基于物聯網的智能路燈控制系統的設計與實現

孫厚權

摘 要：基于Web服務與通信、ZigBee無線自組網、GPRS無線廣域網傳輸以及GPS定位技術，開發一套基于物聯網的智能路燈控制系統，目的是實現路況檢測、智能調光、一鍵求助以及實時定位功能。本系統不僅能促進能源的節約，還能利用路燈高普及性的特點來獲取路況交通數據，對其加以分析和利用，可以緩解交通擁堵的狀況。

關鍵詞：物聯網；智能路燈；Web；ZigBee；GPRS

中圖分類號：TN929.5；TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）02-0194-03

Design and Implementation of Intelligent Street Lamp Control System Based

on Internet of Things

SUN Houquan

（Jiangsu University of Science and Technology，Zhangjiagang 215600，China）

Abstract：Based on Web service and communication，ZigBee wireless ad-hoc network，GPRS wireless wan transmission and GPS positioning technology，developed a set of intelligent street light control system based on internet of things，a key to realize traffic detection，intelligent dimmer，for help and real-time positioning function. This system can not only promote energy saving，but also use the high popularity of street lamps to obtain traffic data，which can be used to relieve traffic congestion.

Keywords：internet of things；intelligent street lamp；Web；ZigBee；GPRS

0 引 言

隨著社會和科技的發展，未來家庭、辦公室、工廠等地方的設備日趨智能化。一方面，智能設備會給日常生活帶來便利，另一方面，它們越來越大的用電需求會給社會以及環境帶來壓力。

從現實情況來看，既有晚上路燈“徹夜不眠”的情況，也有因陰天能見度低而路燈不亮造成的交通問題，還存在路燈壞了難以及時檢修的狀況，這會給我們的日常出行造成很大的不便。此外，隨著人均車輛占有率的日益增加，緩解交通擁堵成為一個棘手的問題。智能路燈這一理念雖然提出地較早，但至今未有成熟的解決方案能有效利用路燈采集到的車流信息來對交通擁堵現象作出相應的處理。

基于以上問題，本文從節能角度出發，以智能調控亮度的辦法來應對當前電量浪費以及由于路燈亮度不夠造成的交通問題。同時，還要實現路況信息的實時預報，減少交通擁堵情況的發生。

1 關鍵技術介紹

1.1 物聯網技術

物聯網是通過射頻識別技術、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息進行傳感的設備。利用現代通信技術，把待識別物體與互聯網進行連接，從而實現對物體的識別、定位、跟蹤、監控和管理。[1]

1.2 無線局域網通信技術

常用的無線局域網技術有RF，WiFi，藍牙，NRF，ZigBee等。ZigBee網絡是自組織網絡，大部分節點采用電池供電。ZigBee可工作在2.4GHz、868MHz和915MHz頻段上，分別有高達250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率。[2]

1.3 GPRS技術

GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線業務）是在GSM網絡的基礎上疊加一個新的網絡而形成的邏輯實體，是在現有GSM系統基礎上發展出來的一種新的分組數據承載業務。

主要特點：（1）永遠在線，縮短入網時間；（2）流量計費，只有在傳輸數據時才會產生流量費用。[3]

GPRS作為數據傳輸中間模塊，通過串口與ZigBee協調器相連，將匯總過后的數據傳輸至云端服務器，來完成局域網向廣域網的傳輸工作。

2 系統設計

2.1 系統架構設計

基于物聯網的智能路燈控制系統主要完成智能調光，一鍵求助，路況監測的功能，其系統總體流程如圖1所示。

系統主要由三大模塊構成：硬件檢測模塊、通信傳輸模塊和用戶管理模塊。

（1）硬件檢測模塊負責路燈周圍光照強度的檢測，自身故障的檢測，求助信息的獲取以及當前道路車流量的獲取；

（2）通信傳輸模塊負責硬件檢測模塊獲取的數據收集，然后將其傳輸至云服務器，并進行保存；

（3）用戶管理模塊主要負責通信傳輸模塊存儲至服務器端數據庫中的數據獲取并進行展示。

2.2 硬件檢測模塊

硬件檢測模塊包括Zigbee中控單元，各傳感器設備。中控單元為TI公司的CC2530射頻芯片，內核為增強型51內核，既可以作為短距離數據通信設備又可以作為系統控制單元。

