智能路燈監控與管理系統的設計

季媛媛，文小玲，張闡娟，張雙華，唐四維

武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205

智能路燈監控與管理系統的設計

季媛媛，文小玲*，張闡娟，張雙華，唐四維

武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205

針對目前“全夜燈”和“間歇亮滅燈”照明所帶來的能源浪費，設計了以STM32F103單片機為核心的智能路燈監控與管理系統.該系統由控制臺和路燈節點兩大部分構成，包括了無線模塊、紅外傳感器、光敏電阻、繼電器及攝像頭等多種傳感器電路.控制臺通過無線網絡主動監控與管理任意節點的路燈及攝像頭的工作狀態；路燈節點的傳感器系統通過檢測到人通過或離開，控制路燈及攝像頭的開關，并將拍攝結果無線傳輸給控制臺顯示及存儲.測試結果顯示該系統在室外復雜環境中實時監控靈敏高，且畫面清晰、存儲時間長.

智能路燈；監控與管理；傳感器系統；無線網絡；攝像頭

1　引　言

近幾十年以來，隨著中國城市和經濟的迅速發展，城市照明建設中的資源節約和交通安全等問題也越來越受到普遍關注.傳統路燈照明存在的一種常見現象就是夜間路燈一直亮著，或者亮一會滅一會，完全不將是否有人經過考慮在內.這樣不僅浪費能源，而且存在路燈的使用壽命短、維修成本高等問題.傳統路燈的另一個問題是要么功能單一，只能進行夜間照明；要么就算帶有攝像頭能對路況進行監控，也需鋪設很長的光纜線進行連續的視頻圖像傳輸；從而造成路燈系統的建設成本高、受地勢影響大，而且這種連續對路況進行攝像的數據量很大，一方面儲存成本過高，另一方面視頻信息中絕大部分是無用路況信息，加大了調查難度［1］.

智慧城市建設已成為當前的大趨勢，在2011年的“十二五”規劃中，將智慧城市列入建設內容的城市達到了20多個，包括北京、天津、上海、廣州、深圳、南京、武漢、寧波等.對于智慧城市的建設，結合上面提到的目前路燈照明的缺陷，本文設計了一種智能路燈監控與管理系統.該系統通過無線模塊將控制臺及各個節點的路燈構成無線網絡系統，并結合人體紅外傳感，光敏電阻，攝像頭等傳感器技術實現路燈智能控制和遠程監控.該系統當傳感器系統檢測到人體經過時，攝像頭才會啟動并只拍一張人體正在經過時的照片，并通過無線網絡將數據傳輸到上位機進行顯示和存儲，可以最大程度減小儲存成本，而且照片信息實用性、方便性比路況監控視頻高很多.經測試該系統可用在公路、公共樓道、過道十字路口等場所的照明和監控.

2　系統硬件設計

系統總體結構如圖1所示，分為控制臺及各路燈節點兩大部分［2］.控制臺由一臺服務器構成，包括上位機軟件和數據庫.上位機能夠顯示路況信息，控制各節點的路燈和攝像頭工作狀態，存儲和管理攝像頭傳來的圖像和視頻信息.路燈節點包括路燈、傳感器系統及微處理器，傳感器系統包括光敏電阻、人體紅外傳感器和攝像頭.為了使控制臺能控制各個路燈節點，也為了各個路燈節點能將路況信息傳遞給控制臺，就需要在控制臺那端使用微處理器完成信息從控制臺到各路燈節點的傳輸，此微處理器也相當于橋接的作用，因而要完成一個帶有n個路燈節點的智能系統，需要n+1個微處理器.本方案微處理器選用意法半導體公司的以ARM Cortex-M3為內核的32位STM32F103ZET6處理器［3］，主頻率高達72 MHz、可滿足大數據量傳輸的要求；芯片集成有定時器、I2C、SPI總線以及UART功能，可設置低功耗模式，芯片引腳數量多且價格便宜，非常適用于此種多傳感器、數據量大且續航能力好的系統.

圖1　系統結構框圖Fig.1　Structure diagram of system

2.1控制端硬件電路設計

由上述分析可知，整個系統的硬件結構可分為兩大部分：以STM32微處理器為核心的控制端硬件電路，以STM32微處理器為核心的路燈節點硬件電路.

