基于互聯網和WSN節點技術校園智能照明管理系統

嚴一踔 谷龍強 丘軍意 尚亞強 陳明霞

摘 ?要：在過去的十多年中，校園照明能源消耗浪費的情況較為普遍而且照明系統不便統一管理，維修護理工作也較為煩瑣，由此設計出一套以LED為集成，協同控制為目標的校園LED智能照明系統。利用無線傳感網絡（WSN）、自供電節點以及LED驅動技術，研發了一種以互聯網和無線傳感器網絡技術為基礎的校園智能照明管理系統，提供了低成本、節能的智能照明方案。

關鍵詞：WSN節點技術;智能照明;物聯網技術

中圖分類號：TN929.5 ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0172-04

Campus Intelligent Lighting Management System Based on Internet and

WSN Node Technology

YAN Yichuo， GU Longqiang， QIU Junyi， SHANG Yaqiang， CHEN Mingxia

（College of Mechanical and Control Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541006， China）

Abstract： In the past ten years， the energy consumption and waste of campus lighting is common， and the lighting system is inconvenient to be managed uniformly， and the maintenance and nursing work is also cumbersome. Therefore， a set of campus LED intelligent lighting system with LED as integration and collaborative control as the goal is designed. Using Wireless Sensor Network （WSN）， self powered node and LED driving technology， a campus intelligent lighting management system based on Internet and wireless sensor network technology is developed， which provides a low-cost and energy-saving intelligent lighting scheme.

Keywords： WSN node technology; intelligent lighting; Internet of Things technology

0 ?引 ?言

近年來綠色照明已成為世界各國推動節能減排、減緩氣候變化的有效途徑和重要手段。對于學校管理來說，良好的校園照明可以提高設備的利用率，同時對校園安全也有著積極的意義，因此校園照明對塑造學校的整體學習環境起著非常重要的作用。

智能照明管理系統是集供電技術、傳感器測量、照明等功能于一體的綜合性系統，其主要技術難點在于電源容量。為提高傳感器測量效果，WSN各節點將會密集分布在工作區域。因此在節點的電能儲存能力受限的前提下，本研究采用了自供電技術以保持節點在線，且基于（WSN）技術和LED驅動控制技術，借助互聯網在線監測無線傳感器網絡中各節點的能量狀態，來保證系統數據采集工作和燈光控制的穩定，達到校園環境設計的基本要求，提供了一種低成本、節能的智能照明方案。

1 ?系統總體方案設計

校園智能照明管理系統由控制核心模塊、光敏傳感器模塊、LED控制驅動模塊、Wi-Fi模塊、太陽能自供電模塊組成。此設計以WSN為系統框架，基于CC2530芯片所接收的傳感器數據來調節LED工作狀態，通過ZigBee通信協議來實現無線傳感收發信號，主要光敏器件能夠實時監控光照強度，然后通過無線傳感的方式將數據傳輸到信息處理中心中，利用Wi-Fi模塊連接物聯網平臺并通過手機APP或電腦端實現遠程監控。

本系統中WSN節點采用的是光伏自供電，即使用太陽能板將光能轉化并儲存在光伏電池中，利用電池為照明節點供電。這樣可以有效解決傳統WSN節點中因單個電源而引起的能量不足的問題，為校園智能照明管理系統提供了實驗支撐。系統總體框架如圖1所示。

2 ?系統硬件設計

系統硬件主要部分可劃分為主控模塊、傳感器模塊、LED驅動模塊以及節點自供電模[1]塊。在硬件設計方面追求整體控制思路清晰，控制過程簡練高效。綜合對比市面上常用的各種控制硬件設備后，根據設備功能、價格、能耗、可靠性等方面特點選定了本系統所用硬件型號。

（1）主控模塊。選擇STM32F103系列以及cc2530（ZigBee）[2]作為主要控制芯片。ZigBee是一種低成本，低功耗的近距離無線組網通信技術，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。其中cc2530是一個兼容IEEE802.15.4的真正的片上系統，支持專有的802.15.4市場以及ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標準。具有功耗低且兼容性強大的特點，且配置多通道ADC采樣以及脈寬調制輸出，在滿足本系統需求的同時也蘊含著豐富的拓展空間[3]。其中cc2530在表1條件下運行能達到最佳的效果。

（2）傳感器模塊。選擇霍爾MH-Sensor-Series系列光敏傳感器，該模塊包含模擬量輸出（AO）和電平輸出（TTL）模式，其中模擬量輸出基于傳感器中光敏電阻的阻值根據光通量的大小而改變的原理，令電流與光強構成函數關系，在本系統中能憑借10位采樣精度準確獲取當前光照強度數據。

