基于互聯(lián)網(wǎng)和WSN節(jié)點(diǎn)技術(shù)校園智能照明管理系統(tǒng)

嚴(yán)一踔 谷龍強(qiáng) 丘軍意 尚亞強(qiáng) 陳明霞

摘 ?要：在過去的十多年中，校園照明能源消耗浪費(fèi)的情況較為普遍而且照明系統(tǒng)不便統(tǒng)一管理，維修護(hù)理工作也較為煩瑣，由此設(shè)計(jì)出一套以LED為集成，協(xié)同控制為目標(biāo)的校園LED智能照明系統(tǒng)。利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）、自供電節(jié)點(diǎn)以及LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)，研發(fā)了一種以互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的校園智能照明管理系統(tǒng)，提供了低成本、節(jié)能的智能照明方案。

關(guān)鍵詞：WSN節(jié)點(diǎn)技術(shù);智能照明;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN929.5 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）05-0172-04

Campus Intelligent Lighting Management System Based on Internet and

WSN Node Technology

YAN Yichuo， GU Longqiang， QIU Junyi， SHANG Yaqiang， CHEN Mingxia

（College of Mechanical and Control Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541006， China）

Abstract： In the past ten years， the energy consumption and waste of campus lighting is common， and the lighting system is inconvenient to be managed uniformly， and the maintenance and nursing work is also cumbersome. Therefore， a set of campus LED intelligent lighting system with LED as integration and collaborative control as the goal is designed. Using Wireless Sensor Network （WSN）， self powered node and LED driving technology， a campus intelligent lighting management system based on Internet and wireless sensor network technology is developed， which provides a low-cost and energy-saving intelligent lighting scheme.

Keywords： WSN node technology; intelligent lighting; Internet of Things technology

0 ?引 ?言

近年來(lái)綠色照明已成為世界各國(guó)推動(dòng)節(jié)能減排、減緩氣候變化的有效途徑和重要手段。對(duì)于學(xué)校管理來(lái)說(shuō)，良好的校園照明可以提高設(shè)備的利用率，同時(shí)對(duì)校園安全也有著積極的意義，因此校園照明對(duì)塑造學(xué)校的整體學(xué)習(xí)環(huán)境起著非常重要的作用。

智能照明管理系統(tǒng)是集供電技術(shù)、傳感器測(cè)量、照明等功能于一體的綜合性系統(tǒng)，其主要技術(shù)難點(diǎn)在于電源容量。為提高傳感器測(cè)量效果，WSN各節(jié)點(diǎn)將會(huì)密集分布在工作區(qū)域。因此在節(jié)點(diǎn)的電能儲(chǔ)存能力受限的前提下，本研究采用了自供電技術(shù)以保持節(jié)點(diǎn)在線，且基于（WSN）技術(shù)和LED驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，借助互聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)，來(lái)保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集工作和燈光控制的穩(wěn)定，達(dá)到校園環(huán)境設(shè)計(jì)的基本要求，提供了一種低成本、節(jié)能的智能照明方案。

1 ?系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

校園智能照明管理系統(tǒng)由控制核心模塊、光敏傳感器模塊、LED控制驅(qū)動(dòng)模塊、Wi-Fi模塊、太陽(yáng)能自供電模塊組成。此設(shè)計(jì)以WSN為系統(tǒng)框架，基于CC2530芯片所接收的傳感器數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)LED工作狀態(tài)，通過ZigBee通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感收發(fā)信號(hào)，主要光敏器件能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控光照強(qiáng)度，然后通過無(wú)線傳感的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行闹校肳i-Fi模塊連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)并通過手機(jī)APP或電腦端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

本系統(tǒng)中WSN節(jié)點(diǎn)采用的是光伏自供電，即使用太陽(yáng)能板將光能轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存在光伏電池中，利用電池為照明節(jié)點(diǎn)供電。這樣可以有效解決傳統(tǒng)WSN節(jié)點(diǎn)中因單個(gè)電源而引起的能量不足的問題，為校園智能照明管理系統(tǒng)提供了實(shí)驗(yàn)支撐。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要部分可劃分為主控模塊、傳感器模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊以及節(jié)點(diǎn)自供電模[1]塊。在硬件設(shè)計(jì)方面追求整體控制思路清晰，控制過程簡(jiǎn)練高效。綜合對(duì)比市面上常用的各種控制硬件設(shè)備后，根據(jù)設(shè)備功能、價(jià)格、能耗、可靠性等方面特點(diǎn)選定了本系統(tǒng)所用硬件型號(hào)。

