基于nRF51-DK的智慧路燈系統設計

劉雯 陳存哲 苗享天 鄭軒 王碩 陳宏

摘 要：在城市照明中，傳統路燈存在操控不便、管理效率低、燈況不明、巡燈投入大等諸多詬病。針對傳統路燈照明存在的各種缺陷，提出了一種基于nRF51-DK的智慧路燈設計方案并加以實現。智慧路燈系統實現了單燈的實時監控，并借助云平臺實現了路燈狀況與車流量、光照強度等信息的數據共享，此外還在路燈的控制上增添了手動模式，以應對突發狀況。實驗表明，智慧路燈的設計方案提高了路燈的監管效率并有效降低了能耗。

關鍵詞：智慧路燈;IoT;云平臺;車流量檢測;nRF51-DK;通信

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-03

0 引 言

近年來，隨著物聯網技術的不斷發展、物聯網產業的不斷完善，政府出臺了建設智慧城市的政策。智慧交通作為智慧城市建設的重要組成部分，吸引了大批研究人員的關注。照明是城市交通中的重要環節，傳統的路燈控制方式主要通過設置固定的開關燈時間或基于緯度時令對整條街道或一個路段的路燈進行控制，顯然這種工作方式會造成電力資源的浪費，同時簡單粗放的路燈監控管理方式也使得在路燈的維護與檢修上投入了過多的人力資源[1-4]。

鑒于傳統路燈已無法滿足智慧城市照明的需要，我們提出了智慧路燈方案。借助物聯網技術對路燈進行單燈控制和智能調節，實現了路燈的精細化管理，達到了節能以及高效運維的良好效果[5-6]。

1 智慧路燈的總體結構

智慧路燈系統包括主控模塊、車流量監測模塊、光照強度檢測模塊、通信模塊、云端以及安卓手機APP六部分，系統的總體結構如圖1所示，實物如圖2所示。

2 智慧路燈的方案設計

智慧路燈設計步驟如下：

（1）以nRF51-DK開發板為主控模塊，以開發板上的LED燈模擬現實情景下的路燈;

（2）通過車流量監測模塊估算當前的車流量大小;

（3）通過光強檢測模塊獲取自然光線的明暗信息;

（4）借助BC35-G通信模組實現主控模塊與云端的雙向通信;

（5）借助華為云平臺實現數據的存儲和共享，以及控制命令的下發;

（6）通過安卓手機APP快速訪問云端數據并向主控模塊下發命令。

系統流程如圖3所示。

2.1 主控模塊

主控模塊的主體是NORDIC公司研發的nRF51-DK開發板[1，7]，該模塊的功能包括接收并處理車流量監測模塊和光照強度檢測模塊的數據，控制LED燈模擬不同情境下路燈的亮滅、明暗（包括自動模式和手動模式;本系統中LED燈的狀態被設置為明、暗、滅三種;白天路燈滅，夜晚路燈亮;車流量大，則路燈明，車流量小，則路燈暗），通過通信模塊實現與云端的雙向通信，即主控模塊向云端上傳數據和云端向主控模塊下發命令。

2.2 車流量監測模塊

車流量監測模塊采用基于51單片機的紅外收發裝置。當有車輛經過時，紅外線的傳播路徑被阻擋，接收模塊的輸出電平發生變化，如圖4所示。統計單位時間內高電平的持續時間，并以此估算車流量，如圖5所示。

車流量c可按下式計算：

2.3 光強檢測模塊

光強檢測模塊采用光照強度傳感器GY-302 BH1750，該傳感器能夠實時獲取外界光線的光照強度值。通過實驗我們設置了合理的閾值Tth，當實際的光強值大于Tth時，路燈被設置為滅;當光強值小于Tth時，根據車流量c的大小，路燈被設置為明或暗。

2.4 通信模塊

通信模塊采用BC35-G NB-IoT模組[8]，BC35-G模組配有板載天線和SIM卡座，插入移動物聯網卡后，即可通過中國移動物聯網網絡與云端通信，從而進行云端與主控模塊的雙向通信：將車流量和光照強度數據上傳到云服務器;云端向主控模塊下發控制命令。

2.5 云端

云端部分采用華為云-物聯網平臺-IoT平臺增強版[9]，借助華為OceanConnect開發者平臺進行設備管理及應用開發，包括顯示路燈的工作情況;接收、顯示和存儲車流量及光照強度數據;下發路燈控制命令，命令格式見表1所列;與安卓手機APP通信，即允許APP讀取數據以及接收控制命令。歷史數據如圖6所示，歷史命令如圖7所示。

2.6 安卓手機APP

APP基于Android平臺[10-14]采用Java語言開發，通過調用云服務器API進行歷史數據訪問或者下達命令，包括獲取路燈、車流量及光線強弱信息并實時顯示在APP界面和控制路燈的亮滅、明暗，如圖8所示。此外還可設置手動模式（圖8中右上角按鈕為開關，此時處于打開狀態），手動模式下路燈狀態僅由云端命令控制，不再根據自然光線和車流量自動調節。

3 結 語

針對傳統路燈照明存在的操控不便、管理效率低、燈況不明、巡燈投入大等諸多缺陷，借助物聯網技術以及云平臺，我們設計了一個基于nRF51-DK的智慧路燈系統。通過測試我們發現該系統具備預期的各種基本功能，初步模擬了智慧路燈在實際情景中的應用，但值得注意的是，我們僅實現了單燈的監控，對于規模化的布設及使用，還有許多問題亟待解決。

參 考 文 獻

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[5]劉武.智慧路燈管理系統中的物聯網技術應用研究[J].網絡安全技術與應用，2018（12）：124.

[6]曾保權，楊琳芳.基于NB-IoT的智慧路燈管控系統研究及應用[J].智能計算機與應用，2019，9（3）：282-285.

[7] nRF51參考手冊nRF51 Series Reference Manual Version 3.0. Reproduction in whole or in part is prohibited without the prior written permission of the copyright holder [Z]. 2014-10-20.

[8] NB-IoT_BC35-G最小系統板參考資料[EB/OL].www.iot-club.cn.

[9]華為云IoT平臺增強版[EB/OL].https： //www.huaweicloud.com/product/iot.html.

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[12]李天祥.Android物聯網開發細致入門與最佳實踐[M].北京：中國鐵道出版社，2016.

[13]歐陽燊.Android Studio開發實戰：從零基礎到APP上線[M].北京：清華大學出版社，2017.

[14]千鋒教育高教產品研發部.Java語言程序設計[M].北京：清華大學出版社，2017.