控制端硬件電路的功能，一是通過無線網絡接收來自各個路燈節點的視頻或圖片信息，并將這些信息通過串行通信傳給控制臺的上位機進行顯示及儲存；二是接收上位機的控制命令，并將其通過無線網絡傳輸給各個路燈節點，由路燈節點的微控器執行這些命令.控制端硬件電路結構如圖2所示，主要包括串行通信接口、無線模塊以及STM32微處理器.

圖2　控制端硬件電路結構框圖Fig.2　Frame scheme of hardware circuit structure of control part

由于STM32單片機需要將路燈節點攝像頭拍攝的視頻數據傳輸給上位機顯示及儲存，而視頻的數據量是非常大的，為了能盡快地傳輸數據，串行通信的波特率設置為單片機72 MHz主頻率下最高且不會出錯的921 600 bps.在此種波特率下，沒有壓縮的視頻每秒可以傳1～2幀圖像，每幀像素320×240，像素深度為16 bits；被壓縮的視頻可以達到每秒3～5幀圖像，每幀像素160×120，像素深度也為16bits，通過肉眼可以輕松地分辨清楚圖像中人物信息.常用的無線模塊有GSM、WIFI、ZigBee和RF射頻等.GSM無論從距離還是效果來說無疑都是最好的，但是需要向電信營業商交付費用，那么多路燈節點及大數據量傳輸長期積累會是一筆巨大的開支.WIFI通信速度快可達10～50 Mbps，但是WIFI芯片相對比較昂貴，且安裝在城市環境中易受干擾.ZigBee易于組建成多點對多點的無線網絡，但是有個致命缺點是最高通信速率僅為250 kbps，速率慢不適合傳輸大量數據［4］.而RF射頻系列中的NRF24L01模塊通信速率可達2 Mbps［5］，而且價格非常便宜；其缺點是較遠距離會有極少量數據丟失的問題，但可通過程序配置增強發射功率或加入數據校驗來解決；因而此系統中使用RF射頻模塊進行無線數據的傳輸.

2.2路燈節點硬件電路設計

路燈節點硬件電路需要實現以下功能：通過紅外傳感器感應人體經過、光敏電阻感應環境光強，驅動攝像頭拍照或攝像，打開或關閉路燈，經無線網絡接收控制臺的命令，或將圖片、視頻數據傳輸給控制臺.因此，設計的路燈節點硬件電路結構框圖如圖3所示，主要包括紅外傳感器、光敏電阻、攝像頭、繼電器、路燈、無線模塊和微處理器.

圖3　路燈節點硬件電路結構框圖Fig.3　Frame scheme of hardware circuit structure of street light node

目前使用最廣泛的人體紅外傳感器是LHI778熱釋電紅外線傳感器［6］.它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉換成電壓信號輸出，將這個電壓信號加以放大，便可驅動各種控制電路，此模塊只有3個引腳：電源、地、輸出引腳，使用起來很方便，為了進一步減少環境中流動風和其它雜光的干擾，可以給此模塊加上菲涅爾透鏡，當人體進入其感應范圍時輸出高電平，人體離開感應范圍時自動延時一小段時間后輸出低電平.由于路燈在白天不能亮、晚上或者光線昏暗并且有人通過時需要亮，因此需用光敏電阻來檢測環境光強，光敏電阻的阻值隨著光照強度的增加而減小，因而其兩端電壓會隨之增加，通過TI公司的低價位、高性能TLC549芯片AD采樣電壓大小，即可知道環境光強的大小.該系統使用的攝像頭是OV7670圖像傳感器，它體積小、工作電壓低、提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能，適合于嵌入式系統使用［7］；最大輸出的圖片像素為640×480，像素深度為16 bits，顯示圖像清晰；帶有異步的FIFO，使得在高速率下讀取攝像頭數據并進行處理具有時間余量，且STM32單片機對FIFO操作相對更為方便，圖像穩定性也更好，單片機通過I2C接口配置攝像頭內部寄存器，實現攝像頭的初始化、功能配置及像素數據的讀取等功能.系統中微處理器及各種傳感器都工作在3.3 V電壓下，而路燈工作在220 V電壓下，要想通過微處理器控制路燈的開關就必須要用到繼電器，此處用的繼電器為SRD-05VDC-SL-C模塊.

