劉起明 趙 亮 楊軍文 瞿少成

（華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 武漢 430079）

1 引言

隨著信息技術(shù)飛速發(fā)展，智能化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施逐漸被運(yùn)用到人們的日常生活中［1～2］。

既有基于物聯(lián)網(wǎng)的智能水表、物流信息平臺(tái)，關(guān)系到人們的日常體驗(yàn)［3～4］；也有基于物聯(lián)網(wǎng)的智能鞋柜，停車場(chǎng)定位系統(tǒng)，關(guān)系到人們的出行［5～6］?；谖锫?lián)網(wǎng)的路燈系統(tǒng)是智慧園區(qū)公共基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，在完善園區(qū)服務(wù)功能和服務(wù)環(huán)境中扮演著重要角色［7～8］。文獻(xiàn)［9］設(shè)計(jì)了基于 PLC的智能路燈系統(tǒng)，其載波通信基于原有的電力線網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合路由中繼轉(zhuǎn)發(fā)和GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)路燈的照明控制。文獻(xiàn)［10］設(shè)計(jì)了基于GPRS與Zig?Bee無線組網(wǎng)的節(jié)能路燈系統(tǒng)，以AVR單片機(jī)為控制器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境，以便自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈亮度。文獻(xiàn)［11］設(shè)計(jì)了基于LED的校園照明節(jié)能系統(tǒng)，通過LED日光燈替換傳統(tǒng)的熒光燈和校園路燈，達(dá)到高效、節(jié)能的目標(biāo)。

基于園區(qū)路燈控制的實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的園區(qū)智慧路燈系統(tǒng)，系統(tǒng)利用SI4463無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)，進(jìn)行路燈環(huán)境數(shù)據(jù)的收發(fā)，通過ARM平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示，利用TCP/IP技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)通信。通過照明系統(tǒng)的智能化管理，實(shí)現(xiàn)降低成本與節(jié)能減排。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的園區(qū)智慧路燈系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示，由傳感器子節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和ARM平臺(tái)組成。

終端節(jié)點(diǎn)由HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊和光敏傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口與ARM板通信，并通過SI4463無線模塊與子節(jié)點(diǎn)通信。

通過AM3359開發(fā)板的QT界面負(fù)責(zé)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，以及控制命令的下發(fā)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。

圖1 系統(tǒng)硬件框架圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含三個(gè)方面：一是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；二是數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；三是Web遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee的通信速率低，穿透和繞射能力差，它的協(xié)議棧包含大量的容錯(cuò)措施，過于復(fù)雜，代碼量大［12～14］。針對(duì)這些問題，系統(tǒng)采用SI4463高性能低功耗射頻收發(fā)器，SI4463極限通信距離為1500m，輸出功率20dBm，增大覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)面積。

運(yùn)行在ARM平臺(tái)的程序通過串口獲取SI4463無線傳感模塊傳輸?shù)沫h(huán)境數(shù)據(jù)。考慮到網(wǎng)絡(luò)傳輸異常情況，系統(tǒng)移植Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)做數(shù)據(jù)緩存，實(shí)現(xiàn)向服務(wù)器的數(shù)據(jù)上報(bào)［15］。

3.2 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，利用TCP/IP下的套接字技術(shù)和多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)嵌入式ARM平臺(tái)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心的跨平臺(tái)通信。

客戶端采用Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)器端采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心通過Web監(jiān)控程序收集相關(guān)的數(shù)據(jù)和控制指令，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)利用自組網(wǎng)路由算法匯聚子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，傳遞給ARM平臺(tái)，服務(wù)器通過TCP/IP獲取ARM平臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù)，使用MySQL對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

基于物聯(lián)網(wǎng)園區(qū)路燈系統(tǒng)的控制策略為：通過一個(gè)光敏傳感器感知園區(qū)環(huán)境亮度，和“系統(tǒng)時(shí)鐘”共同確定是白晝還是黑夜；當(dāng)黑夜時(shí)，通過人體紅外感應(yīng)5m內(nèi)是否有人經(jīng)過，如果有人通過，則開啟該節(jié)點(diǎn)路燈，若路人一直在，保持路燈常亮，當(dāng)路人離開感應(yīng)范圍，時(shí)延10s后路燈熄滅。此時(shí)，通過另一個(gè)光敏傳感器感知燈光的光照強(qiáng)度，將測(cè)量的數(shù)據(jù)與正常路燈閾值比較，從而判斷此節(jié)點(diǎn)是否損壞。

3.3 Web遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的結(jié)合，支持PC、手機(jī)等不同終端在任意地點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)登錄遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。用戶通過遠(yuǎn)程的監(jiān)控界面下發(fā)相應(yīng)的控制參數(shù)后，通過Web服務(wù)器調(diào)用對(duì)應(yīng)的CGI程序來解釋監(jiān)控頁面的信息。

系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制界面通過POST方法向CGI程序提供數(shù)據(jù)，這種方式支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)不會(huì)暴露在瀏覽器地址欄中。

4 節(jié)點(diǎn)間的自組網(wǎng)路由算法設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)而言，要保證節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，需要減少延遲，通過網(wǎng)絡(luò)的路由查找選擇最佳路徑。樹型路由算法不需要復(fù)雜的路由表，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)響應(yīng)速度也快，但是路由效率很低。動(dòng)態(tài)源路由算法將路由長(zhǎng)度作為路由存儲(chǔ)的唯一度量參數(shù)，未考慮路由時(shí)效性，消耗額外的接口排隊(duì)時(shí)間和帶寬。而自組網(wǎng)路由算法，它僅需要父兄節(jié)點(diǎn)或者子節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)路由表，消耗一定存儲(chǔ)空間，但是能達(dá)到最優(yōu)路由效果。

