智慧路燈自動控制與測試裝置的設計與實現

王鵬舉 經本欽 嵇建波 艾志偉

(桂林航天工業學院 廣西 桂林 541004)

0 引 言

路燈作為城市照明的基礎設施，是智慧城市建設的重要組成部分[1]。將普通的路燈設計成能根據環境條件“智慧”地調整亮度，是未來的一個研究方向。為了實現路燈亮度的自動調控及節能的目的，牛萍娟等[2]提出了路燈開啟數量根據道路上行駛車輛的車速自動調整的思想，黎山峰等[3]提出“人車到則燈亮，人車走則燈滅”的路燈動態控制理念，林海軍等[4]提出了基于神經網絡的路燈光照強度自適應算法，文獻[5-6]提出了應用模糊PID算法實現路燈的控制。

本文擬從智慧城市建設過程中節能環保及綠色照明的角度出發，應用傳感器實時采集路燈周圍的光照及污染物濃度情況，根據設定的模糊控制規則算法，動態實時調控路燈的亮度，實現路燈亮度能自動根據其周圍的環境狀況而進行自動調整的功能，達到智慧路燈及智慧城市建設中節能控制及測試的效果。

1 模糊控制原理

在設計中，路燈的輸出光照強度隨著周圍自然光的改變而緩慢變化，實現實時調整路燈的輸出亮度，達到更加人性化及節能的控制效果[7-8]，但受控路燈的數學模型難以通過系統辨識或者建立自身屬性方程實現。模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制技術，可以在缺乏被控對象具體數學模型的前提下實現較好的控制效果。模糊控制方式不需要建立受控對象的數學模型，可以根據模糊規則實現對受控對象的控制[9]。因此，在路燈亮度的控制中，可以采用模糊控制器及模糊控制方法實現路燈亮度隨自然光照強度的自動調整，所設計的模糊控制器結構如圖1所示。

圖1 模糊控制器結構

可以看出，模糊控制器共分四部分：模糊化接口、模糊控制規則庫、推理機和解模糊接口[10]。模糊化接口的作用是把輸入的確定量，依據一定的規則進行模糊化處理，從而得到一個模糊向量并輸入到推理機中。模糊控制規則在模糊控制器中是最重要的，是模糊控制器的核心部分，其功能及作用相當于傳統控制系統中的校正器，需要通過多次調試，最終得出合適的模糊規則，為推理機提供依據[11]。解模糊化接口的作用是和模糊化接口的作用相反，是將模糊化推理之后輸出的模糊值或者結論等效成一個清晰的數值。推理機是根據模糊化接口的輸入和制定好的模糊規則，完成最終的推理過程，傳遞給解模糊化接口，從而實現求解模糊關系，最后獲取模糊控制量[12]。

根據以上模糊控制理論，設計中通過光敏電阻采集路燈周圍光強的變化、光敏電阻輸出電壓的偏差、偏差的變化率作為模糊控制器的輸入，以電壓的變化反映亮度的變化。

實際工作時傳感器檢測電壓的偏差范圍為(-1.3～+1.3)V，偏差變化率范圍為(-17.33～+17.33)V/s，輸出范圍為(-5～+5)，采樣周期為150 ms，設計給定的傳感器電壓的控制值為2 V。

據此，將路燈的亮度誤差e及其變化率ec分別設定在區間[-1.3,+1.3]和區間[-17.33,17.33]內連續變化，通過對其進行離散化，構成由整數0、1、2、3、4、5、6組成的離散集合，表示如下：

|e|=|ec|={0,1,2,3,4,5,6}

這兩個集合對應的模糊子集都設定為：

|e|=|ec|={NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}

NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB這7個模糊集中的元素對亮度來說是非常暗、較暗、偏暗、適中、偏亮、較亮、非常亮[13]；對亮度變化速率來說是迅速變暗、較快變暗、漸進變暗、不變、漸進變亮、較快變亮、迅速變亮。

同樣設定輸出量的論域為：

Po={-3，-2，-1,0,1,2,3}

將其模糊子集也同樣設定為：

|e|=|ec|={NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB}

此時即完成了輸入量的模糊化過程和輸出量的解模糊過程。由于光敏電阻的光線較弱時電阻的變化率較大，光線較強時電阻的變化率較小，依據這個特性，在設置偏差以及偏差變化率的隸屬度函數時，在亮度偏小的部分較密集，亮度較大的部分較寬松，模糊規則如表1所示，偏差及偏差變化率函數如圖2所示。

表1 模糊規則表(e：偏差，de：偏差變化率)

圖2 偏差及偏差變化率隸屬度函數

為了方便計算，將輸入數據放大100倍后進行模糊化處理，由此得到的比例因數分別為：偏差(7/130)、偏差變化率(7/1 733)、輸出(7/5)。因為一般的解模糊過程計算過于繁瑣，影響處理器的處理效率，進而也影響到整個系統的實時性。所以將各隸屬度對應的模糊輸出數據通過MATLAB軟件計算得出，如表2所示，將表的內容寫入一個15×15的數組中。計算規則選擇最大最小法和加權平均法，在進行到解模糊過程時，通過查找數組可以很快得出相應的輸出量，避免了繁瑣的計算，在保證控制精度的同時，也兼顧了實時性。