3　系統軟件設計

系統軟件由路燈節點程序、控制端程序、上位機監控程序三大部分組成.路燈節點程序的功能是控制各個路燈節點及相連傳感器模塊（包括紅外感應傳感器、光敏電阻、繼電器和攝像頭等）的工作狀態；控制端程序則是完成服務器和路燈節點之間通信的數據傳遞；上位機監控程序可以控制各個路燈節點，也可以觀察和查找攝像頭拍攝到的路況.

3.1路燈節點軟件程序設計

路燈節點程序包括紅外觸發控制、攝像頭控制、圖像壓縮處理、無線通信控制以及路燈通斷控制等功能模塊.路燈節點程序流程圖如圖4所示.微控器低功耗模式下只是一直在判斷是否有上位機的控制命令，及是否有紅外感應觸發；一方面，如果光敏電阻檢查到環境昏暗，且紅外觸發控制模塊感應到人體經過，則微控器進入正常工作模式，并調用路燈控制模塊打開路燈，調用攝像頭控制模塊對經過的人進行拍照，通過無線通信模塊將圖片信息上傳給服務器儲存，路燈在亮30 s之后會自動關掉，從而實現人至路燈亮，人走路燈滅的功能.由于每次傳輸并儲存的是人經過的圖片數據，因而可以減小數據庫儲存壓力，而且相對于儲存路況視頻，儲存的圖片都帶有人物信息，后期查詢路況更省時省力；另一方面，如果路燈節點的無線通信模塊接收到了上位機控制命令，則微控器也會進入正常工作模式，接收到的數據經過命令解析后，判斷是調用路燈控制模塊打開路燈，還是調用攝像頭控制模塊對路況進行實時攝像，攝像后的視頻信息會經過圖像壓縮處理再無線發送給上位機，此時無線傳輸、上位機播放及服務器儲存的就是一段壓縮后的視頻數據.

圖4　路燈節點程序流程圖Fig.4　Program flowchart of street light node

由于微控器工作頻率不可能太高，且微控器要一直讀取攝像頭數據并控制無線傳輸，不可能空出太多時間進行視頻壓縮，且視頻壓縮算法需要儲存大量數據［8］，這又會大大消耗微控器的內存資源；在微控器上常見的視頻壓縮做法是外接視頻壓縮處理芯片，但是視頻壓縮芯片并不便宜，會增加系統成本.為此系統中只用了一種簡單快速的減少圖像像素的圖像壓縮算法，其原理如圖5所示.減少圖像像素的圖像壓縮算法通過判斷輸入像素點是否為奇數行和奇數列從而過濾掉偶數行和偶數列的像素.這種算法處理時間只用幾個時鐘周期，不消耗任何內存資源，雖然最后顯示的清晰度會下降，但仍可以分辨出圖像中人物的特征信息.這樣在固定的無線通信速率下，需要無線傳輸的像素變成原始的四分之一，正常情況沒有壓縮的視頻每秒可以傳1～2幀圖像，而壓縮的視頻每秒可以傳3～5幀圖像.

圖5　圖像壓縮算法（a）圖像壓縮算法流程圖；（b）壓縮像素點過程Fig.5　Image compression algorithm （a）Flowchart of image compression algorithm；（b）Process of compression pixels

3.2控制端軟件程序設計

控制端程序包括無線通信控制以及UART串口通信控制兩個功能模塊.程序流程圖如圖6所示.由程序流程圖可知，微控器低功耗模式下只是一直在判斷UART串口是否接收到上位機數據，及無線模塊是否接收到路燈節點的數據；一方面，如果UART串口通信控制模塊接收到數據，則表示上位機需要對路燈節點進行控制，此時只需把此控制命令轉換成無線傳輸的格式，并通過無線通信控制模塊發送給相應的路燈節點；另一方面，如果無線通信控制模塊接收到數據，則表示路燈節點有圖片或視頻需要傳給上位機儲存或播放，此時只需將此數據轉換成串口傳輸的格式，并通過UART串口通信控制模塊傳輸給上位機.

