基于Arduino Nano的智能路燈控制系統的設計與實現

都妍美

摘 要：將Arduino Nano作為主控芯片的智能路燈控制系統包括道路照明系統管理平臺、路燈集中控制器和路燈單/雙燈控制器三部分，能對整個城市的道路照明設施進行遠程集中控制和統一管理，并實現車來燈亮車走燈滅功能，同時也能進行設備的遠程診斷維護和自動故障報警。此外，系統還配套有安卓客戶端以及網絡應用程序，以便維修人員及時知曉故障路燈的相關信息。

關鍵詞：智能路燈；ZigBee；Arduino；集中控制；故障報警

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

物聯網、云計算、大數據等前沿技術不斷推動著智慧城市的創新發展，智能路燈系統作為智慧城市必不可少的設備，其技術也在不斷成熟。隨著我國城鎮化發展規劃的不斷推進，城市面積不斷增大，城市照明路燈數量龐大且增長迅速，使城市照明管理難度不斷增加。因此開發一款具有監控、省電、提示和信息集成功能的智能路燈系統對于提高管理效率、節電節能、綠色照明具有重要意義。目前國內城市的智能路燈系統普及度并不高，大部分城市路燈在傍晚開啟后整夜全亮。部分智能路燈系統在高峰期之后采用每隔一盞路燈亮一個的方式來節省電能。但是這種方法還不能實現路燈的最佳利用，并具有一定的局限性，無法及時、高效地實現路燈系統的管理與維護。真正的智能路燈系統應能準確、實時獲取路燈周圍人或車輛的信息并做出反應，實現車來燈亮車走燈滅，減少電能消耗；實時分析路燈的損壞情況，通過手機APP通知維修人員，盡早排除路燈故障，提高維護效率，確保城市夜間道路正常照明；同時集成多種傳感器來收集空氣質量數據，可與城市管理系統數據融合，確保路上行人和車輛的安全。

1 系統設計方案

智能路燈系統存在耗電量大、使用范圍廣泛、數量龐大、單個控制復雜、維護不易等問題，為了解決城市道路路燈系統的相關問題，系統方案的設計原則如下：

（1）節能性。路燈控制模式分為自動模式和手動模式。在自動模式下，當夜幕來臨或者光照強度很低的情況下，路燈自動進入運行模式，天明時自動關閉，有人或車輛通過時開啟路燈，無人車通過時關閉路燈，實現節能最大化。

（2）及時性。當路燈出現故障，系統能在第一時間檢測出故障路燈的個數與位置，同時推送給對應的維修人員，向其提供問題路燈的位置信息等，極大地提高了檢修工作效率。

（3）先進性。充分利用現代化信息技術，結合實際城市道路情況進行系統整體設計及硬件設備選型，確保建設方案的合理性。采用模塊化方式進行軟硬件平臺設計，保證了良好的擴展能力，方便系統升級和更新，也提供了數據接口方便與其他系統相連。同時保證無線通信設備的先進性，使得整個系統架構體系實現最優。

（4）實用性。物聯網環境下城市路燈系統的設計原則還應包括符合一般傳統行業產品的基本設計原則和規范，即美學特征、可持續性、環保性等。該系統的設計有利于在城市道路管理領域推廣，是一種解決現有實際問題的設計方案。

基于以上原則，設計的智能路燈系統整體架構包括感知控制層、網絡傳輸層、應用服務層三部分。

感知控制層通過傳感層的智能傳感節點，分別利用空氣質量傳感器對室外環境進行檢測；利用外置光敏傳感器采集的光照強度控制路燈開關；利用內置光敏傳感器采集的光照強度來判斷路燈是否開啟。用紅外對射模塊檢測是否有人車通過，當檢測到有人車通過時，打開前方的路燈，等人車通過后，路燈緩緩關閉。紅外對射模塊反應靈敏，檢測可靠度高，安裝在道路兩側，并通過調節安裝的高度來盡量減少小動物等因素引發的誤操作。路燈采用穿透性強的黃色LED燈，利用電壓對燈的亮度、強度進行調節。配置空氣質量傳感器和光照強度傳感器以實時檢測空氣質量信息及光線強度。此外還間隔附加了報警燈和警報器，當監控到車禍或者其他緊急情況時可以打開，提醒路人注意當前緊急情況。

網絡傳輸層采用頻段在2.4 GHz的無線ZigBee傳感網絡實現短距離通信，保證現場為無線覆蓋。ZigBee網絡一般傳輸距離在70～150 m之間，城市道路路燈的間距一般為30～50 m，完全可滿足大眾需求。且其還具有低功耗等優勢，在無人通過的深夜能夠節約用電，同時還具有低成本、短時延、網絡容量大等優點。本地監測終端到遠程監測終端可以實現信息推送，數據交互。系統可實現多終端跨平臺應用實施，只需一個瀏覽器即可實時查詢與監測任何一終端。

應用服務層主要包括監測控制客戶端、本地服務器端和故障維修人員APP。

本地監測終端通過Web頁面監測控制客戶端，與數據庫進行交互操作，實現數據實時顯示，包括問題路段展示、天氣狀況、維修數據等信息，以網頁形式為主，含有設備狀態信息檢測、各區域的維護負責人查詢、空氣質量檢測、故障信息推送等功能。監控平臺通過數據處理決定控制決策，如將故障路燈信息發送給對應的維修人員等。

本地服務器端主要用以保存設備數據，保障與設備的通信連接，在穩定的網絡環境下，由互聯網通信協議連接服務器與客戶端，由控制器的特定協議連接服務器與控制器；控制器端的數據通過特定協議實時上傳給服務器，服務器解析處理后呈現在客戶端界面。

