一種基于物聯網的園區智慧路燈系統?

劉起明 趙 亮 楊軍文 瞿少成

（華中師范大學物理科學與技術學院 武漢 430079）

1 引言

隨著信息技術飛速發展，智能化物聯網設施逐漸被運用到人們的日常生活中［1～2］。

既有基于物聯網的智能水表、物流信息平臺，關系到人們的日常體驗［3～4］；也有基于物聯網的智能鞋柜，停車場定位系統，關系到人們的出行［5～6］。基于物聯網的路燈系統是智慧園區公共基礎設施的重要組成部分，在完善園區服務功能和服務環境中扮演著重要角色［7～8］。文獻［9］設計了基于 PLC的智能路燈系統，其載波通信基于原有的電力線網絡，結合路由中繼轉發和GPRS網絡技術，實現路燈的照明控制。文獻［10］設計了基于GPRS與Zig?Bee無線組網的節能路燈系統，以AVR單片機為控制器，實時監測環境，以便自動調節路燈亮度。文獻［11］設計了基于LED的校園照明節能系統，通過LED日光燈替換傳統的熒光燈和校園路燈，達到高效、節能的目標。

基于園區路燈控制的實際需求，本文設計了一種基于物聯網的園區智慧路燈系統，系統利用SI4463無線網絡傳感技術，進行路燈環境數據的收發，通過ARM平臺實時顯示，利用TCP/IP技術實現跨平臺通信。通過照明系統的智能化管理，實現降低成本與節能減排。

2 系統硬件設計

基于物聯網的園區智慧路燈系統的硬件架構如圖1所示，由傳感器子節點、協調器節點和ARM平臺組成。

終端節點由HC-SR501人體紅外感應模塊和光敏傳感器實現數據采集。

協調器節點通過串口與ARM板通信，并通過SI4463無線模塊與子節點通信。

通過AM3359開發板的QT界面負責環境數據的實時顯示，以及控制命令的下發，實現了人機交互。

圖1 系統硬件框架圖

3 系統軟件設計

系統的軟件設計包含三個方面：一是數據采集子系統的設計；二是數據管理子系統的設計；三是Web遠程監控平臺的設計。

3.1 數據采集子系統的軟件設計

ZigBee的通信速率低，穿透和繞射能力差，它的協議棧包含大量的容錯措施，過于復雜，代碼量大［12～14］。針對這些問題，系統采用SI4463高性能低功耗射頻收發器，SI4463極限通信距離為1500m，輸出功率20dBm，增大覆蓋無線網絡節點面積。

運行在ARM平臺的程序通過串口獲取SI4463無線傳感模塊傳輸的環境數據。考慮到網絡傳輸異常情況，系統移植Sqlite數據庫做數據緩存，實現向服務器的數據上報［15］。

3.2 數據管理子系統的軟件設計

數據管理子系統采用C/S架構，利用TCP/IP下的套接字技術和多線程技術實現嵌入式ARM平臺和遠程數據管理中心的跨平臺通信。

客戶端采用Sqlite數據庫，服務器端采用MySQL數據庫。遠程數據管理中心通過Web監控程序收集相關的數據和控制指令，協調器節點利用自組網路由算法匯聚子節點發送的數據，傳遞給ARM平臺，服務器通過TCP/IP獲取ARM平臺發送的數據，使用MySQL對數據進行存儲和管理。

基于物聯網園區路燈系統的控制策略為：通過一個光敏傳感器感知園區環境亮度，和“系統時鐘”共同確定是白晝還是黑夜；當黑夜時，通過人體紅外感應5m內是否有人經過，如果有人通過，則開啟該節點路燈，若路人一直在，保持路燈常亮，當路人離開感應范圍，時延10s后路燈熄滅。此時，通過另一個光敏傳感器感知燈光的光照強度，將測量的數據與正常路燈閾值比較，從而判斷此節點是否損壞。

3.3 Web遠程監控平臺的設計

遠程監控平臺采用B/S架構，實現內網和外網的結合，支持PC、手機等不同終端在任意地點通過網絡登錄遠程監控平臺。用戶通過遠程的監控界面下發相應的控制參數后，通過Web服務器調用對應的CGI程序來解釋監控頁面的信息。

