智慧路燈監控系統設計

宿遷學院信息工程學院 孫 凡 王 穎 肖俊燁 曹馨文 鄒辰彥 袁 進

隨著智慧城市的不斷發展，傳統路燈存在著功能單一、智能程度不足、監管和維修困難等問題，造成了人力、物力等資源的浪費。本文從實用的角度出發，針對傳統路燈的弊端，設計了一種基于ZigBee技術的智慧路燈監控系統，該系統主要實現了對路燈的燈光自動調節、工作狀態監測、遠程控制等功能。經實驗測試得，系統各功能運行穩定可靠，具有一定的實用價值。

隨著城市化建設的不斷深入，路燈已成為現代生活中必不可少的基建配套設施。傳統路燈雖然為城市帶來了便捷，但存在資源浪費嚴重、維修成本高、監控困難、靈活性差等問題。在物聯網技術、無線通信技術、定位技術的發展背景下，“智慧路燈”的概念于近幾年被提出，并且，部分城市的旅游景點等地區已經應用了智慧路燈監控系統，與傳統路燈相比，其功能多樣、智能化程度高，但在運行的過程中同樣存在一些問題，如功耗大、成本高、普及化難等。

目前，智慧路燈監控系統的設計方案主要有幾下幾種：（1）從數據存儲與處理的角度出發，通過大數據、云平臺、NB-IOT等技術，實現路燈智慧運行；（2）從無線傳輸的角度出發，混合運用多種無線傳輸技術，實現路燈信息的遠程實時傳輸與處理；（3）從智慧路燈實現功能的角度出發，擴展智慧路燈功能，加入LED顯示屏、快速充電、視頻監控、環境監測等模塊，實現智慧城市一體化建設。

基于智慧路燈監控系統的研究現狀及所存在的問題，本文從降低成本、實用、節省資源等角度出發，設計了一種基于ZigBee無線傳輸技術的智慧路燈監控系統。該系統主要實現對路燈燈光的自動調節、故障報修、實時數據監測、遠程控制等功能。在系統設計過程中，對硬件、軟件兩個部分均采取了一定的實用設計，有效提升了系統的實用性。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee是一種距離近、復雜度低、功耗低、數據傳輸速率低、使用成本低的無線通信技術，適用于自動控制和物聯網遠程控制領域。

ZigBee協議棧體系結構如圖1所示，從上到下依次由應用層、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層等部分組成。

圖1 協議棧體系結構圖

協議棧中各層功能為：應用層主要作用是提供不同類型的應用業務，在協議棧中處在最上層，服務于不同用戶。應用匯聚層的任務是把應用層應用需求映射到網絡層上，包括數據安全與通信鑒權、多業務數據流匯聚、設備搜索與發現、業務發現等功能。網絡層的功能包括ZigBee拓撲結構管理、路由管理和安全管理等，是協議棧中的關鍵部分。數據鏈路層提供了可靠有效的數據傳輸、數據包的分段與重組、數據包的順序傳輸等功能。物理層定義了無線通信的頻段和各頻段的信道分配。

在網絡層中，ZigBee定義了三種設備類型：（1）網絡協調設備，負責網絡的建立，以及網絡位置的分配；（2）路由設備，主要負責找尋、建立以及修復信息包的路由路徑，并負責轉送信息包；（3）終端設備，只能選擇加入他人已經形成的網絡，可以收發信息，但不能轉發信息。

ZigBee網絡層支持星狀、簇樹狀和網狀等拓撲結構。圖2給出了三種拓撲結構示意，其中，白點代表終端設備，黑點代表路由設備，正方形點代表協調設備。

圖2 ZigBee拓撲結構

若采用星狀拓撲結構組網，整個網絡有一個ZigBee協調設備設備來進行整個網絡的控制。ZigBee協調設備能夠啟動和維持網絡正常工作，使網絡內的終端設備實現通信。若采用網狀和簇樹狀拓撲結構組網，ZigBee協調設備則負責啟動網絡以及選擇關鍵的網絡參數。在簇樹狀網絡中，路由設備采用分級路由策略來傳送數據和控制信息。網狀網絡中，設備之間使用完全對等的通信方式，ZigBee路由設備不發送通信信標。