（3）LED驅動模塊。LED驅動模塊選擇YL-78板子來驅動照明運行。由于單個LED功率有限，因此系統運行時通常需要借助LED驅動模塊來同時驅動多個LED以滿足照明需求。模塊采用直流電作為控制驅動信號，當正向電壓大于導通電壓后，可視為正向壓降與正向電流成正比關系，系統即可通過恒流電源來控制正向電流大小。

（4）Wi-Fi模塊。ESP8266 Wi-Fi模塊作為可以進行Wi-Fi傳輸的模塊集成了業內領先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，帶有16位精簡模式，主頻可達160 MHz。本研究中選擇該芯片來作為物聯網平臺的一個客戶端，在設備接入無線局域網絡后，將當前傳感器采集的數據以及照明系統工作狀態等信息通過MQTT協議發布到物聯網平臺，以便于管理員通過手機應用或電腦實時查看信息，并控制照明系統的運行。圖2為ESP8266在系統中工作過程。

（5）節點自供電模塊。由于部分成本較低的鉛酸蓄電池對環境有較大污染，且不能維持WSN節點長期穩定可靠運行，隨著運行時間延長容易出現電池性能下降導致節點掉線的情況。因此本系統采用質量更穩定的聚合物鋰電池作為供電，其在溫度升高的情況下也能維持輸出功率基本不變，符合校園智能照明的需求。控制單元通過檢測光伏蓄電池充電電流來判斷當前光照條件，通過檢測電池的電壓和超級電容的電壓來判斷儲能模塊剩余能量情況，并結合光照條件和當前剩余儲能，遠程對能量進行管理，同時控制相應開關進行通斷動作，以保證智能照明系統在線運行。

3 ?系統軟件設計

3.1 ?物聯網平臺選擇

隨著互聯網的高速發展，系統的開發模式日新月異。當今構造系統已經不再需要自行搭建個人服務器，轉而開始使用例如阿里、騰訊、百度等互聯網大廠提供的云服務器，開發者根據自身需求選擇適合的物聯網平臺，極大節省了搭建服務器的人力、物力成本。由于本系統涉及WSN以及物聯網的知識，因此系統軟件設計對于整個智能照明系統起著至關重要的作用。

手機端APP控制部分利用阿里官方提供的物聯網平臺來作為手機與硬件系統溝通的媒介，該平臺針對智能化設備連接、移動端控制、設備管理、數據統計等問題，提供了一整套配置化方案，大幅降低了“設備—云端—APP”的開發成本。只需在物聯網平臺上將控制臺需要的實時信息、操作模塊等放入模板內，并與硬件信息綁定聯系，就能通過手機APP遠程監控智能照明系統、獲取當前數據并控制系統運行。

電腦端遠程控制界面則使用由IBM公司創建的開源物聯網平臺Node-RED進行開發，該平臺提供了多個系統級API接口，且支持可視化編程，極大提高了開發控制面板的效率。在本操作面板中，制作了當前光照強度數據、當前控制模式以及當前LED照明亮度的顯示，自動在物聯網平臺每次接收到客戶端發送的數據后進行一次刷新，保證了數據的實時性、有效性，并加入了一天中光照強度隨時間變化的曲線，便于對數據進行統計。系統上電后默認為自動運行模式，當光照強度低于設定值時，控制芯片cc2530根據光照強度自動改變PWM輸出寬度，從而實現照明亮度的自動控制。當按下手動模式按鍵時，上位機會通過物聯網平臺向控制模塊發布指令，將控制模式切換為手動，照明亮度不再隨光照強度自動改變，而是等待上位機輸入照明亮度控制的數值，再將照明亮度改變為設定值，從而實現了遠程手動控制照明系統運行。圖3為在電腦端使用Node-RED控制面板測試智能照明系統的運行狀況。

圖3 ?Node-RED控制界面

3.2 ?編程平臺選擇

為了方便后期對系統中各個模塊進行調試、檢查，以及將來對系統其他功能的拓展，本系統的控制程序采用集成軟件進行開發。其中本地數據采集層的ESP8266程序部分選擇使用c++的ArduinoIDE軟件進行編寫，主控程序部分則選用Keil編譯器在線調試，盡量使系統各部分模塊相互獨立，充分將軟件編程與硬件屬性相結合。以下為ESP8266接入物聯網平臺部分代碼：

// 連接物聯網服務器并訂閱信息

void connectMQTTserver（）{

// 根據ESP8266的MAC地址自動生成客戶端ID

if （mqttClient.connect（clientId， mqttUserName，

mqttPassword， willTopic，

willQos， willRetain， willMsg， cleanSession）） {

subscribeTopic（）; // 訂閱采集光照強度、運行狀態的主題

} else {

Serial.print（“MQTT Server Connect Failed. Client State：”）;

