劉亞樓 鄭意如 周俊 肖運(yùn)昌

摘要：在城市或鄉(xiāng)村等生活區(qū)域，路燈作為夜間照明系統(tǒng)，其分布和應(yīng)用較為廣泛。該類路燈工作常會(huì)因?yàn)殡娐饭收隙霈F(xiàn)類似閃爍、過亮、低亮、不亮等異常問題，針對該情況，本課題設(shè)計(jì)一種基于北斗定位的區(qū)域路燈故障即時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，可通過手機(jī)APP端對路燈的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)測控。

關(guān)鍵詞：北斗定位系統(tǒng);信息傳遞;故障分析

概述

路燈是人們晚間戶外活動(dòng)區(qū)域很好的照明系統(tǒng)，由于路燈故障監(jiān)測設(shè)備和及時(shí)反應(yīng)機(jī)制的缺乏，故障路燈的報(bào)修工作通常必須由人來完成。在某些偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村、山區(qū)或交通不暢通地帶，一旦路燈發(fā)生故障，維護(hù)人員很難遠(yuǎn)程弄清其故障狀態(tài)及位置，這給檢修人員的及時(shí)反饋及處理帶來不利。

面對如上問題，本文提出通過智能路燈故障監(jiān)測系統(tǒng)來對生活區(qū)域中的多個(gè)路燈工作情況進(jìn)行即時(shí)監(jiān)測，該系統(tǒng)供電由路燈電源提供為主，輔以太陽能電池，結(jié)合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)對各個(gè)路燈進(jìn)行精確定位，進(jìn)一步通過手機(jī)APP端接收和處理各區(qū)域路燈的即時(shí)檢測信息。該北斗定位和智能檢測綜合系統(tǒng)可對區(qū)域中多路燈實(shí)施精確管理，彌補(bǔ)生活區(qū)域中路燈出現(xiàn)故障不能即時(shí)發(fā)現(xiàn)并檢修的缺陷。

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

路燈監(jiān)測系統(tǒng)主要由路燈監(jiān)測系統(tǒng)裝置和APP兩個(gè)主要部分組成。路燈監(jiān)測以STM32F103微處理器為控制核心，該系統(tǒng)主要由路燈電源供電，自帶的太陽能電池為輔，系統(tǒng)中包含GPRS模塊、光照強(qiáng)度傳感器、溫濕度傳感器、北斗模塊和GPS模塊等五個(gè)部分組成，其中北斗模塊和GPS模塊共同搭配使用來提供高精度定位，當(dāng)監(jiān)測到路燈亮度異常，光照強(qiáng)度傳感器會(huì)將相關(guān)信息傳遞給微處理器，經(jīng)處理后，得到的信息再通過GPRS模塊傳達(dá)給綁定的APP，最后可在移動(dòng)端或電腦終端查看。

APP主要是對路燈故障分析及信息位置傳遞結(jié)果的顯示，當(dāng)檢測到路燈正?；蛘弋惓r(shí)，經(jīng)過處理器對信號的處理，通過GPRS模塊將傳遞信息給手機(jī)端，界面會(huì)將準(zhǔn)確顯示故障分析結(jié)果，位置信息以及檢修提示等，內(nèi)容齊全簡潔，操作方便，可以在手機(jī)或者電腦上應(yīng)用。具體系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

其中電源電路是系統(tǒng)硬件關(guān)鍵組成部分，為實(shí)現(xiàn)桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，考慮到供電的不穩(wěn)定性，在電源設(shè)計(jì)方案中選用雙電源供電策略;STM32F103微控制器具備安全、可靠、低功耗、精密等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使該系統(tǒng)能夠較好地滿足桿塔運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測需求;考慮到北斗與GPRS 通信模塊為監(jiān)測系統(tǒng)的主要功耗來源，為滿足硬件系統(tǒng)對于功耗的較高要求，電源電路采用供電設(shè)備及模塊不工作時(shí)關(guān)閉的控制方式;北斗模塊屬于系統(tǒng)的核心組件，為精確監(jiān)測桿塔的方位參數(shù)，系統(tǒng)選定北斗GPS雙模定位技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)厘米級運(yùn)行狀態(tài)測量[1]。

2、路燈監(jiān)測裝置

路燈故障檢測裝置為并發(fā)系統(tǒng)，在檢測過程中需要準(zhǔn)確檢測發(fā)生故障路燈的位置?？紤]到多個(gè)路燈同時(shí)發(fā)生故障的可能性，此時(shí)返回信號有多個(gè)，因此系統(tǒng)信號在路燈故障檢測與路燈設(shè)備及傳輸線路之間作并行傳輸[2]。

