基于物聯(lián)網(wǎng)的城市路燈控制系統(tǒng)

李育博 王帥帥

（西藏民族大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西 咸陽 712082）

隨著夜間照明系統(tǒng)及各種景觀設(shè)施不斷地發(fā)展，以往的人工排查設(shè)施及維護(hù)對相關(guān)部門是一筆耗時(shí)耗力的工作，缺乏有效的及時(shí)的預(yù)報(bào)故障排查機(jī)制，給相關(guān)部門造成了極大的經(jīng)濟(jì)支出［1］。目前，隨著智慧路燈控制的不斷發(fā)展和更高效的智能端控制，既降低了成本也促進(jìn)了節(jié)能減排。本文旨在設(shè)計(jì)一種新型的智能路燈管理系統(tǒng)。與目前市場上的傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)相比，該智慧路燈管理系統(tǒng)更符合現(xiàn)在城市需求，能源轉(zhuǎn)化率更高，也更符合我國基本綠色減排的基本國情［2］。

傳統(tǒng)的路燈模式已經(jīng)經(jīng)歷了二十余年的發(fā)展。從控制技術(shù)的角度來看，它經(jīng)歷了定時(shí)控制，緯度和經(jīng)度時(shí)間控制，照明控制，燈光控制和時(shí)間控制的組合。從各個(gè)方面來看，它已經(jīng)經(jīng)歷了本地控制和路燈環(huán)路監(jiān)控兩個(gè)階段，并且正在朝著單燈遠(yuǎn)程監(jiān)控的方向發(fā)展。在國外一些發(fā)達(dá)城市，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對成熟，高新技術(shù)的應(yīng)用更加完善。例如，圣地亞哥市2018年宣布，它將建立全球最大的智慧城市物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并采用通用電氣公司（GE）開發(fā)的CityIQ 解決方案，以改善城市街道的停車、交通和公共安全。現(xiàn)在我國“智慧城市”的建設(shè)發(fā)展迅速，越來越多的城市開啟了“老城改造，新城建立智慧城市”的方案［3］。

城市路燈監(jiān)控管理的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)單燈級(jí)別的遠(yuǎn)程智能控制，定點(diǎn)單燈排障，這就需要龐大計(jì)算量的支持，以及更加節(jié)能的傳輸方式，才能實(shí)現(xiàn)地區(qū)級(jí)別的全面調(diào)度和能源分配。智能路燈控制系統(tǒng)的普及不僅可以在改變路燈管理方式，減少人員投入，提高服務(wù)效率方面發(fā)揮根本作用，而且可以極大地促進(jìn)城市夜景的建設(shè)［4］，更重要的是貫徹了我國綠色生態(tài)、節(jié)能減排的具體要求。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的城市路燈控制系統(tǒng)整體框架

1.1 整體框架

基于STC89C52 的智能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成的。該項(xiàng)目分為四層：應(yīng)用層、平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。該項(xiàng)目的各層功能作用如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

如圖所示各層之間的作用。

感知層：傳感器終端節(jié)點(diǎn)主要收集各種數(shù)據(jù)，將收集到的數(shù)據(jù)以簡單的封裝發(fā)送，接收數(shù)據(jù)并以此控制路燈狀態(tài)等功能；

網(wǎng)絡(luò)層：WiFi主要使用tcp/ip網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，與平臺(tái)層通信，并通過串行端口與協(xié)調(diào)器通信［5］。通過無線模塊ESP8266與終端通信；

在平臺(tái)層：構(gòu)建一個(gè)云服務(wù)器平臺(tái)，用來接收Web端發(fā)送的消息和WiFi上傳的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)處理；然后將其發(fā)送給客戶端；

應(yīng)用程序?qū)樱篜C 端和Android 端通過指定的IP 訪問Web，并查看各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制路燈的狀態(tài)［6］。

1.2 功能模塊設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧路燈控制系統(tǒng)的控制模塊的功能設(shè)計(jì)主要分為兩點(diǎn)：

1.2.1 自動(dòng)模式下，根據(jù)時(shí)鐘開關(guān)，在固定的時(shí)間段內(nèi)開啟和關(guān)閉路燈，根據(jù)夏天晝長夜短，冬天晝短夜長，也可以根據(jù)環(huán)境變化，比如雨雪天氣溫濕度過大，亦或者PM2.5 值數(shù)過高，空氣質(zhì)量指數(shù)過差，行人出行數(shù)量過少，適當(dāng)?shù)母鶕?jù)4 個(gè)檔位調(diào)節(jié)降低路燈的亮度和路燈打開的個(gè)數(shù)。或者根據(jù)光敏傳感器來測定夜晚是否有行人車輛來調(diào)節(jié)燈的亮度或者定時(shí)開關(guān)以此來達(dá)到綠色節(jié)能的目的。

