基于IoT的道路照明系統的設計與實現

包子建

摘要：針對目前城市道路照明系統效率低、照明方式單一、可擴展性差的問題，提出了一種基于物聯網技術的城市道路智能照明監控系統，將城市道路照明與環境監測相結合并融入新的城市物聯網系統，將嵌入式技術與無線通信相結合。利用傳感器技術實現了智能化、數字化的城市道路智能照明，并具有環境溫濕度、PM2.5等環境參數的監測功能。

關鍵詞：物聯網；智能照明；環境監測

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）10-0213-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

目前，城市道路智能照明系統的首要任務是根據節能減排的要求，改變以往的照明方式。人們不只關注路燈所發揮的照明作用，更加注重路燈的使用情況，在路燈有損壞或者線路發生問題時，可以及時發現并維修，有效避免意外事故的發生。本系統主要針對路燈的照明情況進行遠程控制，實現的主要功能有：通過遠程監控路燈照明情況，根據溫濕度傳感器、PM2.5傳感器和光照傳感器來檢測外界環境的變化，路燈由此自動調節亮度。

1 系統設計

照明系統主要采集城市路燈的亮度、電壓、電流等數據。而輔助系統則主要對外部的氣象環境進行監測，以便實時地監測到外界的環境，如溫濕度、PM2.5、光照度等，因此在STM32單片機上集成了溫濕度、光照等模塊，ZigBee無線傳感器網絡用于組織網絡并實時采集數據。系統主要包括路燈控制器、集中控制箱、環境采集器、遠程控制中心等部分：

（1）路燈控制器：安裝在路燈燈柱上，實現路燈開關的控制、調節路燈亮度以及電壓、電流信息的采集；

（2）集中控制箱：安裝在路燈配電箱內，負責管理控制多個路燈控制器，實現路燈的集中控制以及數據的匯總與傳輸；

（3）環境采集器：根據合適的間隔距離安裝在多個路燈燈柱內，用于進行環境的溫濕度、光照度以及PM2.5數據的采集與傳輸；

（4）遠程控制中心：集中顯示城市路燈信息和路燈配電網信息，可以實現城市路燈的大規模監控和點亮。

系統硬件模塊組成如下：

（1）ZigBee通信模塊

本系統的ZigBee無線通信模塊采用CC2530模塊，包括主Zigbee模塊和從Zigbee模塊。主從模塊需要完成同一頻率之間的數據通信。Zigbee無線通信的主模塊通過串口與主控模塊連接，實現Zigbee無線通信的主控模塊與從控模塊的通信。

（2）主控終端

主控模塊采用STM32系列，STM32是意法半導體公司推出的基于ARM Cortex-M3內核的MCU。CORTEX-M3是一個32位的內核，具有72 MHz的工作頻率和內置高速存儲器。它具有豐富的I/O端口和外圍設備。特別適用于高性能、低成本、低功耗的場合。它適合于該系統的芯片要求。

（3）傳感器模塊

溫濕度傳感器DHT11模塊，DHT11溫濕度傳感器是一種具有校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。其組成主要包括一個電阻式感濕元器件和一個NTC測溫元器件，可以檢測周圍環境的濕度和溫度。

光照傳感器BH1750FVI 模塊，可對廣泛的亮度進行1勒克斯的高精度測定，直接數字輸出，無復雜的計算，使用方便快捷。

PM2.5模塊，采用GP2Y1010AU0F粉塵傳感器。其特點是取消了模擬輸出端口，不需要建立外圍電路，節省了成本，其采用標準串行通信，串行輸出更加穩定，只需要三根導線即可操作，提高了測量精度。

GPS模塊，接收衛星定位信號運算出自身的位置、時間和運動狀態，每秒1次送給單片機并存儲，將正確的信息反饋給遠程控制中心，使遠程控制中心分析數據后對節點的集中控制箱進行控制，進而控制每個路燈控制器。

