互聯網與智能路燈的綜合設計

魏　明

(蘇州大學應用技術學院, 江蘇 蘇州　215325)

互聯網與智能路燈的綜合設計

魏明

(蘇州大學應用技術學院, 江蘇 蘇州215325)

摘要：通過對城市路燈的發展和互聯網應用兩個方面的調查和分析，發現兩者能夠相互促進發展。因此，設計了集無線網和智能控制于一體的路燈系統，即在路燈支架上安裝高速無線網WiFi模塊和傳感器，既實現了路燈系統網絡互聯模式下的智能控制，也為其他互聯網應用提供網絡平臺。試驗表明，該系統能夠實現光照度檢測、聲音識別、紅外線人體識別、系統自檢、故障自動報修和一鍵緊急報警等功能。探討了該系統在智能交通領域的應用，由于WiFi網絡分布在各道路兩邊，對“互聯網+”的其他應用開發也起到支撐和推動作用。

關鍵詞：路燈智能控制光照度智能交通車聯網物聯網互聯網+WiFi

0引言

目前，單一功能的延時路燈、人體紅外感應路燈、聲控路燈不能滿足城市道路或高速公路照明的節能化、智能化、系統化控制要求，也難以適應互聯網發展的需求。基于網絡智能管理的路燈系統發展比較緩慢，在一定程度上制約了城市的發展。因此，功能可擴展的集網絡與綜合應用于一體的路燈智能控制終端應運而生[1-2]，其既滿足了路燈智能控制的需要，也解決了城市無線網的支架建設問題；同時，為智能交通、交通治安監視[3-4]、環境監測等物聯網應用提供通信平臺。從經濟性、安全性、穩定性、便捷性、實用性、戰略性出發，提出了安裝于路燈支架的高速WiFi網絡，設計了基于WiFi的智能路燈控制系統，其性能優于文獻[5]的設計。

1智能控制系統設計方案

智能控制系統的設計思路是：對不同位置的路燈，根據實際需要安裝不同功能的控制器。其中，功能較全的控制器作為路燈節點主控模塊，只具有部分功能的控制器作為從模塊。功能較全的主節點控制器采用C8051系列單片機，聲控模塊采用鎖相環芯片LM567抑制環境噪聲干擾，識別特定頻譜人聲；光照度檢測電路采用型號為LXD/GB5-A1ELS的光電傳感器，信號經過放大濾波后送入單片機內部12位模數轉換器。光控模塊、聲控模塊以及按鍵模塊作為信息采集模塊，將環境信息、人機交互信息傳給單片機處理。光控模塊并非一般比較器的邏輯量，而是連續量，只要設置合適的軟件閥值即可控制路燈，使光線設置更加靈活，以應對不同的天氣變化。LED燈模塊具有多路選擇功能，可實現節能的目標。系統監視各道路路燈工作電流，光敏三極管監視各路燈是否被點亮。通過上述兩個參數，即可判斷路燈狀態(短路、點亮、開路)，實現路燈智能自檢功能，并通過網絡將故障信息發送到管理員手機APP上，便于及時維護。系統總體框圖如圖1所示。

高速網絡通過在路燈上安裝高速WiFi路由器來實現。考慮到長遠發展和對實時數據交換的要求，應采用光纖接入方式。根據實際應用需要，當一些路燈節點位置的路由器數據流量小、速率要求不高時，可以通過鄰近路由橋接方式入網，既提高了效率，也降低了成本。

圖1　系統總體框圖

在路燈控制系統的設計方面，增加了無線WiFi模塊，一方面可以通過手機APP實時查看并控制系統，另一方面使得網絡隨處可用，既方便生活，也為車載慣性導航與定位(失去GPS信號時)、車聯網奠定基礎。WiFi組網和管理方式可采用“AC(無線控制器)+胖AP(Fat AP)”的集中控制型組網模式[2]，其相對于文獻[6]采用的GSM方式更具普遍意義。同時，系統預留了人機交互模塊的接口。

只需部分功能的路燈終端控制器采用STC(宏晶)公司的8腳單片機，型號為STC15F104E, 價格為1.5元/片，其成本低廉且性能滿足設計要求。如果要預留擴展，需選用功能齊全的處理器，附帶WiFi模塊、CS9803模塊、驅動電路，即可通過網絡進行資源共享監測參數。