（1）主控模塊。選擇STM32F103系列以及cc2530（ZigBee）[2]作為主要控制芯片。ZigBee是一種低成本，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。其中cc2530是一個(gè)兼容IEEE802.15.4的真正的片上系統(tǒng)，支持專有的802.15.4市場(chǎng)以及ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標(biāo)準(zhǔn)。具有功耗低且兼容性強(qiáng)大的特點(diǎn)，且配置多通道ADC采樣以及脈寬調(diào)制輸出，在滿足本系統(tǒng)需求的同時(shí)也蘊(yùn)含著豐富的拓展空間[3]。其中cc2530在表1條件下運(yùn)行能達(dá)到最佳的效果。

（2）傳感器模塊。選擇霍爾MH-Sensor-Series系列光敏傳感器，該模塊包含模擬量輸出（AO）和電平輸出（TTL）模式，其中模擬量輸出基于傳感器中光敏電阻的阻值根據(jù)光通量的大小而改變的原理，令電流與光強(qiáng)構(gòu)成函數(shù)關(guān)系，在本系統(tǒng)中能憑借10位采樣精度準(zhǔn)確獲取當(dāng)前光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

（3）LED驅(qū)動(dòng)模塊。LED驅(qū)動(dòng)模塊選擇YL-78板子來(lái)驅(qū)動(dòng)照明運(yùn)行。由于單個(gè)LED功率有限，因此系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通常需要借助LED驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED以滿足照明需求。模塊采用直流電作為控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)正向電壓大于導(dǎo)通電壓后，可視為正向壓降與正向電流成正比關(guān)系，系統(tǒng)即可通過恒流電源來(lái)控制正向電流大小。

（4）Wi-Fi模塊。ESP8266 Wi-Fi模塊作為可以進(jìn)行Wi-Fi傳輸?shù)哪K集成了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，帶有16位精簡(jiǎn)模式，主頻可達(dá)160 MHz。本研究中選擇該芯片來(lái)作為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的一個(gè)客戶端，在設(shè)備接入無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)后，將當(dāng)前傳感器采集的數(shù)據(jù)以及照明系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息通過MQTT協(xié)議發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以便于管理員通過手機(jī)應(yīng)用或電腦實(shí)時(shí)查看信息，并控制照明系統(tǒng)的運(yùn)行。圖2為ESP8266在系統(tǒng)中工作過程。

（5）節(jié)點(diǎn)自供電模塊。由于部分成本較低的鉛酸蓄電池對(duì)環(huán)境有較大污染，且不能維持WSN節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)容易出現(xiàn)電池性能下降導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)掉線的情況。因此本系統(tǒng)采用質(zhì)量更穩(wěn)定的聚合物鋰電池作為供電，其在溫度升高的情況下也能維持輸出功率基本不變，符合校園智能照明的需求。控制單元通過檢測(cè)光伏蓄電池充電電流來(lái)判斷當(dāng)前光照條件，通過檢測(cè)電池的電壓和超級(jí)電容的電壓來(lái)判斷儲(chǔ)能模塊剩余能量情況，并結(jié)合光照條件和當(dāng)前剩余儲(chǔ)能，遠(yuǎn)程對(duì)能量進(jìn)行管理，同時(shí)控制相應(yīng)開關(guān)進(jìn)行通斷動(dòng)作，以保證智能照明系統(tǒng)在線運(yùn)行。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)選擇

隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，系統(tǒng)的開發(fā)模式日新月異。當(dāng)今構(gòu)造系統(tǒng)已經(jīng)不再需要自行搭建個(gè)人服務(wù)器，轉(zhuǎn)而開始使用例如阿里、騰訊、百度等互聯(lián)網(wǎng)大廠提供的云服務(wù)器，開發(fā)者根據(jù)自身需求選擇適合的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，極大節(jié)省了搭建服務(wù)器的人力、物力成本。由于本系統(tǒng)涉及WSN以及物聯(lián)網(wǎng)的知識(shí)，因此系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)智能照明系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。