表2 模糊輸出查詢表(e：偏差，de：偏差變化率)

2 智慧路燈系統設計

2.1 總體方案設計

基于模糊控制理論的智慧路燈總體設計方案如圖3所示。該方案由上位機操作界面、路燈控制站及智慧路燈節點三大部分組成。其中，路燈控制站主要包括無線網橋和邊界路由器；智慧路燈節點主要包括無線網橋、LED路燈、節點控制器等；上位機操作界面通過可視化軟件實現對路燈的遠程控制及路燈數據的遠程傳輸。

圖3 智慧路燈總體設計方案

2.2 智慧路燈節點

智慧路燈節點是整個方案設計的核心部分，可分為數據采集和數據傳輸兩大部分，其硬件設計如圖4所示。

圖4 智慧路燈節點設計框圖

數據采集部分可以讀取路燈當前的電流、電壓、亮度、溫度、濕度、PM2.5、有毒氣體、光照強度、視頻圖像，同時可以實現路燈亮度的即時調整。數據傳輸部分是將采集的數據及視頻實現遠程傳輸。無線數據傳輸采用基于IPV6的低速無線個人局域網6LoWPAN(IPV6 over Low power Wireless Personal Area Network)通信協議[14]。該協議基于TCP/IP網絡架構，不必進行任何協議的轉換，就可以實現與互聯網的無縫對接，簡化網絡拓撲結構。

ARM嵌入式處理器采用低功耗、高性能的32位嵌入式處理器STM32F103芯片[15]。智慧路燈節點的軟件采用C語言編寫，在軟件設計過程中，移植了Contiki操作系統，并基于該操作系統下的用戶線程函數的實現進行程序設計,其中基于模糊控制理論的路燈亮度自動調整算法流程如圖5所示。

圖5 智慧路燈亮度自動調整流程

可以看到，當智慧路燈節點收到上位機操作界面的自動調整指令之后，控制程序將根據采集到的PM2.5、光照傳感器數據、設定的模糊規則，進行路燈亮度的自動調整，實現路燈亮度的智能控制及節能的目的。其中，PM2.5比較數值的設定是參照空氣質量指數標準，當空氣污染較重時，可見度降低，打開路燈以提高道路的照明亮度[16]。

2.3 上位機操作界面

為了實現路燈的遠程調控，使其能夠直觀展示調控效果，完成了上位機操作界面的設計。界面采用VB(Visual Basic 6.0)程序及可視化編程技術進行編寫，主要分為網絡通信設置、路燈數據查看及路燈亮度控制3大部分。所設計的上位機操作界面如圖6所示。其中網絡通信部分采用UDP協議與邊界路由器、無線橋建立連接；數據查看部分可以查看網絡節點中所有節點，查看路燈運行的數據及其周圍的環境數據；路燈亮度控制部分設置了手動和自動兩種控制方式，并且在設計過程中將“自動調光”和“手動調光”按鈕設計為一個按鍵。因此在自動調光模式下，界面上按鈕顯示為“手動調光”，當在手動調光模式下，界面上的按鈕顯示為“自動調光”，方便二者之間的切換。

圖6 上位機操作界面

3 實驗驗證與結果分析

裝置的設計最終實現了路燈的智能控制及測試功能，所設計的智慧路燈節點實物如圖7所示。

圖7 智慧路燈節點實物圖

上位機操作界面可以通過手動或自動方式遠程調節路燈的亮度，當設置為自動調光方式時，路燈會根據其周圍的PM2.5濃度及光照條件自動調整其工作電流和電壓，調整LED路燈輸出的亮度，自動調光測試結果如圖8所示。

圖8 自動調光測試結果

改變路燈周圍的光照強度，使其光照條件對應非常暗、較暗、偏暗、適中、偏亮、較亮、非常亮7個等級，測試路燈的自動調光效果，測試結果如表3所示。

表3 路燈自動調光數據測試結果

表3的測試結果表明，應用模糊控制理論設計的路燈，能“智慧地”根據其周圍的光照條件調整工作電流和電壓，調整其輸出的亮度。當路燈周圍的光照強度逐漸增強時，路燈的工作電流逐漸減小，其亮度也逐漸減弱。如果路燈周圍的光照強度非常強，則路燈自動關閉工作電流，并將輸出電壓降低，實現了路燈亮度的智能化調節及測試的功能。

4 結 語

本文深入研究了模糊控制理論，設計一套針對路燈亮度隨自然光自動調節功能的模糊控制規則，應用MATLAB軟件仿真計算之后，將結果應用到智慧路燈節點的控制程序中。經過各個功能單元的單獨調試以及裝置的整體調試，實現了路燈的遠程監控及路燈亮度的智能化調節與測試功能。與傳統路燈的控制方式相比，采用模糊控制算法的路燈自動調光功能，不僅可以讓路燈的照明服務更加科學合理，而且還可以實現城市道路照明更加節能的效果。此外，基于6LoWPAN無線通信協議的智慧路燈系統設計，還可以采集城市中的霧霾、溫濕度、有毒氣體、提供視頻監控數據，為智慧城市的建設提供了基礎信息采集的通道和接口，為智慧城市的運行和管理奠定較好的基礎，同時也為當前5G技術在智慧城市建設中的推廣應用，提供一定的參考價值。