置給路燈發(fā)相應(yīng)的亮度信號(hào)(實(shí)際也就是控制電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn))。

2) 可以把開關(guān)機(jī)時(shí)間設(shè)計(jì)成程序，用單片機(jī)里面的定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。

3) 我們安裝一個(gè)檢測電壓變化的傳感器，當(dāng)路燈發(fā)生故障了，傳感器會(huì)把異常傳給控制端，控制端會(huì)及時(shí)通知檢修人員去解決。

4) 隨著國家對環(huán)境越來越重視，對環(huán)境的監(jiān)測也成為環(huán)境保護(hù)的重要一環(huán)，我們安裝檢測空氣的傳感器，時(shí)刻傳輸空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)。我們還可以在路燈上印上相應(yīng)的二維碼，方便人們通過手機(jī)掃描獲取本地的環(huán)境情況。

5) 隨著無人駕駛的提出,最關(guān)鍵制約因素就是傳輸?shù)乃俾屎蛶挘?G技術(shù)的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題，使無人駕駛的市場化成為了可能。理論上5G的覆蓋范圍是250m，實(shí)際當(dāng)中應(yīng)該比這個(gè)小，所以只有路燈之間的距離正好達(dá)到。路燈的重復(fù)利用既實(shí)現(xiàn)了照明功能，同時(shí)把好多功能集于一身，美化了環(huán)境，避免了以前的線路滿天飛的亂景象。

6) 每個(gè)路燈除了這些功能以外，還可以作為5G的發(fā)射基站，還可以提供220V交流電和USB應(yīng)急充電口。電子智能設(shè)備成為當(dāng)下人民生活必不可少的東西，電池技術(shù)難以突破的今天只有通過改進(jìn)充電技術(shù)以及隨行充電來解決，路燈作為智能城市隨處可見的東西，可以極大程度上緩解人們智能設(shè)備充電需求，以實(shí)現(xiàn)智能城市以人為本的核心思想。

2 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)智慧城市的功能要求，以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識(shí)，我們可以把整個(gè)系統(tǒng)層次化為圖1所示，把相關(guān)應(yīng)用放在應(yīng)用層，傳輸所經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)(按不同功能的網(wǎng)絡(luò))放到網(wǎng)絡(luò)層，多功能照明燈作為實(shí)際設(shè)備放在終端層。

圖1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

圖2 多功能照明路燈

如圖2所示，這是單個(gè)多功能照明路燈的示意圖，每個(gè)燈上都安裝以下幾個(gè)部分：

1) LED燈，通過照明模塊控制LED燈的開關(guān)、亮度、照明的模式。

2) 5G基站，一個(gè)是為5G信號(hào)全覆蓋提供基站保障，另外一個(gè)是為本路燈和外界傳送接收信息的中轉(zhuǎn)站。

3) 液晶屏，信息顯示功能。

4) 傳感器，提供溫度檢測、濕度監(jiān)測、噪聲檢測、空氣質(zhì)量檢測功能。

5) 高清攝像頭，作為平安城市的主要監(jiān)控設(shè)備，主要是對重點(diǎn)人群的監(jiān)控，以及對周圍車輛的監(jiān)控。

3 具體實(shí)現(xiàn)

智能照明燈的主要控制是通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的(如圖3所示)，主要有8部分組成：單片機(jī)、空氣檢測模塊、高清攝像頭、溫度/濕度模塊、聲音模塊、5G模塊、光線感應(yīng)模塊、液晶顯示模塊。

圖3 單片機(jī)控制模塊圖

3.1 單片機(jī)的選擇

由于我們需要單片機(jī)處理速度快、低功耗、A/D轉(zhuǎn)換、通用口多等這些特點(diǎn)，經(jīng)過比較我們選用的是STC12C5A60S2單片機(jī)。

3.2 其余各個(gè)部分選擇

◆空氣監(jiān)測模塊：主要是監(jiān)測空氣中的PM2.5和PM10顆粒，選用的模塊是英國alphasense OPC-R1，這個(gè)模塊連接簡單，使用方便，尺寸小，功耗低，適合在各種惡劣環(huán)境工作。

◆溫度濕度模塊：選用的模塊是ROTRONIC HC2A-S/ HC2A-S3，這種模塊可以計(jì)算露點(diǎn)和霜點(diǎn)。具體特點(diǎn)如下：

精度:±0.8 %rh,±0.1 K,a在23℃±5 K時(shí)

測量范圍:-50～100℃/0～100%RH

數(shù)字接口(UART)和模擬信號(hào)輸出,0～1 V

標(biāo)準(zhǔn)輸出量程:0～1 V=-40～60℃/0～100 %RH

在23℃和10,35,80 %RH校準(zhǔn)

◆噪聲檢測模塊：我們選用華西科創(chuàng)科技有限公司的CRY2110噪聲傳感器，特點(diǎn)如下：

高精高清：噪聲傳感器精度±0.5Db,靈敏度不隨時(shí)間變化。

兩種輸出：提供4～20 mA及RS485(或電壓)輸出聲壓級，傳輸距離超過1 km.