在傳感器與協(xié)調(diào)器間按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這個(gè)過程中涉及網(wǎng)絡(luò)地址的分配。網(wǎng)絡(luò)中每加入一個(gè)節(jié)點(diǎn)，將會(huì)分配一個(gè)地址，它的地址分配如式（1）所示：

此公式中AK為分配的網(wǎng)絡(luò)地址，AP為父節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，Cskip（d）為網(wǎng)絡(luò)深度地址偏移量，k為父節(jié)點(diǎn)的第k個(gè)子節(jié)點(diǎn)，Rm為父節(jié)點(diǎn)所能掛載最大路由節(jié)點(diǎn)數(shù)。在進(jìn)行路由時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)可以通過式（2）判斷目的節(jié)點(diǎn)是否是它的孩子節(jié)點(diǎn)。

公式中LA為路由節(jié)點(diǎn)的ID，DA為目的節(jié)點(diǎn)ID，Cm為節(jié)點(diǎn)掛接子節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將目的地址代入式（2），若符合要求，則說明目的地址在孩子子節(jié)點(diǎn)，然后查詢子節(jié)點(diǎn)路由表，若找到則把數(shù)據(jù)直接發(fā)送目的節(jié)點(diǎn)，沒有找到則使用式（3）算出下一跳地址NA，把數(shù)據(jù)發(fā)送給它。再次使用式（2）進(jìn)行判斷，直至找到最終的目的節(jié)點(diǎn)。若不符合要求，則說明目的節(jié)點(diǎn)是它的兄弟節(jié)點(diǎn)或者父節(jié)點(diǎn)，然后通過查詢兄弟節(jié)點(diǎn)路由表和父節(jié)點(diǎn)路由表，找到則將數(shù)據(jù)發(fā)送目的ID，反之將數(shù)據(jù)發(fā)送給它分配過ID的父節(jié)點(diǎn)，再使用式（2）進(jìn)行判斷，直到將最終數(shù)據(jù)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)為止。

圖2 算法流程圖

系統(tǒng)路由算法流程圖如圖2所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

通過兩盞85W的節(jié)能燈模擬路燈光源，如圖3所示。每個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器，其中包含光敏傳感器、人體紅外傳感器等。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，各節(jié)點(diǎn)每隔十分鐘自動(dòng)選擇一條路徑向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器收集后發(fā)送至ARM板，經(jīng)過處理上傳服務(wù)器，用戶通過7英寸觸摸屏近端控制，通過PC/手機(jī)訪問瀏覽器來進(jìn)行遠(yuǎn)端控制，遠(yuǎn)程監(jiān)控界面如圖4所示。

圖3 園區(qū)智慧路燈系統(tǒng)實(shí)物測(cè)試

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

5.1 通信測(cè)試

SI4463無線模塊與子節(jié)點(diǎn)的通信是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它的性能影響著數(shù)據(jù)的管理和遠(yuǎn)程的顯示。該通信測(cè)試分為兩個(gè)部分，一是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x測(cè)試；二是數(shù)據(jù)傳輸過程中的丟包率測(cè)試，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的初始發(fā)送量均為1000。在距離測(cè)試中，以100m的間隔逐次遞增。由表1可知當(dāng)距離在350m內(nèi)，傳輸正常；距離在450m內(nèi)信號(hào)不穩(wěn)定，超過550m丟失信號(hào)。由結(jié)果可知傳感節(jié)點(diǎn)在350m內(nèi)的園區(qū)環(huán)境正確傳輸，能滿足路燈系統(tǒng)的實(shí)際需求。

表1 SI4463無線模塊與子節(jié)點(diǎn)的通信測(cè)試

5.2 系統(tǒng)功能測(cè)試

系統(tǒng)的功能測(cè)試，如表2所示，包括四項(xiàng)性能指標(biāo)：模式選擇、遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能監(jiān)測(cè)和節(jié)能控制。遠(yuǎn)程監(jiān)控界面如圖4所示，可以查詢相關(guān)參數(shù)，控制路燈的開關(guān)閉合狀態(tài)和精密控制亮度變化。通過環(huán)境亮度與系統(tǒng)時(shí)鐘共同確定園區(qū)是白晝或者黑夜，紅外感應(yīng)是否有人經(jīng)過；設(shè)置正常路燈閾值，當(dāng)光照度小于閾值時(shí)，初步判斷路燈故障，自動(dòng)上傳當(dāng)前子節(jié)點(diǎn)地址，確定路燈位置。

表2 系統(tǒng)功能測(cè)試

根據(jù)測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)進(jìn)行比較，如表3所示，從四個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比，包括故障排查、能耗、使用壽命和數(shù)據(jù)傳輸。物聯(lián)網(wǎng)園區(qū)智慧路燈系統(tǒng)根據(jù)是否有人經(jīng)過，按需照明，節(jié)約能源；根據(jù)光照度參數(shù)的變化，來自動(dòng)報(bào)修故障路燈。它通過這兩部分實(shí)現(xiàn)智慧的理念。

表3 傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)對(duì)比

6 結(jié)語

本文采用無線通信、數(shù)據(jù)庫(kù)、Linux、Qt設(shè)計(jì)、TCP/IP等多種技術(shù)［16］，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的園區(qū)智慧路燈系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠有效地遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控園區(qū)路燈，方便故障路燈維修，并且根據(jù)場(chǎng)景的不同自動(dòng)開關(guān)，有效節(jié)省電能。系統(tǒng)具有較好的安全性和穩(wěn)定性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。