Serial.println（mqttClient.state（））; ?//若訂閱失敗，通過串口返回信息

delay（5000）;

}

}

//光敏傳感器采集數據、發送至物聯網平臺

void sensor（）{

float data = 0;

float PWM_data=0;

char output[5];

char PWM_zt[5];

sensorValue = analogRead（analogInPin）; ?//讀取當前光照強度0至1023數值

data = 100-（sensorValue/10.23）; ?//將光強數據換算為0至100數值

dtostrf（data，2，0，output）;

mqttClient.publish（sensorTopic， output）; //數據格式轉化并發布到物聯網平臺

delay（1000）;

PWM_data=dutyCycle/10.23; ?//將光照強度轉化為PWM輸出脈寬

dtostrf（PWM_data，3，0，PWM_zt）; ?//根據光照強度自動改變照明亮度

mqttClient.publish（PWMztTopic， PWM_zt）; ?//將照明狀態發布到物聯網平臺

delay（1000）;

}

3.3 ?控制過程原理

系統上電后開始初始化，同時STM32開始通過串口與cc2530連接，ESP8266啟動并根據預存信息尋找無線局域網進行接入，接通網絡后開始憑客戶端ID、密鑰連接物聯網平臺，并訂閱受管理員手機電腦控制的相關主題，同時等待來自STM32F103的JSON數據包。照明系統的控制從管理員的角度可分為收發數據兩部分：

接收數據部分即為cc2530芯片讀取當前LED工作狀態以及光敏傳感器實時采集到的光照強度數值，并利用STM32將數據打包為JSON格式，再通過串口發送至Wi-Fi模塊，然后ESP8266芯片調用內部的Arduino-json庫函數對接收到的JSON格式數據包進行解析并通過MQTT協議發布到物聯網平臺的個人主題中，管理員便可在手機端APP及電腦網頁中訂閱對應的主題以查看采集到的數據。

發送數據部分即為管理員通過手機或電腦端的物聯網平臺控制面板對照明系統下達控制指令后，指令透過物聯網平臺發布到Wi-Fi模塊[4]上，Wi-Fi模塊的ESP8266芯片再通過串口通信下級發送控制數據，經過cc2530后實現對LED的工作控制。

另外，本系統在程序中設置了手動和自動兩種控制模式，在自動控制模式下當光照強度偏離人為設定范圍時便能自動啟停LED[5]照明并隨外界光照強度變化而改變工作亮度，而手動模式則可以通過人為改變cc2530芯片輸出的PWM數值來控制照明亮度。

4 ?結 ?論

校園智能照明管理系統通過對WSN以及LED驅動控制技術的研究和開發，利用物聯網、傳感網技術研發了一種較為合理、經濟、有效、適用性強的實現方式。光伏自供電系統有效的解決了校園照明中的能源問題，WSN無線傳感技術能根據光照強度的實際變化讓路燈照明更加智能化、節能化。二者的有機結合，滿足了校園實際的需求，能實現校園照明系統的信息化、智能化管理，同時大幅度的減少了學校在照明系統方面的能源消耗，降低了人工維護與檢修的成本，符合“智能化、節約化”的環保理念，該系統具有廣泛的應用前景。相信伴隨著科學的進步，WSN將會在校園智能照明方面產生深遠影響。

參考文獻：

[1] 韓鵬元.太陽能光伏發電系統應用技術 [J].黑龍江科技信息，2016（7）：138.

[2] 姜仲，劉丹.ZigBee技術與實訓教程 基于CC2530的無線傳感網技術 [M].北京：清華大學出版社，2014.

[3] 李少雷.基于Zigbee技術的無線智能照明控制系統 [J].電子設計工程，2015，23（19）：125-126.

[4] 劉強.無線傳感器網絡組網關鍵技術研究 [D].四川：電子科技大學，2012.

[5] 王琳，肖軍，王威.可組網的太陽能LED路燈終端控制系統設計 [J].工業儀表與自動化裝置，2020（3）：20-23.

作者簡介：嚴一踔（2000—），男，漢族，廣西蒼梧人，本科在讀，研究方向：自動化;谷龍強（2000—），男，漢族，安徽阜陽人，本科在讀，研究方向：自動化;丘軍意（2001—），男，漢族，廣西陸川人，本科在讀，研究方向：自動化;尚亞強（2000—），男，漢族，河南洛陽人，本科在讀，研究方向：自動化;通訊作者：陳明霞（1971—），女，漢族，廣西恭城人，教授級高級工程師，本科，研究方向：裝備自動化技術、過程控制系統、運動控制。