手機(jī)端APP控制部分利用阿里官方提供的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)來(lái)作為手機(jī)與硬件系統(tǒng)溝通的媒介，該平臺(tái)針對(duì)智能化設(shè)備連接、移動(dòng)端控制、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等問題，提供了一整套配置化方案，大幅降低了“設(shè)備—云端—APP”的開發(fā)成本。只需在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上將控制臺(tái)需要的實(shí)時(shí)信息、操作模塊等放入模板內(nèi)，并與硬件信息綁定聯(lián)系，就能通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控智能照明系統(tǒng)、獲取當(dāng)前數(shù)據(jù)并控制系統(tǒng)運(yùn)行。

電腦端遠(yuǎn)程控制界面則使用由IBM公司創(chuàng)建的開源物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)Node-RED進(jìn)行開發(fā)，該平臺(tái)提供了多個(gè)系統(tǒng)級(jí)API接口，且支持可視化編程，極大提高了開發(fā)控制面板的效率。在本操作面板中，制作了當(dāng)前光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)、當(dāng)前控制模式以及當(dāng)前LED照明亮度的顯示，自動(dòng)在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)每次接收到客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)后進(jìn)行一次刷新，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、有效性，并加入了一天中光照強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)上電后默認(rèn)為自動(dòng)運(yùn)行模式，當(dāng)光照強(qiáng)度低于設(shè)定值時(shí)，控制芯片cc2530根據(jù)光照強(qiáng)度自動(dòng)改變PWM輸出寬度，從而實(shí)現(xiàn)照明亮度的自動(dòng)控制。當(dāng)按下手動(dòng)模式按鍵時(shí)，上位機(jī)會(huì)通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)向控制模塊發(fā)布指令，將控制模式切換為手動(dòng)，照明亮度不再隨光照強(qiáng)度自動(dòng)改變，而是等待上位機(jī)輸入照明亮度控制的數(shù)值，再將照明亮度改變?yōu)樵O(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程手動(dòng)控制照明系統(tǒng)運(yùn)行。圖3為在電腦端使用Node-RED控制面板測(cè)試智能照明系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

圖3 ?Node-RED控制界面

3.2 ?編程平臺(tái)選擇

為了方便后期對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試、檢查，以及將來(lái)對(duì)系統(tǒng)其他功能的拓展，本系統(tǒng)的控制程序采用集成軟件進(jìn)行開發(fā)。其中本地?cái)?shù)據(jù)采集層的ESP8266程序部分選擇使用c++的ArduinoIDE軟件進(jìn)行編寫，主控程序部分則選用Keil編譯器在線調(diào)試，盡量使系統(tǒng)各部分模塊相互獨(dú)立，充分將軟件編程與硬件屬性相結(jié)合。以下為ESP8266接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)部分代碼：

// 連接物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器并訂閱信息

void connectMQTTserver（）{

// 根據(jù)ESP8266的MAC地址自動(dòng)生成客戶端ID

if （mqttClient.connect（clientId， mqttUserName，

mqttPassword， willTopic，

willQos， willRetain， willMsg， cleanSession）） {

subscribeTopic（）; // 訂閱采集光照強(qiáng)度、運(yùn)行狀態(tài)的主題

} else {

Serial.print（“MQTT Server Connect Failed. Client State：”）;

Serial.println（mqttClient.state（））; ?//若訂閱失敗，通過串口返回信息

delay（5000）;

}

}

//光敏傳感器采集數(shù)據(jù)、發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

void sensor（）{

float data = 0;

float PWM_data=0;

char output[5];

char PWM_zt[5];

sensorValue = analogRead（analogInPin）; ?//讀取當(dāng)前光照強(qiáng)度0至1023數(shù)值

data = 100-（sensorValue/10.23）; ?//將光強(qiáng)數(shù)據(jù)換算為0至100數(shù)值

dtostrf（data，2，0，output）;

mqttClient.publish（sensorTopic， output）; //數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化并發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

delay（1000）;