便于集成：方便連接PC、PLC、DCS等控制器，輕松獲得噪聲數(shù)據(jù)。

體積小巧：直徑25 mm,高115 mm,極小空間就可安裝。

超寬電源帶：電源支持5～36V輸入。

堅(jiān)固耐用：不銹鋼外殼，防腐，防潮，防銹，適用各種復(fù)雜環(huán)境。

◆光線感應(yīng)模塊：我們是用光線感應(yīng)模塊采集自然光的強(qiáng)度，傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定好的程序給LED發(fā)出指令,開燈或關(guān)燈，還可以選擇開幾組LED燈，達(dá)到節(jié)約能源的效果。所以要感應(yīng)(測量)光的強(qiáng)度，我們選用光導(dǎo)管，當(dāng)光導(dǎo)管沒有被光線照射時(shí)，它的阻值很大，基本上電路中沒電流，當(dāng)光照強(qiáng)度和時(shí)間不斷增大，它的阻值不斷減小，電路中電流增大，我們可以通過檢測電路中的電流值的大小，通過單片機(jī)給LED燈發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制LED的目的。具體光導(dǎo)管很多，可以自己選擇一種。

◆5G模塊：我們給每個(gè)路燈安裝一個(gè)5G微基站，微基站的覆蓋范圍是50 m，正好符合路燈的間距，基站的型號(hào)由具體的通信開發(fā)商提供。5G網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)速度快，單位時(shí)間能傳送大量數(shù)據(jù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)一臺(tái)無人駕駛汽車一天可產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量高達(dá)4000G左右，面對如此龐大的數(shù)據(jù)量目前恐怕只有5G才能輕松勝任。5G運(yùn)用的技術(shù)是一種頻率很高的無線電波，由于這種波長僅為毫米級，所以大家也叫它毫米波。

◆液晶模塊和高清攝像頭不限制品牌，達(dá)到實(shí)用效果就行。

3.3 工作流程

工作時(shí)，光線感應(yīng)模塊時(shí)刻采集光的強(qiáng)度，傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)事先編好的程序控制LED燈，比如陰天了，光照弱的時(shí)候，單片機(jī)會(huì)打開LED燈，而且會(huì)根據(jù)具體的光照強(qiáng)度，選擇打開幾組LED燈。光照強(qiáng)的時(shí)候會(huì)關(guān)閉燈，同時(shí)還要結(jié)合時(shí)間來控制，比如早上關(guān)燈，傍晚開燈。噪聲檢測部分時(shí)刻檢測當(dāng)?shù)氐脑肼晱?qiáng)度，及時(shí)傳給單片機(jī)，當(dāng)強(qiáng)度大于設(shè)定好的值時(shí)，會(huì)生成報(bào)警信息，通過5G傳回給控制中心，控制中心可以從遠(yuǎn)端發(fā)信號(hào)控制高清攝像頭，觀察噪音產(chǎn)生的來源是哪里，然后派相關(guān)人員到場處理。同樣，空氣檢測模塊也是時(shí)刻檢測當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量，及時(shí)傳給單片機(jī)，當(dāng)相關(guān)參數(shù)大于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)會(huì)通過5G信號(hào)給控制中心發(fā)報(bào)警信息，監(jiān)控中心可以先通過高清攝像頭觀察一下污染源，然后派相關(guān)人員到場處理或者采取相關(guān)應(yīng)急機(jī)制。溫度/濕度監(jiān)測模塊把采集到的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，然后通過液晶屏顯示出來，單片機(jī)還會(huì)把一天的溫度/濕度都存在存儲(chǔ)器里面，每天給氣象部門傳一次，便于氣象部門的匯總和研究。液晶顯示模塊除了能顯示溫度/濕度，新聞、廣告、娛樂、信息等都能顯示。5G模塊是本系統(tǒng)的信息傳送的主要模塊，負(fù)責(zé)智能路燈和外界信息的傳送功能，同時(shí)也是無人駕駛汽車賴以生存的信號(hào)傳送的主要技術(shù)。

5G網(wǎng)絡(luò)的三大特點(diǎn)就是傳輸速度快、延遲低、D2D設(shè)備傳輸技術(shù)。其傳輸速度是4G的100倍，延遲時(shí)間更是比4G快了50倍，僅為1 ms。如果車輛按照120 km/h行駛的話，1sm車輛的行駛距離最多為3.33 cm，所以5G網(wǎng)絡(luò)下的無人駕駛汽車可以做到精確操控。

D2D是設(shè)備與設(shè)備傳輸：例如前車急剎車，后車也可以同時(shí)剎車，不用將信號(hào)傳送回基站，可以通過D2D瞬間完成。據(jù)統(tǒng)計(jì)世界交通事故中每年有130萬人死亡，其中95%的事故是人為原因造成的，所以信息的及時(shí)性對無人駕駛車輛非常重要，而且無人駕駛車輛還通過5G網(wǎng)絡(luò)連接導(dǎo)航系統(tǒng)等，可以精確計(jì)算線路以及駕駛時(shí)長，并且可以預(yù)測道路擁堵，為出行提供更多便利。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)致力于使該產(chǎn)品達(dá)到并超過社會(huì)對此的期望，為小區(qū)、公園、道路提供方便快捷、質(zhì)量可靠、節(jié)約資源的路燈。通過智能化的產(chǎn)品和先進(jìn)的技術(shù)力爭行業(yè)中的市場領(lǐng)導(dǎo)地位。具備優(yōu)異產(chǎn)品開發(fā)能力，并且掌握了市場發(fā)展趨勢和需求，同時(shí)賦予產(chǎn)品便捷環(huán)保理念，在綠色、低碳、環(huán)保的召喚下，以節(jié)能綠色環(huán)保為主題的低碳經(jīng)濟(jì)毋庸置疑的成為未來的主旋律，在此時(shí)代發(fā)展需求下，更將推出綠色、環(huán)保、高效節(jié)能的照明路燈。