APP主要為維修人員使用，當出現故障時，系統及時推送故障信息到對應負責人員的APP中，維修人員也可用其對故障路燈進行拍照并上傳，保存維修記錄等。智能路燈控制系統管理平臺主要包括路燈開關、單獨控制、故障路燈檢測、及時通知維修、檢測實況空氣質量等功能。該管理平臺采用超強直觀的可視化界面，不僅可準確控制每盞路燈，還可以檢測每盞路燈的狀態并迅速準確地判斷出哪盞路燈出現了故障。監控計算機對數據進行分析處理后，制定控制決策，并向APP推送故障路燈消息，同時路燈系統還可以通過智能傳感終端實現對路燈情況的實時監測和控制，也可利用無線自組網技術和WiFi通信技術等將無線傳感終端匯聚的監測數據傳送至本地服務器端；服務器端實現數據庫構建和實時數據更新，用戶可在本地查詢路燈是否損壞等。系統整體結構如圖1所示。

2 硬件系統設計

以路燈為控制對象，完成軟件和硬件的設計開發。系統可設置為自動模式和手動模式，根據檢測到的光照強度和是否有人車通過來智能控制路燈的緩慢開啟和關閉，實現能源節約最大化，手動模式可以單獨控制每盞路燈的亮滅。硬件電路部分包括通信電路、人車檢測電路、路燈狀態電路、路燈控制電路、光照強度檢測、空氣質量檢測、報警提醒電路等。

硬件電路方面，主控芯片采用體積較小的Arduino Nano，每個路燈之間采用ZigBee短距離無線通信方式，無需大規模布線，降低了安裝成本。主控芯片利用PWM調光以控制燈的緩慢開啟和關閉。為了提高城市的安防質量，路燈之間間隔安裝了報警燈和警報器，不僅可以遠程控制，而且在燈桿上有開關，可人為開啟。每隔一定數量的路燈上安裝了空氣質量傳感器等，可以實時監測某一地區的空氣質量，并將質量信息提供給氣象部門。光照強度傳感器能及時檢測光照強度，紅外對射可準確檢測是否有車，因此能更加智能地控制路燈運行。系統硬件框圖如圖2所示。

2.1 通信電路部分

每個路燈間均采用ZigBee無線通信，間隔距離大約為10～35 m，完全可滿足通信需求。每個路口都設置有一個協調器，這條道路上的所有信號會發送到協調器，由協調器匯入網絡。協調器不僅要接收、發送數據，而且當人車檢測模塊檢測到有人車通過時，會發送數據給前方路燈至下一個路口的協調器。ZigBee無線通信模塊通過串口與主控芯片相連，互不干擾。通信電路原理圖如圖3所示。

2.2 人車檢測電路部分

人車檢測采用工業級紅外對射型光電開關，開關靈敏度高，準確且反應迅速。當芯片引腳檢測到有障礙物信號時，會依次發送數據給下一個路燈使其開啟，裝置放在每一個路口處，連接ZigBee網絡的協調器，當檢測到有人車信號時發送給往后的路燈模塊至下一個路口。人車檢測電路示意圖如圖4所示。

2.3 路燈狀態檢測部分

我們在路燈上加裝了光檢測模塊以監測每盞燈的狀態，該模塊成本低廉，適合大規模使用，對比檢測到的狀態和控制燈的指令可以判斷路燈是否出現故障。路燈狀態檢測電路原理圖如圖5所示。

2.4 路燈控制電路部分

控制路燈緩慢亮滅，利用Arduino Nano輸出PWM信號接到兩個場效應管上，接入12 V電壓，通過調節電壓來控制燈的緩慢開啟和關閉。路燈控制電路原理圖如圖6所示。

2.5 光照強度檢測部分

每個區域的路燈上都裝有光照強度傳感器，可實時檢測本區域的光照強度，并通過主控芯片發送給ZigBee后經協調器上傳到服務器。上位機可實時查看光照強度，以確定是否開啟路燈。

2.6 空氣質量檢測部分

每個區域都裝有空氣質量傳感器，檢測到的信號同樣通過ZigBee網絡、協調器發送給服務器，可借助上位機實時查看。

2.7 報警提醒電路部分

道路上的路燈間隔安裝有小型報警燈和警報器。當出現緊急情況時，報警燈和警報器可以通過燈桿上的開關手動打開，也能通過監控查看緊急情況，然后遠程控制打開，起到警示行人的作用。

3 軟件系統設計

系統軟件設計從人性化角度出發，基于B/S架構分布式管理系統，分為客戶端應用、服務器數據處理與通信保障、控制器協議處理三部分，各部分可在不同的機器上運行，由不同的操作系統支持，被不同的通信網絡連接，大大提高了監控軟件系統的可擴展性、易維護性及可靠性。軟件流程如圖7所示。

4 測試數據

通過對測試數據進行收集與分析，發現系統運行狀態穩定，數據準確，且能對開關燈等控制指令準確反應，符合設計要求，適合大范圍普及、推廣。路燈測試數據見表1所列。

5 結 語

智能路燈控制系統主要由道路照明系統管理平臺、路燈集中控制器和路燈單/雙燈控制器組成。該系統能對整個城市的道路照明設施進行遠程集中控制和統一管理，完成了智能化、信息化、網絡化、自動化改造，同時還能實現設備的遠程診斷維護和自動故障報警，有效提高管理人員的管控、維護、檢修能力和效率。系統配套有安卓客戶端以及網絡應用程序，在安卓系統設備中安裝APP可實時接收故障信息，以便維修人員及時、準確地獲悉故障路燈。在城市照明中應用此系統不僅降低了電能消耗，減少了維護人員的勞動量，更提高了城市道路照明的服務質量，使得整個城市的管理和服務水平更上一層樓。

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