系統的遠程控制界面通過POST方法向CGI程序提供數據，這種方式支持復雜的數據傳輸，數據不會暴露在瀏覽器地址欄中。

4 節點間的自組網路由算法設計

對于系統而言，要保證節點間數據傳輸穩定，需要減少延遲，通過網絡的路由查找選擇最佳路徑。樹型路由算法不需要復雜的路由表，數據傳輸時響應速度也快，但是路由效率很低。動態源路由算法將路由長度作為路由存儲的唯一度量參數，未考慮路由時效性，消耗額外的接口排隊時間和帶寬。而自組網路由算法，它僅需要父兄節點或者子節點維護一個路由表，消耗一定存儲空間，但是能達到最優路由效果。

在傳感器與協調器間按照網絡協議進行數據傳輸，這個過程中涉及網絡地址的分配。網絡中每加入一個節點，將會分配一個地址，它的地址分配如式（1）所示：

此公式中AK為分配的網絡地址，AP為父節點的網絡地址，Cskip（d）為網絡深度地址偏移量，k為父節點的第k個子節點，Rm為父節點所能掛載最大路由節點數。在進行路由時，路由節點可以通過式（2）判斷目的節點是否是它的孩子節點。

公式中LA為路由節點的ID，DA為目的節點ID，Cm為節點掛接子節點總數。

在發送數據時，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點，然后查詢子節點路由表，若找到則把數據直接發送目的節點，沒有找到則使用式（3）算出下一跳地址NA，把數據發送給它。再次使用式（2）進行判斷，直至找到最終的目的節點。若不符合要求，則說明目的節點是它的兄弟節點或者父節點，然后通過查詢兄弟節點路由表和父節點路由表，找到則將數據發送目的ID，反之將數據發送給它分配過ID的父節點，再使用式（2）進行判斷，直到將最終數據發給目的節點為止。

圖2 算法流程圖

系統路由算法流程圖如圖2所示。

5 系統測試與分析

通過兩盞85W的節能燈模擬路燈光源，如圖3所示。每個路燈節點對應一個節點控制器，其中包含光敏傳感器、人體紅外傳感器等。

系統啟動后，各節點每隔十分鐘自動選擇一條路徑向協調器發送數據，協調器收集后發送至ARM板，經過處理上傳服務器，用戶通過7英寸觸摸屏近端控制，通過PC/手機訪問瀏覽器來進行遠端控制，遠程監控界面如圖4所示。

圖3 園區智慧路燈系統實物測試

圖4 遠程監控界面

5.1 通信測試

SI4463無線模塊與子節點的通信是整個系統的關鍵部分，它的性能影響著數據的管理和遠程的顯示。該通信測試分為兩個部分，一是數據傳輸的距離測試；二是數據傳輸過程中的丟包率測試，節點數據的初始發送量均為1000。在距離測試中，以100m的間隔逐次遞增。由表1可知當距離在350m內，傳輸正常；距離在450m內信號不穩定，超過550m丟失信號。由結果可知傳感節點在350m內的園區環境正確傳輸，能滿足路燈系統的實際需求。

表1 SI4463無線模塊與子節點的通信測試

5.2 系統功能測試

系統的功能測試，如表2所示，包括四項性能指標：模式選擇、遠程監控、智能監測和節能控制。遠程監控界面如圖4所示，可以查詢相關參數，控制路燈的開關閉合狀態和精密控制亮度變化。通過環境亮度與系統時鐘共同確定園區是白晝或者黑夜，紅外感應是否有人經過；設置正常路燈閾值，當光照度小于閾值時，初步判斷路燈故障，自動上傳當前子節點地址，確定路燈位置。

表2 系統功能測試

根據測試結果與傳統路燈系統進行比較，如表3所示，從四個方面進行了對比，包括故障排查、能耗、使用壽命和數據傳輸。物聯網園區智慧路燈系統根據是否有人經過，按需照明，節約能源；根據光照度參數的變化，來自動報修故障路燈。它通過這兩部分實現智慧的理念。

表3 傳統路燈系統與物聯網路燈系統對比

6 結語

本文采用無線通信、數據庫、Linux、Qt設計、TCP/IP等多種技術［16］，設計了一種基于物聯網的園區智慧路燈系統。測試結果表明，系統能夠有效地遠程實時監控園區路燈，方便故障路燈維修，并且根據場景的不同自動開關，有效節省電能。系統具有較好的安全性和穩定性，具有一定的實用價值。