2光照度采集電路

選擇合適的傳感器既簡化了電路的復雜性，又提高了電路的線性度和穩定性。設計方案是：傳感器輸出信號通過運算放大器進行放大、濾波，再經過A/D轉換器量化處理。本文選用型號為LXD/GB5-A1ELS的光敏傳感器實現對光照度的采集。該線性光敏傳感器由樹脂光學濾波片和光電晶體管組成，能夠獲得與人類視覺感度相似的分光感度特性，以降低系統誤判率，使路燈控制更為準確。光照特性用來描述光電流和光照強度之間的關系，靈敏度與光線波長關系如圖2所示。

該型號光敏傳感器工作在可見光范圍內，且光照度強度變化與工作電流呈線性關系，有利于光線采集，與一般光敏電阻相比有著明顯優勢。采用有源低通濾波器電路對傳感器信號進行調理，以提高系統穩定性。以截止頻率fo=10 Hz，設計一個有源二階低通濾波電路，如圖3所示。圖3中，Port5是信號輸出點。

圖2　光照度特性圖

圖3　光照度測量電路圖

二階有源低通濾波器參數計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

根據上述3個公式，通帶內增益Aup=1，濾波器品質因數Q取0.707，參數設計如表1所示。

表1　參數設計對照表

表1中，電阻值為引入參數Ko=1時的值，其單位為kΩ；Ko為引入參數，Ko=100/(foC1)，C1單位為μF，fo的單位為Hz，通常1 ≤Ko≤10。

根據表1，先確定C1=1μF，Ko=100/(foC1)=10，R2=Ko×1.42=14.2kΩ，R3=Ko×5.399=53.99kΩ，R4=0，R5開路，C3=0.33×C2=0.33μF，R6可根據器件數據手冊的光敏特性10～1 000Lux變化，對應電流變化4μA～400μA，再由A/D轉換參考電壓2.5V確定，這里選用5.6kΩ標稱值。根據計算，運放輸出在22.4mV～2.24V之間，符合設計要求。

3熱釋電紅外模塊設計

熱釋電紅外電路芯片選用型號為EG4002，相對于BS0001和CS9803兩個芯片，電路功耗更低、電路簡單、易于集成，紅外人體檢測電路如圖 4所示。

圖4　紅外人體檢測電路圖

圖4中，Q3是熱釋電紅外接收頭，R14是用于光線檢測的光敏電阻；Port2是電路輸出端，將信號送給單片機，RW1用于調整光線參考值。C4～C6、R10～R12組成濾波電路，濾除紅外接收頭Q3的噪聲信號。R15、C7設置輸出延時。

4聲控模塊電路設計

聲控電路容易受到環境噪聲(雷聲、風聲)干擾。為了解決這一問題，可根據話音的持續性和人聲頻譜范圍(一般在82Hz～3.4kHz)進行濾波降噪。先將聲音信號放大，再由鎖相環電路LM567識別聲音頻譜，從而進一步提高電路可靠性；結合人體紅外檢測功能，完全可以消除干擾。在實際應用中，在人員流量較大的路段安裝聲控模塊，無行人路段則無需安裝。

5路燈節點控制器設計

選用C8051F410型號單片機作為控制中心。該單片機內置24路12位模數轉換器(A/D)、雙路12位D/A(數模轉換器)、溫度傳感器，直接5V供電，具有靜態存儲器功能；內部交叉開關及I/O口均可設置成模擬或數字方式，極易擴展各種應用。路燈節點控制系統電路圖如圖5所示。

圖5中，WiFi模塊接收命令通過串口轉送到單片機U4；U2、U3驅動U6(LED燈)。Q2是光電三極管，用于檢測燈的狀態，程序處理時可以結合P1.0、P1.1端口狀態，判斷U2、U3、U6是否正常工作，再將檢測結果通過WiFi送到管理員APP上，即實現路燈工作狀態的智能自檢。當路燈被撞壞，使得單個路燈發生故障時，U2、U3雙路控制， 可以與功率電網斷開，避免整個路燈系統癱瘓。光耦器U7設計在燈具內部，通過PWM(脈寬調制)方式調節燈電流，可實現調光；U2、U3比繼電器體積小，可靠性更高，而且節能。LM567人聲處理電路將信號送到端口Port1。對于太陽能或者風能路燈系統，各路燈終端控制器，增加供電切換功能[7-8]。

圖5　節點控制系統電路圖

另外，在該控制電路中增加濕度傳感器、風速傳感器、氣壓傳感器、PM2.5(指大氣中直徑小于或等于 2.5μm的顆粒物)傳感器等部件，即可用于環境監測，極大地節約了成本。對于需要圖像處理且對實時性要求更高的路段，通信方式及處理器芯片可采用ARM、FPGA、DSP等高速數字信號處理器。根據道路實際情況，全部或間隔地安裝所需的功能控制器，既降低了成本，又能實現智能控制；再通過群體決策[9]，即可實現更為準確的控制。