檢測系統(tǒng)主要采用光照傳感器。光照傳感器采用熱點(diǎn)效應(yīng)原理，其感應(yīng)原件與相機(jī)的感光矩陣類似，內(nèi)部有繞線電鍍式多接點(diǎn)熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層，熱接點(diǎn)在感應(yīng)面上，而冷結(jié)點(diǎn)則位于機(jī)體內(nèi)，冷熱接點(diǎn)產(chǎn)生溫差電勢。在線性范圍內(nèi)，輸出信號與太陽輻射度成正比;透過濾光片的可見光照射到光敏二極管，根據(jù)可見光照度大小轉(zhuǎn)換成電信號，再傳至傳感器處理系統(tǒng)，從而輸出信息。

為了減小溫度影響，系統(tǒng)所選的光照強(qiáng)度傳感器還增選溫度補(bǔ)償線路，這樣可在較大程度上提高光照強(qiáng)度傳感器的靈敏度和探測能力。由于其采用的先進(jìn)光電轉(zhuǎn)換模塊和對弱光性有較高反應(yīng)的探測感光元件，該器件可用于檢測路燈的光亮度情況，將光照強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為電壓值，再經(jīng)放大電路和內(nèi)部調(diào)理電路的共同作用，將此電壓值轉(zhuǎn)換為所需的輸出電信號。除此，高精度光照強(qiáng)度傳感器體積小巧，IP65防護(hù)等級傳感器設(shè)計(jì)結(jié)實(shí)、耐腐蝕響應(yīng)速度快，小于1秒時(shí)可選用電壓或電流輸出，電流輸出在長纜線傳輸時(shí)無信號衰減，其測量范圍在0～200000Lux;我國各地使用的路燈照度一般在89Lux以下，該光照傳感器正好對弱光有較高反應(yīng)，因此非常適合對路燈亮度情況的監(jiān)測。

路燈監(jiān)測裝置對于監(jiān)測光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)包括：當(dāng)路燈光強(qiáng)大于89Lux，傳感器輸出對應(yīng)的電壓值，經(jīng)過STM32F103微處理器處理以過亮信號輸出;光強(qiáng)在20Lux～89Lux范圍內(nèi)，系統(tǒng)輸出正常信號;光強(qiáng)小于20Lux，系統(tǒng)輸出低亮度信號;當(dāng)傳感器輸出間斷電壓或無輸出電壓時(shí)，系統(tǒng)將對應(yīng)輸出閃爍信號和不亮兩種狀態(tài)。

此外，采用溫濕度傳感器模塊來檢測路燈故障。當(dāng)路燈體內(nèi)的溫度和濕度達(dá)到路燈設(shè)計(jì)上限值時(shí)，MCU可強(qiáng)制電源供電斷路，從而達(dá)到保護(hù)燈具的效果;如系統(tǒng)由于溫濕度發(fā)生故障時(shí)，微處理器將該信息附于采集到的故障數(shù)據(jù)傳遞至APP，供維修人員參考。設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)采用OLED顯示屏，它比LCD更輕薄、亮度高、功耗低、響應(yīng)快、清晰度高、柔性好、發(fā)光效率高，可將光照強(qiáng)度傳感器和溫濕度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，從而滿足對顯示技術(shù)的所有需求[3]。

3、路燈精準(zhǔn)定位

北斗定位是基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的定位技術(shù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，可全天候、全天時(shí)的為各類用戶提供高精度和可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)及短報(bào)文通信服務(wù)[4]?；诒倍返穆窡艟珳?zhǔn)定位，主要以北斗差分定位算法為核心。該算法理論上可有效降低甚至消除各種測量誤差，但為了保證定位結(jié)果的高精度，避免可能引起定位誤差的星時(shí)鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差、電離層延時(shí)誤差、對流層延時(shí)誤差、接收機(jī)多路徑效應(yīng)以及接收機(jī)噪聲等。系統(tǒng)采用以北斗為主、GPS為輔的雙模定位技術(shù)[5，6]，GPS是在美國海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航、定位和定時(shí)功能，是第一個(gè)成熟的、可供全民使用的全球定位系統(tǒng)。這兩種定位方式擁有比較高的準(zhǔn)確度和可靠性，在市場上已成為相對主流的定位方式。

通過基于北斗GPS的雙模定位方法、定位終端及系統(tǒng);包括接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)信息讀取北斗GPS雙模定位終端與定位衛(wèi)星之間的配合，計(jì)算出北斗GPS雙模定位終端的精確坐標(biāo)，完成位置的高精度定位。北斗GPS雙模定位通訊圖如下圖2。

