基于北斗定位的區域路燈故障監測系統

劉亞樓 鄭意如 周俊 肖運昌

摘要：在城市或鄉村等生活區域，路燈作為夜間照明系統，其分布和應用較為廣泛。該類路燈工作常會因為電路故障而出現類似閃爍、過亮、低亮、不亮等異常問題，針對該情況，本課題設計一種基于北斗定位的區域路燈故障即時監測系統，可通過手機APP端對路燈的實時狀態進行持續測控。

關鍵詞：北斗定位系統;信息傳遞;故障分析

概述

路燈是人們晚間戶外活動區域很好的照明系統，由于路燈故障監測設備和及時反應機制的缺乏，故障路燈的報修工作通常必須由人來完成。在某些偏遠鄉村、山區或交通不暢通地帶，一旦路燈發生故障，維護人員很難遠程弄清其故障狀態及位置，這給檢修人員的及時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測系統來對生活區域中的多個路燈工作情況進行即時監測，該系統供電由路燈電源提供為主，輔以太陽能電池，結合北斗導航系統對各個路燈進行精確定位，進一步通過手機APP端接收和處理各區域路燈的即時檢測信息。該北斗定位和智能檢測綜合系統可對區域中多路燈實施精確管理，彌補生活區域中路燈出現故障不能即時發現并檢修的缺陷。

1、系統結構

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

APP主要是對路燈故障分析及信息位置傳遞結果的顯示，當檢測到路燈正常或者異常時，經過處理器對信號的處理，通過GPRS模塊將傳遞信息給手機端，界面會將準確顯示故障分析結果，位置信息以及檢修提示等，內容齊全簡潔，操作方便，可以在手機或者電腦上應用。具體系統原理框圖如圖1所示。

其中電源電路是系統硬件關鍵組成部分，為實現桿塔運行狀態監測系統的穩定運行，考慮到供電的不穩定性，在電源設計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，這些特點使該系統能夠較好地滿足桿塔運行狀態的監測需求;考慮到北斗與GPRS 通信模塊為監測系統的主要功耗來源，為滿足硬件系統對于功耗的較高要求，電源電路采用供電設備及模塊不工作時關閉的控制方式;北斗模塊屬于系統的核心組件，為精確監測桿塔的方位參數，系統選定北斗GPS雙模定位技術，用以實現厘米級運行狀態測量[1]。

2、路燈監測裝置

路燈故障檢測裝置為并發系統，在檢測過程中需要準確檢測發生故障路燈的位置。考慮到多個路燈同時發生故障的可能性，此時返回信號有多個，因此系統信號在路燈故障檢測與路燈設備及傳輸線路之間作并行傳輸[2]。

檢測系統主要采用光照傳感器。光照傳感器采用熱點效應原理，其感應原件與相機的感光矩陣類似，內部有繞線電鍍式多接點熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層，熱接點在感應面上，而冷結點則位于機體內，冷熱接點產生溫差電勢。在線性范圍內，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，根據可見光照度大小轉換成電信號，再傳至傳感器處理系統，從而輸出信息。

為了減小溫度影響，系統所選的光照強度傳感器還增選溫度補償線路，這樣可在較大程度上提高光照強度傳感器的靈敏度和探測能力。由于其采用的先進光電轉換模塊和對弱光性有較高反應的探測感光元件，該器件可用于檢測路燈的光亮度情況，將光照強度值轉化為電壓值，再經放大電路和內部調理電路的共同作用，將此電壓值轉換為所需的輸出電信號。除此，高精度光照強度傳感器體積小巧，IP65防護等級傳感器設計結實、耐腐蝕響應速度快，小于1秒時可選用電壓或電流輸出，電流輸出在長纜線傳輸時無信號衰減，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，因此非常適合對路燈亮度情況的監測。

路燈監測裝置對于監測光強的標準包括：當路燈光強大于89Lux，傳感器輸出對應的電壓值，經過STM32F103微處理器處理以過亮信號輸出;光強在20Lux～89Lux范圍內，系統輸出正常信號;光強小于20Lux，系統輸出低亮度信號;當傳感器輸出間斷電壓或無輸出電壓時，系統將對應輸出閃爍信號和不亮兩種狀態。

此外，采用溫濕度傳感器模塊來檢測路燈故障。當路燈體內的溫度和濕度達到路燈設計上限值時，MCU可強制電源供電斷路，從而達到保護燈具的效果;如系統由于溫濕度發生故障時，微處理器將該信息附于采集到的故障數據傳遞至APP，供維修人員參考。設計上，系統采用OLED顯示屏，它比LCD更輕薄、亮度高、功耗低、響應快、清晰度高、柔性好、發光效率高，可將光照強度傳感器和溫濕度傳感器檢測到的數據實時顯示，從而滿足對顯示技術的所有需求[3]。