6供電控制

安全、可靠、穩定是優良系統設計的體現。考慮到當今網絡仍然存在諸多不穩定因素，如各類病毒甚至黑客入侵，因此對于路燈聯網，還需保持謹慎。

區域控制中心采用半自動化方式：網絡遠程斷電與人工操作送電相結合方式，控制若干條干道配電中心；干道線路配電方式采用全自動方式，由多個小型繼電器控制交流接觸器，實現若干條道路供電。

7智能交通應用

在圖 5中，增加了一個緊急求救按鍵。當發生交通事故時，按下開關(可設定長時按鍵3s或者連續按3次，消除誤動作)，此時該路燈處于定時閃爍狀態，提醒遠處過往車輛減速繞行，起到交通信號燈的作用；同時，系統通過WiFi直接向交通管理局報警，并傳送位置信息(每個路燈均有唯一標識碼)，同行道路上的車載系統也同樣會接收到事故廣播信息。對于數據接收穩定性問題，可通過頻偏與信道估計的算法[10]加以改善。

7.1智能紅綠燈應用

在車聯網時代，各條道路即時統計車速、車流量、交通定位等數據，然后通過大數據分析得出通行峰值，最后根據峰值數據合理設置不同時段道路紅綠燈時間。比如夜間，在任何方向都無行人或過往車輛時，可完全關閉紅綠燈。對于目前實際情況而言，并不是所有車型都有WiFi系統。因此，作為過渡期，在距離路口2km內的路燈控制器上，安裝紅外傳感器或者超聲波傳感器，統計過往行人或車輛數據，通過WiFi直接送到路口交通專用控制處理系統；然后自動設置紅綠燈時間，實現紅綠燈智能化。對于發生交通事故后，車載智能系統由于安全氣囊打開而自動報警的情況，通過路燈WiFi系統上報事故信息，同時啟動車載語音免提功能，報告事故詳細情況。需要注意的是，WiFi交通定位限定在交叉路口局域網內進行數據處理與決策，比GPS定位更快、更精確。

7.2交通預測

對于安裝了攝像頭的路燈系統，還可以通過手機交通APP查看道路實時情況[11-12]。規律化的城市生活更有利于交通預測。如果每個人的出行日程、路線、所需交通工具等信息，在出門前，都通過智能交通網絡系統中事先約定，那么車輛或手機一旦接入基于路燈WiFi網絡的交通系統，交通信息系統立刻收集到位置、車速等信息，即可利用“短時交通流量智能組合預測模型”[13]或“小世界模型”算法進行數據處理。屆時，交通預測將更加準確，也能夠解決多路口交通問題。可以說，組建路燈高速WiFi網絡是解決當今交通狀況擁堵不堪的良藥之一。

8結束語

通過上述設計的路燈控制器，根據路段實際需要，安裝所需功能模塊，并通過WiFi構建網絡智能路燈系統。系統不但能夠實現路燈智能控制，還具有交通輔助燈功能，具有成本低、可靠性高、功能化強、智能化程度高等特點，充分體現了“互聯網+”的優勢。而基于路燈組建的WiFi無線網絡，對于即將發展起來的物聯網、車聯網、智能交通，都具有極高的應用價值。

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Comprehensive Design of Internet and Intelligent Streetlights

Abstract：Through investigating and analyzing the development of urban streetlights and Internet applications, it is found that the both are the bottleneck of development.Therefore, the system of streetlights is designed with integrating wireless network and intelligent control.The streetlights brackets are equipped with high speed wireless WiFi modules and many kinds of sensors to realize intelligent control under network interconnection mode and provide network platform for other Internet applications.Experiment shows that the system implements various functions, including illuminance detection, sound recognition, infrared human body identification, self-detection of system, automatic fault report for repairing and one-button emergency alarm, etc.Some of the applications of the system in intelligent transportation are discussed; the system plays the role of supporting and promoting other application development of “Internet+”.

Keywords:Intelligent streetlight controlIlluminationIntelligent transportationInternet of vehiclesInternet of thingsInternet+WiFi

中圖分類號：TH89;TP212

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606014

修改稿收到日期：2015-09-28。

作者魏明(1979-)，男，2011年畢業于蘇州大學電子信息工程專業，獲學士學位，實驗師；主要從事電路與系統的研究。