1.2.2 手動(dòng)模式下，可以自由設(shè)置路燈的亮滅時(shí)間，也可以根據(jù)環(huán)境光的強(qiáng)弱，夜晚是否有行人車輛來調(diào)節(jié)燈的亮度共有4個(gè)檔位調(diào)節(jié)。按照功能劃分為五個(gè)模塊，分別是：數(shù)據(jù)采集模塊、終端節(jié)點(diǎn)模塊、網(wǎng)關(guān)模塊、云服務(wù)器模塊、web界面顯示模塊。

圖2 功能模塊劃分圖

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的城市路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)由路燈節(jié)點(diǎn)模塊和網(wǎng)關(guān)模塊組成，路燈節(jié)點(diǎn)主要由以STC89C520 單片機(jī)、以及各種傳感器構(gòu)成；網(wǎng)關(guān)模塊是由ESP8266 模塊構(gòu)成。各個(gè)模塊相互鏈接、互相作用，傳感器收集數(shù)據(jù)，將其數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)接收到返回的數(shù)據(jù)后，對整體的設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行處理和相應(yīng)操作［7］。

圖3 硬件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，將項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)分為四層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。

在感知層中，溫濕度傳感器檢測路燈附近溫濕度并通過在單片機(jī)中處理打包后發(fā)送到串口通過網(wǎng)關(guān)模塊透傳功能發(fā)送給云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)云端和終端的通信［8］。

在網(wǎng)絡(luò)層，用ESP8266 模塊作為終端和服務(wù)器的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，把數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳到云端服務(wù)器［9］。

在平臺(tái)層中，是WEB 和服務(wù)器之間的通信(共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn))，平臺(tái)層服務(wù)器基于TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)和終端網(wǎng)關(guān)的通信［10］。

在應(yīng)用層中，用戶可通過訪問相應(yīng)網(wǎng)址更改路燈工作狀態(tài)和工作模式，可以再LCD 顯示屏顯示設(shè)置的開關(guān)燈時(shí)間。路燈總體流程如圖4所示。

圖4 路燈系統(tǒng)流程圖

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的城市路燈控制系統(tǒng)測試

3.1 軟件系統(tǒng)測試

3.1.1 web界面顯示測試。Web終端界面顯示可以實(shí)時(shí)的顯示路燈狀態(tài)，環(huán)境質(zhì)量，測試條件、目的及效果如表1所示。

表1 web界面顯示測試用例

3.1.2 路燈狀態(tài)測試。路燈狀態(tài)測試包括自動(dòng)模式下的路燈狀態(tài)測試如表2 所示，手動(dòng)模式下的路燈測試如表3所示。

表2 自動(dòng)模式下路燈狀態(tài)測試用例

表3 手動(dòng)模式下路燈狀態(tài)測試用例

4 結(jié)論

在整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中，單控?zé)艄獾竭h(yuǎn)程控制到各種傳感器在web 端實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)成就感十足，本次智慧路燈方案主要完成實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)功能：

智能開關(guān)：每盞路燈獨(dú)立控制，可根據(jù)需要調(diào)整時(shí)間亮滅，減少能源消耗；

城市環(huán)境數(shù)據(jù)感知：空氣溫濕度，有害氣體濃度等信息采集,實(shí)施反饋到終端；

根據(jù)檢測出的有害氣體和溫濕度數(shù)據(jù)來控制路燈的亮滅和照射強(qiáng)度，比如下雨天、霧霾天氣行人出行少，可根據(jù)實(shí)施檢測來適當(dāng)?shù)慕档土炼龋?/p>

終端接收到數(shù)據(jù)并分析從而控制燈的亮滅和時(shí)間；

網(wǎng)關(guān)能夠把實(shí)時(shí)的將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；

可視化的web 界面，用戶可以遠(yuǎn)程調(diào)控，隨時(shí)查看各種數(shù)據(jù)信息；

現(xiàn)在我國正在加快節(jié)奏進(jìn)行“智慧城市”的進(jìn)程，而“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展是進(jìn)行“智慧城市”發(fā)展的一輛快速的載具，“物物相連”的宗旨符合現(xiàn)在我國的發(fā)展理念，更極大的改善了傳統(tǒng)的效率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重等不好的現(xiàn)象。而“智慧路燈”這樣的選擇和模式是“物聯(lián)網(wǎng)”的一個(gè)縮影，也是“智慧城市”的一個(gè)縮影，更是我國能源可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)很大的趨勢，它可通過簡單的控制實(shí)現(xiàn)節(jié)約人力、節(jié)能減排的目的，可獲得極好的經(jīng)濟(jì)效益。每個(gè)城市都缺少不了路燈這樣的“神經(jīng)脈絡(luò)”，也希望該選題可以被大力推廣，可以為節(jié)能減排和智慧城市貢獻(xiàn)自己的綿薄之力。