圖6　控制端程序流程圖Fig.6　Program flowchart of control part

3.3上位機程序設計

上位機實現的方法有多種，而LabVIEW則是其中較簡單快捷的一種.它通過框圖連線的形式進行編程，而不是編寫文本代碼，可以大大提高工程開發效率［9］.整個上位機監控程序由串口收發送模塊、串口接收模塊、視頻解碼播放模塊及數據庫存儲控制模塊構成.串口發送模塊用來給路燈節點發送控制命令；串口接收模塊用于接收路燈節點的圖片或視頻數據；視頻解碼播放模塊用以對串口接收到的數據進行解碼，形成上位機能識別的格式并加以顯示［10］；數據庫存儲控制模塊則可以將數據存儲在Excel表中，以方便后期隨時查詢路況.其中視頻解碼播放模塊程序如圖7所示，程序前半部分是利用雙重FOR循環及數據移位操作將讀取的565RGB像素數據進行分解后再重組，構成LabVIEW的“Image Display”函數能夠顯示的888RGB像素格式.

圖7　視頻解碼播放模塊程序Fig.7　Program of video decoding and displaying

4　系統測試

為了檢測系統的可靠性，將智能路燈控制與管理系統的一個路燈節點電路放在實驗室的走廊內；利用PC機作為控制臺，連接好控制端STM32硬件電路，打開上位機軟件，進行實地功能測試.功能測試結果如下：

紅外感應測試：無環境光，發現沒人時路燈滅掉，有人經過時路燈會亮，同時會拍照傳輸到上位機顯示并存儲.

光敏電阻測試：有環境光，發現不管是否有人經過，路燈都不會亮.

上位機測試：在上位機界面打開路燈按鈕，發現路燈被點亮；攝像頭選擇慢速/快速攝像模式，此時上位機能顯示過道的路況，如圖8所示.

圖8　上位機顯示畫面Fig.8　Display image of upper computer

穩定性測試：系統不斷電連續工作兩天，發現系統能穩定記錄過往行人信息.

由上述測試可知，此智能路燈監控與管理系統，功能完善，達到了預期效果，系統工作穩定，能應用到實際生活當中.

5　結　語

本文設計出的一種智能路燈監控與管理系統，能夠智能開關路燈從而最大限度節約電量，并提出了一種拍照監控模式從而能最大限度減少服務器存儲壓力.分析了控制端和路燈節點兩大結構的各個硬件模塊的電路實現，以及相應的軟件控制流程，同時介紹了上位機的結構和部分程序，最后對此系統在室外進行了實地的測試.經測試，此系統能夠在昏暗環境下準確實現人到燈亮，人走燈滅的效果，同時能清晰監測人體經過時的路況畫面，并無線傳輸給服務器存儲.但系統還可進一步改進，如提高紅外傳感器的靈敏度以及視頻傳輸的速度等.

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本文編輯：陳小平

Monitoring and Management System of Intelligent Streetlight

JI Yuanyuan，WEN Xiaoling*，ZHANG Chanjuan，ZHANG Shuanghua，TANG Siwei

School of Electrical and Information Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Aimed at the energy waste caused by the full-night and intermittent-blinking lighting，the intelligent street light monitoring and management system was designed based on STM32F103 microcontroller.The system was composed of console and streetlight node，including wireless module，infrared sensor，light-sensitive resistor，relay，camera sensor circuit and so on.The console can actively control light and camera of each node through wireless network，and the sensor system of the node controls the light and camera on or off through detecting the person passing by or leaving，then transmits wirelessly the images to the console for display and storage.Testing results show that the system displays high sensitivity in real-time control and clear images with long-time storage.

intelligent street light；monitoring and management；sensor system；wireless network；camera

文小玲，碩士，教授.E-mail：whwxl_2004@163.com

TP368.2

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.04.017

1674-2869（2016）04-0404-06

2016-04-19

武漢工程大學研究生教育創新基金項目（CX2015049）

季媛媛，碩士研究生.E-mail：1416431399@qq.com