2 系統設計

本文設計的智慧路燈監控系統總體框圖如圖3所示，系統包括路燈終端（ZigBee終端設備）、ZigBee協調器、控制中心（用戶界面）等部分，采用星狀網絡拓撲結構。各路燈終端將實時監測數據通過終端通信節點發送到ZigBee協調器，協調器再將數據打包發送到控制中心，供用戶使用。

圖4為路燈控制終端的設計框圖，路燈終端以STM32開發平臺為控制器，主要包括燈光調節模塊、超聲波檢測模塊、工作狀態檢測模塊、通信模塊（ZigBee終端節點）等功能模塊，每個路燈終端有獨有的編號，便于控制中心對路燈的查找與定位。

圖4 路燈終端設計框圖

3 系統功能實現與分析

3.1 燈光自動調節

首先，令硬件平臺上電復位，若路燈處于光照較弱的環境中，將自動點亮，亮度隨外界光照的強弱而自動調節；若路燈處于外界光照較強的環境中，將自動關閉。路燈亮度變化的實現過程為：外界光照強度大于60（范圍為0~100）時，路燈自動關閉，外界光照強度小于等于60時，路燈自動打開（閾值可根據實際情況在控制中心進行更改），并且，其亮度隨外界光照強度的變化而變化。燈光亮度自動調節情況如圖5所示，由圖可得，隨著路燈所處環境的改變，其亮度值會發生相應的變化，實驗中快速將燈光遮擋時，其亮度也隨之快速，具有一定的實時性及敏捷性。

圖5 燈光亮度自動調節

3.2 路燈燈光遠程控制

為了便于對不同路段路燈燈光亮度的遠程控制，系統設計了路燈燈光遠程控制功能。具體實現過程為：通過控制中心發送控制指令給目標路燈，目標路燈接收到相應指令后，根據指令要求進行相應的燈光亮度調節，實現遠程調節路燈燈光亮暗的功能。系統指令設置及相應的燈光亮度變化如表1所示，當控制中心發送指令“0”時，目標路燈燈滅；控制中心發送指令“1”時，路燈亮度柔和；控制中心發送指令“2”時，路燈亮度較強（指令可根據實際需要進行等級的增加與減少）。

表1 控制指令與燈光亮度設置

3.3 車輛與行人檢測

為實現路燈燈光隨車輛及行人經過情況進行實時改變的功能，路燈終端對經過路燈的車輛及行人進行實時監測并隨監測情況自動改變工作狀態，同時，將燈光亮度信息實時反饋到控制中心。路燈終端通過超聲波檢測模塊實現車輛及行人感知功能，當在一定時間范圍內，某路燈未檢測到車輛及行人經過，其將自動進入節能（睡眠）狀態，即燈光亮度值較低；一旦感知到有車輛及行人經過，路燈將被立即喚醒，燈光亮度值恢復到正常工作狀態。路燈燈光亮度隨車輛及行人經過的變化情況如圖6所示，當無車輛及行人經過時，燈光亮度值較低，當有車輛及行人經過時，燈光立即恢復正常亮度值。

圖6 路燈燈光亮度變化

3.4 路燈工作狀態監控

為了便于實時監測路燈工作狀態，系統設置了路燈工作狀態監控功能。當路燈正常工作時，控制中心可實時監測其工作電流、工作電壓等情況；當路燈處于故障狀態時，即工作電流（或工作電壓）數值超過正常工作范圍，系統將對其進行遠程關閉。圖7為路燈工作狀態實時監測情況。

圖7 路燈工作狀態實時監測（電流值）

本文針對傳統路燈所存在的問題，設計了一種基于ZigBee技術的智慧路燈監控系統。該系統主要有以下幾個特點：（1）系統根據實際應用需求進行設計，各功能之間具有一定的關聯，提高了系統的應用價值，保證了實用性；（2）系統功能可拓展，以滿足不同環境下的使用需求（如城市道路、鄉村道路、社區道路、校園道路等），具有應用面較廣的特點；（3）系統參數可調，如燈光亮度閾值、控制指令設置等，具有靈活性；（4）系統采用ZigBee技術進行數據傳輸，保證了系統的低功耗運行，還可根據系統需求進行終端設備的拓展。經實際測試可得，系統軟硬件運行穩定，各功能測試結果良好，具有一定的實用性。