選用常見的4線制光敏傳感器作為光照探知傳感器，該傳感器使用的光傳感器是光敏電阻，可以將光信號轉換為電信號。模塊共有4個引腳，其中兩個用于信號輸出，分別為A0（模擬信號）輸出端和D0（數字信號）輸出端。使用時可以將A0端與MCU的AD模塊相連，通過AD轉換獲得精準的環境光強數值。

一鍵求助功能的添加是為了將準確的位置信息迅速傳至救助中心，起到加快處理交通事故的速度的作用。基本原理是按鍵檢測，循環檢測標志按鍵是否被按下。

故障自檢功能是利用CC2530芯片內部ADC功能檢測燈兩端的電壓，將檢測到的數值與正常值進行比對，判斷是否出現故障。

選用NPN型常開光電開關作為路況獲取模塊。初步設定在正常城郊道路進行檢測，不考慮人為和環境影響，聯合附近區域路燈采集路況信息，采用中值濾波方式進行降噪處理。

2.3 通信傳輸模塊

系統數據傳輸采用無線局域網匯總，并用廣域網進行傳輸的方式。局域網的傳輸依托于ZigBee自組網技術，廣域網是采用GPRS傳輸。局域網與廣域網之間通過串口進行數據交互。

2.4 用戶管理模塊

本模塊主要用于將傳感器采集到的數據進行展示，分為管理員和用戶兩個部分。用戶需要先進行注冊，然后登錄系統，瀏覽相關信息。

3 程序邏輯設計

3.1 終端設備程序設計

智能路燈控制系統終端設備程序邏輯如圖2所示。首先系統進行初始化設置，然后系統會采集按鍵端口電平值，從而判斷是否有人進行按鍵求助，接著就是對光敏傳感器、紅外傳感器以及內部電壓進行數據采集。將光敏傳感器采集到的數據與設定的閾值進行比較，如果大于閾值則提示應該進行開燈的操作，否則燈繼續處于滅的狀態。下一步則是將各個傳感器采集到的數據進行臨時保存打包，最后發至協調器。

3.2 協調器設備程序設計

協調器端程序邏輯如圖3所示。首先協調器進行系統初始化設置，然后判斷數據傳輸標志位是否發生變化。如果沒有變化則繼續初始化，直到數據傳輸標志位發生變化。檢測到數據傳輸標志位變化之后，將緩沖區的各終端節點傳來的數據進行臨時保存，然后將所有數據進行整合。下一步是與GPRS模塊進行通信，然后將數據構造成json形式的字符串以便與云端數據庫進行通信。最后把整合好的數據傳輸至云服務器即可。

4 模塊展示

圖4是系統實物圖展示。ZigBee終端節點帶有光敏傳感器，紅外傳感器，路燈以及按鍵，通過無線局域網將數據傳輸至協調器。

協調器主要負責接收數據以及與GPRS模塊通信。GPRS模塊用來與服務器進行通信，實現數據遠距離傳輸。

5 結 論

本系統依托于現有的智能路燈控制技術，實現了智能控光、故障自檢功能，達到了節約用電和及時維護的目的，并節省了維護費用。同時系統采用無線局域網作為數據交換載體，既減少了布線，也節省了成本。此外，系統創新性地添加了一鍵求助和路況檢測功能，為交通事故的緊急處理提供了一定的便利，也為交通擁堵的緩解提供了一定的數據依據。

參考文獻：

[1] 燕妮.淺論物聯網技術的應用研究 [J].科技信息，2013（19）：81+94.

[2] 張科.基于ZigBee技術的家用安防系統研究[J].現代信息科技，2017，1（2）：39-41.

[3] 趙亮.黎峰.GPRS無線網絡在遠程數據采集中的應用 [J].計算機工程與設計，2005（9）：2552-2554.