PWM_data=dutyCycle/10.23; ?//將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為PWM輸出脈寬

dtostrf（PWM_data，3，0，PWM_zt）; ?//根據(jù)光照強(qiáng)度自動(dòng)改變照明亮度

mqttClient.publish（PWMztTopic， PWM_zt）; ?//將照明狀態(tài)發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

delay（1000）;

}

3.3 ?控制過程原理

系統(tǒng)上電后開始初始化，同時(shí)STM32開始通過串口與cc2530連接，ESP8266啟動(dòng)并根據(jù)預(yù)存信息尋找無(wú)線局域網(wǎng)進(jìn)行接入，接通網(wǎng)絡(luò)后開始憑客戶端ID、密鑰連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并訂閱受管理員手機(jī)電腦控制的相關(guān)主題，同時(shí)等待來(lái)自STM32F103的JSON數(shù)據(jù)包。照明系統(tǒng)的控制從管理員的角度可分為收發(fā)數(shù)據(jù)兩部分：

接收數(shù)據(jù)部分即為cc2530芯片讀取當(dāng)前LED工作狀態(tài)以及光敏傳感器實(shí)時(shí)采集到的光照強(qiáng)度數(shù)值，并利用STM32將數(shù)據(jù)打包為JSON格式，再通過串口發(fā)送至Wi-Fi模塊，然后ESP8266芯片調(diào)用內(nèi)部的Arduino-json庫(kù)函數(shù)對(duì)接收到的JSON格式數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析并通過MQTT協(xié)議發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的個(gè)人主題中，管理員便可在手機(jī)端APP及電腦網(wǎng)頁(yè)中訂閱對(duì)應(yīng)的主題以查看采集到的數(shù)據(jù)。

發(fā)送數(shù)據(jù)部分即為管理員通過手機(jī)或電腦端的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)控制面板對(duì)照明系統(tǒng)下達(dá)控制指令后，指令透過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)布到Wi-Fi模塊[4]上，Wi-Fi模塊的ESP8266芯片再通過串口通信下級(jí)發(fā)送控制數(shù)據(jù)，經(jīng)過cc2530后實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的工作控制。

另外，本系統(tǒng)在程序中設(shè)置了手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式，在自動(dòng)控制模式下當(dāng)光照強(qiáng)度偏離人為設(shè)定范圍時(shí)便能自動(dòng)啟停LED[5]照明并隨外界光照強(qiáng)度變化而改變工作亮度，而手動(dòng)模式則可以通過人為改變cc2530芯片輸出的PWM數(shù)值來(lái)控制照明亮度。

4 ?結(jié) ?論

校園智能照明管理系統(tǒng)通過對(duì)WSN以及LED驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究和開發(fā)，利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)技術(shù)研發(fā)了一種較為合理、經(jīng)濟(jì)、有效、適用性強(qiáng)的實(shí)現(xiàn)方式。光伏自供電系統(tǒng)有效的解決了校園照明中的能源問題，WSN無(wú)線傳感技術(shù)能根據(jù)光照強(qiáng)度的實(shí)際變化讓路燈照明更加智能化、節(jié)能化。二者的有機(jī)結(jié)合，滿足了校園實(shí)際的需求，能實(shí)現(xiàn)校園照明系統(tǒng)的信息化、智能化管理，同時(shí)大幅度的減少了學(xué)校在照明系統(tǒng)方面的能源消耗，降低了人工維護(hù)與檢修的成本，符合“智能化、節(jié)約化”的環(huán)保理念，該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。相信伴隨著科學(xué)的進(jìn)步，WSN將會(huì)在校園智能照明方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

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作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)一踔（2000—），男，漢族，廣西蒼梧人，本科在讀，研究方向：自動(dòng)化;谷龍強(qiáng)（2000—），男，漢族，安徽阜陽(yáng)人，本科在讀，研究方向：自動(dòng)化;丘軍意（2001—），男，漢族，廣西陸川人，本科在讀，研究方向：自動(dòng)化;尚亞強(qiáng)（2000—），男，漢族，河南洛陽(yáng)人，本科在讀，研究方向：自動(dòng)化;通訊作者：陳明霞（1971—），女，漢族，廣西恭城人，教授級(jí)高級(jí)工程師，本科，研究方向：裝備自動(dòng)化技術(shù)、過程控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制。