3、路燈精準定位

北斗定位是基于北斗衛星導航系統實現的定位技術。北斗衛星導航系統是中國自行研制的全球衛星定位與通信系統，可全天候、全天時的為各類用戶提供高精度和可靠的定位、導航、授時及短報文通信服務[4]。基于北斗的路燈精準定位，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，但為了保證定位結果的高精度，避免可能引起定位誤差的星時鐘誤差、衛星星歷誤差、電離層延時誤差、對流層延時誤差、接收機多路徑效應以及接收機噪聲等。系統采用以北斗為主、GPS為輔的雙模定位技術[5，6]，GPS是在美國海軍導航衛星系統的基礎上發展起來的無線電導航定位系統，具有全能性、全球性、全天候、連續性和實時性的導航、定位和定時功能，是第一個成熟的、可供全民使用的全球定位系統。這兩種定位方式擁有比較高的準確度和可靠性，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;包括接收衛星定位數據信息，并根據衛星定位數據信息讀取北斗GPS雙模定位終端與定位衛星之間的配合，計算出北斗GPS雙模定位終端的精確坐標，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終端實時監測

APP路燈監測界面設計：將系列區域路燈以矩陣形式在APP上顯示，每個小區域被包括在一個集合里面，不同的同等集合組成一個更大的集合，以A市為例，其集合包括B區、B區和D縣等子集合;而B區包括E街道、F街道、G街道等多個子集合，將E街道所有的路燈都歸于E街道集合。

路燈故障分析處理：當路燈相關信息經微處理器分析后，通過GPRS模塊將分析信息結果傳遞給APP端。路燈狀態與指示燈的對照關系如表1所示，該表中部分狀態可以組合，如路燈不斷閃爍且亮度處于低亮狀態時，APP中對應路燈信號將顯示為不斷閃爍黃燈進行報警。當對應色彩的燈光亮起時，可及時辨別故障類型，并對故障類型可能存在的原因進行分析，最后給出相關檢修材料建議。只有當故障燈被維修好之后路燈信號燈的顏色才會正常顯示為綠色，整個過程均可進行實時顯示和監測。

故障路燈實時定位：將APP和高德、百度等地圖軟件相結合，當路燈出現故障時，會提示出現異常狀況的具體街道和區域，再通過點擊區域，詳細顯示異常顏色的路燈位置。將APP授權于百度、高德等地圖軟件后，系統可直接跳至地圖界面，且地圖界面自動生成路燈地圖類型，故障路燈的位置將會精準、具體的顯示在地圖上，進一步可根據此時所處位置給出最佳導航路線。

故障提醒及處理：當APP端路燈信號顯示為綠色時，無需進行任何提醒;其余異常狀況，系統均會觸發震動提醒，直到用戶進行確認之后停止，但燈的顏色不改變，僅當維修人員將路燈修好后，經路燈故障監測系統處理分析達到正常要求時，信號燈顏色才會正常顯示;如路燈未維修超過三天，APP將會進行語音提醒;故障提醒會記錄在APP消息板塊中，每次提醒和其它關于APP的消息都會記錄以供隨時尋找;APP有單獨的故障處理界面，該界面能夠顯示未處理故障路燈的所處狀態。

APP區域和地圖設置：APP需要手機進行定位權限設置，授權后可根據定位信息確定并顯示當前區域路燈的分布情況;地圖設置包括實時和離線兩種類型，實時地圖可在網絡條件下更新區域路燈分布情況;而離線地圖則在下載當前區域路燈分布情況下進行查詢。

結論

本文主要對城市或鄉村等生活區域中路燈工作情況的實時監測和處理服務系統過程作簡單描述和分析。該基于北斗定位的區域路燈故障即時監測系統組成簡單、功能強大，集成手機APP顯示和控制簡單等特點，對現實的應用和操作過程具有重要的指導意義。

參考文獻：

[1] 黃紅兵，張辰，劉俊毅，章毅，鐘一俊.基于北斗定位技術的輸電桿塔運行狀態監測研究與應用[P].數字通信世界，2018，05：51-53.

[2] 嚴兵，宋文，蔣忠遠.基于增廣自控網的路燈故障檢測系統[J].系統仿真學報，2007，19（1）：171-174.

[3] 袁學松，張靜. 基于北斗的LED路燈故障檢測與報警系統設計[J].宿州學院學報，2016，31（5）：100-103.

[4] 劉基余.北斗衛星導航系統的現況與發展[J].遙測遙控，2013，34（3）：1-8.

[5]寧津生，姚宜斌，張小紅.全球導航衛星系統發展綜述[J].導航定位學報，2013，1（01）：3-8.

[6] 謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業出版社，2017.