4、APP終端實(shí)時(shí)監(jiān)測

APP路燈監(jiān)測界面設(shè)計(jì)：將系列區(qū)域路燈以矩陣形式在APP上顯示，每個(gè)小區(qū)域被包括在一個(gè)集合里面，不同的同等集合組成一個(gè)更大的集合，以A市為例，其集合包括B區(qū)、B區(qū)和D縣等子集合;而B區(qū)包括E街道、F街道、G街道等多個(gè)子集合，將E街道所有的路燈都?xì)w于E街道集合。

路燈故障分析處理：當(dāng)路燈相關(guān)信息經(jīng)微處理器分析后，通過GPRS模塊將分析信息結(jié)果傳遞給APP端。路燈狀態(tài)與指示燈的對照關(guān)系如表1所示，該表中部分狀態(tài)可以組合，如路燈不斷閃爍且亮度處于低亮狀態(tài)時(shí)，APP中對應(yīng)路燈信號將顯示為不斷閃爍黃燈進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)對應(yīng)色彩的燈光亮起時(shí)，可及時(shí)辨別故障類型，并對故障類型可能存在的原因進(jìn)行分析，最后給出相關(guān)檢修材料建議。只有當(dāng)故障燈被維修好之后路燈信號燈的顏色才會(huì)正常顯示為綠色，整個(gè)過程均可進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)測。

故障路燈實(shí)時(shí)定位：將APP和高德、百度等地圖軟件相結(jié)合，當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)提示出現(xiàn)異常狀況的具體街道和區(qū)域，再通過點(diǎn)擊區(qū)域，詳細(xì)顯示異常顏色的路燈位置。將APP授權(quán)于百度、高德等地圖軟件后，系統(tǒng)可直接跳至地圖界面，且地圖界面自動(dòng)生成路燈地圖類型，故障路燈的位置將會(huì)精準(zhǔn)、具體的顯示在地圖上，進(jìn)一步可根據(jù)此時(shí)所處位置給出最佳導(dǎo)航路線。

故障提醒及處理：當(dāng)APP端路燈信號顯示為綠色時(shí)，無需進(jìn)行任何提醒;其余異常狀況，系統(tǒng)均會(huì)觸發(fā)震動(dòng)提醒，直到用戶進(jìn)行確認(rèn)之后停止，但燈的顏色不改變，僅當(dāng)維修人員將路燈修好后，經(jīng)路燈故障監(jiān)測系統(tǒng)處理分析達(dá)到正常要求時(shí)，信號燈顏色才會(huì)正常顯示;如路燈未維修超過三天，APP將會(huì)進(jìn)行語音提醒;故障提醒會(huì)記錄在APP消息板塊中，每次提醒和其它關(guān)于APP的消息都會(huì)記錄以供隨時(shí)尋找;APP有單獨(dú)的故障處理界面，該界面能夠顯示未處理故障路燈的所處狀態(tài)。

APP區(qū)域和地圖設(shè)置：APP需要手機(jī)進(jìn)行定位權(quán)限設(shè)置，授權(quán)后可根據(jù)定位信息確定并顯示當(dāng)前區(qū)域路燈的分布情況;地圖設(shè)置包括實(shí)時(shí)和離線兩種類型，實(shí)時(shí)地圖可在網(wǎng)絡(luò)條件下更新區(qū)域路燈分布情況;而離線地圖則在下載當(dāng)前區(qū)域路燈分布情況下進(jìn)行查詢。

結(jié)論

本文主要對城市或鄉(xiāng)村等生活區(qū)域中路燈工作情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測和處理服務(wù)系統(tǒng)過程作簡單描述和分析。該基于北斗定位的區(qū)域路燈故障即時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)組成簡單、功能強(qiáng)大，集成手機(jī)APP顯示和控制簡單等特點(diǎn)，對現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用和操作過程具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃紅兵，張辰，劉俊毅，章毅，鐘一俊.基于北斗定位技術(shù)的輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測研究與應(yīng)用[P].數(shù)字通信世界，2018，05：51-53.

[2] 嚴(yán)兵，宋文，蔣忠遠(yuǎn).基于增廣自控網(wǎng)的路燈故障檢測系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（1）：171-174.

[3] 袁學(xué)松，張靜. 基于北斗的LED路燈故障檢測與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].宿州學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，31（5）：100-103.

[4] 劉基余.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)況與發(fā)展[J].遙測遙控，2013，34（3）：1-8.

[5]寧津生，姚宜斌，張小紅.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2013，1（01）：3-8.

[6] 謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.