摘 要：隨著中國經(jīng)濟、科技水平不斷提高，城鎮(zhèn)化有效推進，城市路燈的需求大幅增加，以智慧城市作為切入點，將智慧城市理念引入城市路燈。運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、溫濕度模塊、北斗定位模塊、人工智能和人臉識別技術(shù)等設(shè)計了智慧路燈系統(tǒng)。北斗定位模塊可定位路燈位置，溫濕度模塊可監(jiān)測周圍環(huán)境溫濕度，粉塵傳感器檢測空氣中PM2.5的濃度，若濃度過高可及時噴水，提高城市空氣質(zhì)量；攝像頭模塊結(jié)合人臉識別技術(shù)可直接掃描人臉取得路燈操作的權(quán)限，節(jié)省了工作者的時間。結(jié)果表明，本設(shè)計能夠準確實時監(jiān)測路燈周圍環(huán)境，為智慧城市的建設(shè)助力。

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.020

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；北斗定位；智慧路燈系統(tǒng)；粉塵傳感器；PM2.5；STM32單片機

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-00-03

0 引 言

國內(nèi)近年來掀起了智慧城市建設(shè)的高潮[1]，智慧路燈作為智慧城市的重要組成部分，受到了多方重視。政府出臺一系列扶持政策，以促進智慧城市的建設(shè)。5G商用化的推進，也將依靠路燈作為網(wǎng)點鋪設(shè)的基礎(chǔ)載體。智慧路燈也稱為“5G時代的智慧城管[2-3]，在城市路燈上搭載LED顯示屏、廣播系統(tǒng)、監(jiān)控攝像頭、PM2.5檢測器等設(shè)備，可以形成多種桿件共建共享集約化建設(shè)的集聚效應(yīng)。

國內(nèi)外有不少關(guān)于智慧城市道路照明的研究，例如楊文強等研究了智慧城市路燈安全防控技術(shù)研究與應(yīng)用實現(xiàn)，在提升路燈安全性的同時，使得系統(tǒng)穩(wěn)定運行[4]；楊進等設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧路燈系統(tǒng)，在提高控制效能的基礎(chǔ)上，維持道路照明系統(tǒng)穩(wěn)定運行[5]；Omar Amjad等研究了記錄天氣狀況和遠程診斷故障的節(jié)能路燈系統(tǒng)，強調(diào)了節(jié)能減排的重要性[6]。

但市面上現(xiàn)有的智慧照明系統(tǒng)主要圍繞著如何提高效能這一主題[7-8]，針對周邊環(huán)境的設(shè)計還有待進一步研究[9]，而部分研究難以滿足路邊實際復雜的使用環(huán)境[10]。本文基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過粉塵傳感器等可實時檢測設(shè)備環(huán)境周圍的PM2.5濃度，通過LED顯示屏可以實時顯示范圍內(nèi)的實時數(shù)據(jù)，例如空氣質(zhì)量、溫濕度、粉塵顆粒等，若粉塵顆粒等數(shù)據(jù)異常時，管理者能夠得到及時的預警信息并選擇是否噴水，以解決粉塵異常問題，減少對路人的傷害；設(shè)備配備了RFID打卡系統(tǒng)，便于道路工作者途經(jīng)工作地點時打卡。此外，本設(shè)計還搭載了北斗模塊，管理者可實時獲取設(shè)備的位置信息，若發(fā)生突發(fā)事件，可派遣相關(guān)人員第一時間通過定位系統(tǒng)抵達現(xiàn)場，此舉大幅提高了工作效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。粉塵傳感器將當前顆粒數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32單片機，智慧路燈實時將氣體信息和周圍環(huán)境信息通過4G通信模塊發(fā)送給服務(wù)器，工作人員可通過網(wǎng)頁端查看路燈周圍的實時信息。當PM2.5數(shù)值超出閾值時，自動噴水除塵。系統(tǒng)可滿足智慧城市系統(tǒng)對城市路燈狀況的統(tǒng)一管控和安全監(jiān)測需求。

智能路燈由感知層子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、應(yīng)用平臺子系統(tǒng)組成。

（1）感知層子系統(tǒng)負責模塊的整合；

（2）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)負責獲取PM2.5數(shù)據(jù)、有害氣體數(shù)值和周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，并與總控模塊通信；

（3）應(yīng)用平臺子系統(tǒng)負責進行網(wǎng)頁報警、智能管理決策。

網(wǎng)頁端主要進行信息顯示，將智能路燈收集的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫，通過后端進行數(shù)據(jù)處理，前端調(diào)用接口提取

數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)由控制與通信、數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用平臺四部分組成，其硬件實物如圖2所示。

2.1 STM32開發(fā)板

智慧路燈監(jiān)測硬件系統(tǒng)以STM32開發(fā)板為核心，采用STM32F407VET6 Cortex-M4芯片，引出了RS 485、CAN、SD卡等模塊接口。此外，還引出了TTL串口、SPI、ADC、I2C、PWM等接口，為用戶提供更多選擇。

2.2 EC20 4G模塊

EC20 R2.1采用LTE 3GPP Rel.11技術(shù)，支持速率為50～150 Mb/s。將UMTS/HSPA+UC20模塊和多網(wǎng)絡(luò)制式LTE EC20/EC21模塊封裝在一起可以實現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)無縫切換。