（4）PC終端

PC終端是電腦通過上位機查看接收到的數據，不僅能實時監控路燈的工作情況，還能實時地了解周邊區域的環境情況。監控中心恢復和處理數據，并在控制界面上同步顯示它們。同時，將接收到的數據存儲到數據庫中。上位機通過路燈管理系統發送控制命令，實現對遠程監控終端的控制。

2 系統實現

本系統由路燈控制器采集該路燈所在處位置的光強，根據集中控制箱發來與季節、地理等相關的系數計算出合適的亮度調節路燈；路燈之間每隔200米配置一個環境采集器，并將采集器采集的結果通過ZigBee發給集中控制箱，集中控制箱對數據進行濾波，得到較為準確的環境信息，并通過DTU發往遠程控制中心，以便總站查看數據。同樣，遠程控制中心也可利用集中控制器反向控制某個路燈的亮滅及光強。此外每個路燈控制器都裝有自檢系統，通過采集實際輸出給電燈的功率值與理論值進行比對，判斷路燈是否處于故障狀態，并將故障狀態通過集中控制箱發到遠程控制中心。

（1）感知層：運用溫濕度、PM2.5、光照等傳感器，在STM32單片機上集成了溫濕度、光照、PM2.5等模塊，對周圍環境進行數據的采集匯聚，輔助系統進行氣象環境監測，實時監測外界的環境。

（2）傳輸層：在每個路燈中嵌入ZigBee無線通信模塊，使其自組織成網絡。然后通過自組織ZigBee無線網絡實現單燈控制器和集中控制器的通信。監控中心的計算機通過集中控制器向單燈控制器發送命令。單燈控制器采集路燈的周圍環境，并對采集到的數據進行分析。通過ZigBee網絡傳輸到集中式控制器。經過分析，集中控制器通過互聯網傳輸到監控中心。監測中心收集和分析采集的數據。數據被恢復和處理，并在主控制界面上同步顯示。同時，將接收到的數據存儲在數據庫中。此外，監控者可以通過路燈管理系統發送控制命令來控制遠程監控終端。

（3）控制層：物聯網智能終端單元的主控模塊采用配備嵌入式ARM處理器的STM32系列。路燈控制器采集路燈位置的光強，根據集中控制箱發來與季節、地理等相關的系數計算出合適的亮度調節路燈；環境采集器將采集器采集的結果通過ZIGBEE發給集中控制箱，集中控制箱對數據進行濾波，得到較為準確的環境信息，并通過DTU發往遠程控制中心，以便總站查看數據。同時，遠程控制中心也可利用集中控制器反向控制某個路燈的亮滅及光照強度。

（4）軟件開發環境：由于組態軟件在網絡通信和實時性方面的局限性，本系統采用Labview作為軟件開發工具。Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種圖形化編程語言開發環境，作為標準的數據采集和儀器控制軟件，已被工業界、學術界和研究實驗室廣泛接受。Labview也是一個強大而靈活的軟件開發包。它集成了滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的所有硬件和數據采集卡通信功能。它還具有內置的庫功能，易于應用軟件標準，如TCP/IP和ActiveX。它可以方便地建立自己需要的虛擬儀器。同時圖形界面也使得編程和使用過程更加生動有趣。

（5）云應用：監控中心的計算機終端通過集中控制器向單燈控制器發送命令。單燈控制器采集并分析從路燈設備采集的物理數據，數據通過ZigBee網絡傳輸到集中式控制器。經過分析，集中控制器通過DTU（Internet網絡）傳輸到監控中心。監控中心負責恢復和處理數據，并在控制界面上同步顯示。同時，還將接收到的數據存儲到數據庫中。需要時，監控人員還可以通過路燈管理系統發送控制命令，實現對遠程監控終端的控制。

3 結束語

本系統從當今市場需求以及人們生活的實際需要出發，設計了一種基于IOT的城市道路智慧照明系統。實現城市路燈的全網監控，在監控中心實時的掌握路燈的運行狀態，每組路燈可獨立控制，根據時間和光照實現開關和亮度調節，也可實現集中聯網控制。系統結構合理，節約能源，也體現了綠色環保的理念，擴展能力也非常好，具有實際推廣價值和廣泛應用。

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