2.3 粉塵傳感器

GP2Y10是一款數(shù)字式顆粒懸浮物檢測傳感器，可實時檢測當前顆粒物濃度，經(jīng)過PM2.5濃度判斷得出當前AQI質(zhì)量，見表1所列。

粉塵傳感器實物如圖3所示。測量腔體時，空氣中的懸浮物顆粒使激光產(chǎn)生散射，在特定角度收集激光散射光，得到散射光強隨時間變化的曲線，再根據(jù)算法計算得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物數(shù)量。

2.4 霧化傳感器

霧化傳感器由超聲波微孔霧化片、金屬微孔片與壓電陶瓷片粘合而成，通過壓電陶瓷片帶動金屬微孔片振動，借助金屬微孔片將液體分解成水霧，實現(xiàn)霧化功能，實物如圖4所示。驅(qū)動板工作電壓為DC 5 V，功率4 W，頻率

108 kHz，采用霧化片專用驅(qū)動芯片，輕量化設(shè)計便于設(shè)備在各環(huán)境下作業(yè)。

2.5 RFID打卡讀寫設(shè)備

系統(tǒng)搭載RFID打卡模塊，實物如圖5所示。該模塊適用于工作人員經(jīng)過作業(yè)點時進行打卡，便于管理人員查看設(shè)備情況。RFID卡讀寫設(shè)備是連接RFID卡與應(yīng)用系統(tǒng)的橋梁，是RFID卡應(yīng)用中至關(guān)重要的一環(huán)。RFID卡讀寫設(shè)備的基本任務(wù)是啟動RFID卡，與RFID卡建立通信，在應(yīng)用系統(tǒng)和卡片間傳遞數(shù)據(jù)。

2.6 OLED顯示屏

顯示屏可以實時顯示設(shè)備周圍信息，如PM2.5、溫濕度等，便于工作人員到達作業(yè)地點時能夠查詢當前異常信息，采取對應(yīng)措施進行維修、管理，實物如圖6所示。OLED顯示屏的顯示顏色為白色，顯示尺寸為0.96英寸，驅(qū)動IC為SSD1306，該模塊采用3.3 V電源供電，通過I2C接口與控制器通信，顯示效果好，安裝方便。

3 軟件設(shè)計

3.1 連接協(xié)議

在數(shù)據(jù)處理過程中使用消息隊列遙測傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport， MQTT），這是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級”通信協(xié)議，其工作流程如圖7所示。該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上。MQTT的最大優(yōu)點在于可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)。MQTT數(shù)據(jù)包由固定頭、可變頭、消息體構(gòu)成。MQTT協(xié)議通過交換預定義的MQTT控制報文通信。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理需要完成對各類傳感器所采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)整合、多組數(shù)據(jù)分析識別、事件流調(diào)攜程管理、獨立設(shè)備數(shù)據(jù)存儲等處理。智慧路燈監(jiān)測系統(tǒng)獨立設(shè)備選擇哈佛存儲結(jié)構(gòu)，原理如圖8所示。

3.3 應(yīng)用平臺

應(yīng)用平臺有登錄、路燈屬性、環(huán)境監(jiān)測、位置信息、人員信息和異常信息6個界面。為實現(xiàn)對路燈的統(tǒng)一管理和差異對比，此平臺可實現(xiàn)路燈位置信息顯示，環(huán)境實時監(jiān)測以及信息反饋，便于管理者及時采取措施應(yīng)對突發(fā)情況。

圖9所示為應(yīng)用平臺路燈管理界面。

環(huán)境監(jiān)測功能可以實時展示當前各設(shè)備周圍環(huán)境數(shù)值，包括PM值、有害氣體濃度、溫濕度等，實現(xiàn)了對路燈周圍環(huán)境的有效掌握，若數(shù)據(jù)異常則發(fā)起報警；位置信息功能可以保證設(shè)備能夠顯示當前所處位置，并通過點擊位置氣泡展示該設(shè)備周圍情況，實現(xiàn)了對設(shè)備的精確位置監(jiān)控，方便工作人員了解工作地情況；異常頁面用于收集設(shè)備發(fā)出警報的實時信息，一旦路燈周圍PM2.5值和有害氣體濃度過高，該頁面會第一時間捕獲異常數(shù)據(jù)，顯示設(shè)備當前位置信息和異常數(shù)據(jù)。圖10所示為位置信息管理界面。

3.4 數(shù)據(jù)大屏

系統(tǒng)配備了可視化數(shù)據(jù)大屏，便于工作人員實時查看相關(guān)數(shù)據(jù)。大屏采用滾動式數(shù)據(jù)刷新方式，能夠監(jiān)測各設(shè)備當前情況，方便處理異常事件。有效的可視化大屏數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示便于工作人員了解設(shè)備當前周圍環(huán)境和智慧城市的統(tǒng)一管理。圖11所示為數(shù)據(jù)大屏顯示界面。

4 結(jié) 語

城市智慧路燈的理念在于“智慧照明，智控核心，智慧發(fā)布，智慧電控”，結(jié)合城市道路屬性，激發(fā)城市智慧內(nèi)涵，創(chuàng)造現(xiàn)代、智慧、可持續(xù)的夜景照明?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧路燈監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和北斗定位技術(shù)，配合客戶端網(wǎng)頁，對路邊環(huán)境進行實時監(jiān)測，并能采取措施改善空氣質(zhì)量，有效提高路燈的智慧化程度。

注：本文通訊作者為吳有龍。

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收稿日期：2023-05-24 修回日期：2023-06-30

基金項目：江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（202313573131T）；金陵科技學院科教融合項目（2022KJRH15）